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Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is an autosomal dominant neurodegenerative movement disorder caused by expansion of CAG repeats in the ATXN2 gene beyond 33 units, while healthy individuals carry 22-23 repeats. First symptoms of SCA2 include uncoordinated movement, ataxic gait and slowing of the saccadic eye movements in line with the early pronounced atrophy of cerebellum, spinal cord and brainstem. Cerebellar Purkinje cells and spinal cord motor neurons are the most affected cells from ATXN2 expansions. Later on, patients manifest distal amyotrophy, problems in breathing and swallowing, depression and cognitive decline caused by widespread degeneration throughout the brain. The striking loss of mass in the brain, due to severe myelin fat atrophy, is accompanied by a similar reduction in the peripheral fat stores. After the devastating progression of disease, the severity and duration of which depends on the CAG repeat size, genetic background and environmental factors, patients succumb to SCA2 mostly because of respiratory failure at the terminal stage. Larger repeat sizes lead to an earlier manifestation of the disease and a more rapid progression. Aside from SCA2, intermediate-length and short pathogenic CAG expansions in ATXN2 between 26-39 repeats significantly increase the risk of developing other neurodegenerative disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), fronto-temporal lobar dementia (FTLD) or Parkinson plus tauopathies like progressive supranuclear palsy (PSP) in various cohorts across the world.
Ataxin-2 (ATXN2) is a ubiquitously expressed cytosolic protein most famous for its involvement in neurodegenerative disease caused by the expanded poly-glutamine (polyQ) domain corresponding to a genomic (CAG)n tract. This N-terminal polyQ domain has no known function, other than increasing the aggregation propensity of mutant ATXN2 and facilitating interaction with other polyQ containing proteins, leading to their sequestration. The progressive accumulation of ATXN2 into cytosolic foci, and also that of its interaction partners over time, underlies the molecular pathomechanism. Next to polyQ domain, ATXN2 also contains a Like-Sm domain (Lsm), an Lsm-associated domain (LsmAD), multiple proline-rich domains (PRD) and a Poly(A)-Binding-Protein (PABP)-interacting motif (PAM2).
Through its Lsm/LsmAD domains, ATXN2 directly binds to a large number of transcripts, regulating their quality and translation rate. In a similar fashion, through its direct interaction with PABP via PAM2 motif, ATXN2 indirectly modifies the fate of even larger number of transcripts and global translation. Several PRDs scattered across the protein help ATXN2 associate with growth factor receptors and other endocytosis factors, modulating nutrient uptake and downstream signaling.
ATXN2 is a stress response factor. Therefore, its involvement in nutrient uptake plays a crucial part in cell’s capability to overcome non-permissive conditions. Upon nutrient deprivation, oxidative stress, proteotoxicity, heat stress or Ca2+ imbalance, ATXN2 relocalizes into cytosolic ribonucleoprotein particles known as stress granules (SGs), together with PABP, several eukaryotic translation initiation factors, many other RNA-binding proteins (RBP) with their target transcripts and the small ribosomal subunit. Collectively, they modulate the stability of the trapped transcripts, favoring the maturation and translation of IRES-dependent stress response proteins instead, according to the specific need. Many RBPs interact either directly or in an RNA-dependent manner in the SGs, and due to the large number of ALS-causing mutations identified in them (such as TDP-43, FUS, TIA-1, hnRNPA2/B1), SGs became a hot topic in neuropathology. Acute SGs serve to halt translation and growth, and to spend energy only for survival until stress disappears. However, chronic SG assembly eventually activates apoptotis leading to cell death. While the polyQ expansions in ATXN2 enhance SG stability, reduce their dissociation rate after stress, and lead to aberrant post-translational modifications of other SG components like TDP-43, complete loss of ATXN2 delays SG formation and results in easily dissolvable foci.
Most of the stressors that induce SG formation eventually converge on energetic deficit. Therefore, it is logical that the ultimate task of SGs is to stop further growth when it cannot be afforded. In yeast, the molecular mechanism underlying this growth arrest was explained as sequestration of the master growth regulator complex, Target-of-Rapamycin Complex 1 (TORC1), into SGs in an ATXN2-dependent manner. The repressor effect of ATXN2 on mammalian TORC1 (mTORC1) and global protein translation had already been documented in earlier studies; complete loss of ATXN2 function in knock-out mouse (Atxn2-KO) resulted in mTORC1 hyperactivity and transcriptional upregulation of multiple ribosomal subunits indicating an increased need for these machines. ...
Hintergrund: Die Tiefe Hirnstimulation ist eine etablierte Therapieoption zur Behandlung von Bewegungsstörungen. Um ein möglichst gutes Ansprechen bei geringen Nebenwirkungen zu erreichen, ist eine optimale Platzierung der Stimulationselektrode unverzichtbar. Für die Optimierung der Elektrodenposition wird in vielen Zentren eine Makrostimulation durchgeführt, die jedoch abhängig von der Mitarbeit des Patienten ist und eine Operation im Wachzustand erfordert.
Fragestellung: Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob die intraoperativ gemessenen Nebenwirkungsschwellen durch MEP oder Traktographie vorausgesagt werden können und eine Korrelation zur postoperativen Nebenwirkungsschwelle nachgewiesen werden kann.
Methoden: Eingeschlossen wurden die Daten von 42 Patienten, die sich einer Tiefen Hirnstimulation unterzogen hatten. Intraoperativ erfolge neben der Ableitung der Nebenwirkungsschwelle bei der Makrostimulation die Erfassung von MEP. Zusätzlich wurde eine Traktographie zur Darstellung der motorischen Faserbahnen durchgeführt, wobei auch die Daten der nTMS genutzt wurden. Anschließend erfolgte eine Abstandsmessung zwischen der Stimulationselektrode und der motorischen Faserbahn. Wenige Tage postoperativ wurden die Nebenwirkungsschwellen erneut im Rahmen der Ersteinstellung des Neurostimulators erhoben. Die Daten der intraoperativ gemessenen Nebenwirkungsschwelle wurden mit den Daten der MEP-Schwellenwerte, dem Faserbahnabstand und den postoperativen Schwellenwerten mittels einer linearen
Regressionsanalyse korreliert.
Ergebnisse: Eine Korrelation zwischen intraoperativer Nebenwirkungsschwelle und MEP konnte nicht nachgewiesen werden. Es ergab sich ein signifikanter Zusammenhang der Abstände der Stimulationselektrode zur motorischen Faserbahn. Die Korrelation mit den postoperativen Nebenwirkungsschwellen ergab einen signifikanten Zusammenhang.
Schlussfolgerung: Die intraoperativen Nebenwirkungsschwellen konnten durch MEP in dieser Studie nicht vorhergesagt werden. Jedoch kann die Traktographie die Makrostimulation ergänzen. Außerdem sollten die intraoperativ gemessenen Nebenwirkungsschwellen mit Vorsicht betrachtet werden, da diese zu einer Überschätzung des therapeutischen Fensters beitragen können.
Aufgrund wachsender Evidenz zu guten Langzeitergebnissen und geringen Komplikationsraten gewinnt die Prostataarterienembolisation (PAE) in der Therapie des Benignen Prostatasyndroms an Bedeutung. Durch ihren hohen technischen Anspruch bedarf es im Vorfeld einer umfassenden Untersuchung der Beckengefäßanatomie. Das Vorliegen eines zum Teil jungen Patientenkollektivs rückt zudem das Einsparen von Strahlung in den Fokus. In diesem Rahmen gewinnt die Magnet-Resonanz-Angiografie (MRA) an Aufmerksamkeit. Obwohl bereits erste Studien Erfolg versprechen, wird die MRA zur PAE-Planung zum Teil kritisch betrachtet, da sie aufwändiger und in der Auflösung unterlegen sei. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Vorteile die MRA im Zuge der PAE-Planung bietet und ob die klinische Effektivität der PAE unbeeinträchtigt bleibt. Weiterhin wurde untersucht, ob eine erfolgreiche MRA-geführte Planung die benötigte Strahlendosis reduziert.
In diese retrospektive Analyse wurden 56 Patienten, die zwischen Januar 2017 und April 2018 im Frankfurter Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie eine PAE erhielten und bei denen ein vollständiger, die Interventionszeit und Strahlungsparameter umfassender Datensatz sowie eine MRA vor der PAE vorlagen, eingeschlossen. Zusätzlich wurden mittels International Prostate Symptom Score (IPSS), Quality of Life (QoL) und International Index of Erectile Function (IIEF) klinische Daten vor und nach der PAE erhoben. In der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT) vor der PAE wurden das Prostatavolumen, die Intravesical Prostatic Protrusion (IPP) und der Prostatic Urethral Angle (PUA) untersucht. Zur Analyse der Prostataarterie wurden Maximum Intensity Projection (MIP) und ein dreidimensionales Modell verwendet. Um die Auswirkungen einer erfolgreichen Urspungsanalyse auf Interventionszeit und Strahlungsparameter zu untersuchen, wurden diese Faktoren zwischen zwei Gruppen verglichen. In der ersten Gruppe konnte die Prostataarterie mittels MRA ermittelt werden, in der zweiten Gruppe war dies v.a. aufgrund von technischen Mängeln der Bildakquisition nicht möglich.
Der Nachweis des Ursprungs gelang bei 84,73% (111 von 131) der Prostataarterien, davon entsprangen 52,25% der A. pudenda interna, 18,92% zusammen mit der A. vesicalis superior, 13,51% seltenen Ursprüngen, 10,81% der A. obturatoria und 4,51% der vorderen Division der A. iliaca interna unterhalb der A. vesicalis inferior. Die Gruppe mit erfolgreicher Ursprungsanalyse mittels MRA zeigte signifikant geringere Werte in Fluoroskopiezeit (-26,96%, p = 0,0282), Dosisflächenprodukt (-38,04%, p = 0,0025) und Eingangsdosis (-37,10%, p = 0,0020). Die PAE bedingte eine signifikante Verbesserung in IPSS (p < 0,0001), Lebensqualität (p < 0,0001) und IIEF (p = 0,0016), dabei konnte der von den Patienten angegebene IPSS-Wert um durchschnittlich 9,42 Punkte (-43,37%) und der QoL-Wert um 2 Punkte (-50,00%) reduziert werden. Das Prostatavolumen (p < 0,0001), IPP (p = 0,0004) und PUA (p < 0,0001) zeigten sich ebenfalls signifikant reduziert. Das Volumen der Prostata schrumpfte um 4,92 ml (-8,35%), die IPP um 1,2 mm (-9,2%) und der PUA um 5,5° (-8,10%). Signifikante Zusammenhänge konnten zwischen IPSS- und QoL-Reduktion (p < 0,0001, r = 0,7555), sowie zwischen Höhe des IPSS vor der PAE und der absoluten IPSS-Reduktion (p = 0,0041, r = -0,4434) nachgewiesen werden.
Die MRA ermöglicht eine strahlungsfreie Analyse des Abgangs der Prostataarterie. Durch diese Auswertung konnte die benötigte Strahlendosis signifikant reduziert werden. Die MRA-geplante PAE erzielte eine deutliche Verbesserung der Symptomatik und der Lebensqualität. Die erektile Funktion konnte signifikant verbessert werden. Prostatavolumen, IPP und PUA zeigten zwar signifikante Veränderungen, wiesen jedoch keinen Zusammenhang zu klinischen Entwicklungen auf. Zwischen dem Ausgangsvolumen der Prostata und dem klinischen Ergebnis konnte ebenfalls keine signifikante Korrelation festgestellt werden, jedoch scheint der Ausgangswert des IPSS eine prädiktive Funktion zu haben.
Die MRA-geplante PAE ist klinisch effektiv und ermöglicht durch die Analyse der Prostataarterie eine Reduktion der benötigten Strahlung. Zusammen mit der MRT unterstützt sie die Indikationsstellung und Planung der PAE.
The blood-brain barrier (BBB) protects the brain microenvironment from external damage. It is formed by endothelial cells (ECs) lining the brain vessels, expressing tight junctions and having reduced transcytosis, resulting in a very low paracellular and transcellular passage of substances, respectively (low permeability). The specific BBB phenotype is maintained by Wnt molecules secreted by astrocytes (ACs) that bind to receptors in ECs, and start a molecular cascade that leads to β-catenin translocating to the nucleus and activating the transcription of BBB genes.
An increasing number of studies report BBB dysfunction in Alzheimer’s disease (AD), although the topic is currently under debate. AD is a neurodegenerative condition characterized by brain depositions of Aβ aggregates and Tau neurofibrillary tangles. The aetiology of AD is unknown, although round 5% of all AD cases have a genetic origin. Mutations in APP or PSEN1/2 can lead to Aβ over-production and accumulation, causing familiar AD. There is no cure for AD, as all clinical trials failed during the past years. Consequently, I studied the role of the BBB in AD, aiming to investigate if a BBB dysfunction occurs in AD, and to identify by transcriptomic analysis novel gene regulations happening at the BBB in AD. The final objective was to evaluate the potential of identified BBB genes as therapeutical target.
I used transgenic mice expressing the human APP mutations Swiss, Dutch and Iowa under the control of the neuronal promoter Thy1 (Thy1-APPSwDI) as AD model. In this AD mouse model, I could detect Aβ deposits and memory loss by immunofluorescence (IF) and behavioural tests. Importantly, I identified an increase of BBB permeability to 3-4 kDa dextrans in 6 months, 9-12 months, and 18 months or older AD mice compared to age-matched control wild types (WT), indicating BBB dysfunction in AD mice.
In order to study the BBB transcriptional changes in AD, I sequenced the RNA from 6 and 18 months old AD and WT mouse brain microvessels (MBMVs), as well as of FACS-sorted ECs, mural cells (MuCs), ACs, and microglia (MG) in collaboration with GenXPro, a company specialized in 3’ RNA sequencing. Currently, no transcriptomic datasets of ECs and MuCs are publicly available, suggesting that this is the first study sequencing those cell types in the context of AD.
The analysis of sequencing data from MBMVs and ECs revealed a Wnt/β-catenin repression, and an increase of inflammatory genes like Ccl3 in ECs, that could explain the BBB dysfunction observed in AD mice. Furthermore, the sequencing data from MuCs identified a set of 11 genes strongly regulated in both 6 and 18 month AD groups. Three of those 11 genes are known to be involved in inflammatory processes, demonstrating that inflammation affects and plays an important role in MuCs and ECs during AD.
Thanks to published sequencing data, some up-regulated MG genes in AD are well known and recognized, such as Trem2 and Apoe. Those genes were found in the FACS-sorted MG data as well, validating the AD model and with it, the other novel sequenced datasets. Importantly, one of the most strongly AD-regulated genes in MBMV and MG samples was Dkk2, a member of the Dickkopf family of secreted proteins known to be involved in Wnt signalling modulation. Importantly, a dual luciferase reporter assay proved that Dkk2 is a Wnt inhibitor. A preliminary immunohistochemistry examination of DKK2 in human brain autopsy tissue from an AD patient and age-matched control revealed a stronger DKK2 immunoreactivity in the AD brain.
In order to answer the question whether a rescue of BBB function would ameliorate AD symptoms, I made use of a tamoxifen-inducible transgenic mouse line to activate the Wnt/β-catenin pathway specifically in ECs, leading to a gain of function (GOF) condition (Cdh5-CreERT2+/–/Ctnnb1(Ex3)fl/fl). This mouse line was then crossed with the AD line, creating AD/GOF and AD/control groups.
AD/GOF mice performed better in a Y-Maze memory test than AD/controls when the Wnt/β-catenin pathway was induced before AD onset, indicating a protective effect. Moreover, the finding implies that shielding BBB functioning in AD further protects the brain from AD toxic effects, suggesting an important role of brain vasculature in AD and its potential as therapeutic target.
Synaptic plasticity is the activity dependent alteration of the composition, form and strength of synapses and believed to be the underlying mechanism of learning and memory formation. While initial changes in synaptic transmission are caused by second messenger signaling pathways and rapid modifications in the cytoskeleton, to achieve stable and persistent changes at individual synapses, the expression of new mRNAs and proteins is required. The central dogma postulated that the cell body is the only source of newly synthesized proteins. For neurons, with their unique morphology, this meant that proteins would need be transported long distances, often hundreds of microns, to reach their destined locations in dendrites and at spines. To overcome this limitation, neurons have developed a strategy to regulate protein synthesis locally by distributing thousands of mRNAs into neuronal processes and use them for local protein synthesis. Ample research has demonstrated the importance of local protein synthesis to many forms of long-term synaptic plasticity. One potential regulator of mRNA localization and local translation in neurons are non-coding RNAs. Intensive work over the past decades has highlighted the importance of non-coding RNAs in many aspects of brain function. The aim of this thesis is to obtain a better understanding of the role of non-coding RNAs in synaptic function and plasticity in the murine hippocampus. For this, we focused our studies on two classes of non-coding RNAs.
In the first part of my thesis, I describe our efforts on characterizing circular RNAs, a novel and peculiar family of non-coding RNAs, in the murine hippocampus by combining high throughput RNA-Sequencing with fluorescence in situ hybridization. Furthermore, we investigated the mechanisms of circular RNA biogenesis in hippocampal neurons by temporarily inhibiting spliceosome activity and analyzing the differentially regulated circular RNAs.
Kognitive Beeinträchtigungen (KB) sind ein häufiges Symptom bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS). Diese führen im Alltags- und Berufsleben oft zu Einschränkungen. In der Standarddiagnostik der Multiplen Sklerose fehlt es aktuell an validierten, zeitsparenden, kostengünstigen sowie sprach- und bildungsunabhängigen Screening-Verfahren von KB. Ziel des Screenings ist es zu diskriminieren, welche Patienten einer ausführlichen neuropsychologischen Diagnostik unterzogen werden sollten. Als mögliche neue Screening-Verfahren wurden erstens die Sound-induced Flash Illusion (SiFI) als Paradigma multisensorischer Integration und zweitens das visuelle Suchverhalten anhand von Bildern natürlicher Umgebungen mit Hilfe der Technik des Eyetrackings (ET) verwendet.
Mittels SiFI wurden 39 Patienten mit schubförmiger (relapsing-remitting) MS (RRMS) und 16 primär- bzw. sekundär-progrediente (progressive) MS-Patienten (PMS) versus 40 gesunde Kontrollen (healthy controls, HC) auf eine verlängerte Perzeption der Illusion getestet. Im ET Versuch wurden 36 RRMS- und 12 PMS-Patienten versus 39 HC auf abweichende Fixationszeiten und Genauigkeiten untersucht. Um Zusammenhänge zwischen den Testleistungen der SiFI bzw. des ET und kognitiven Beeinträchtigungen herstellen zu können, wurde eine ausführliche neuropsychologische Testung durchgeführt.
Insgesamt nahmen MS-Patienten die Illusion der SiFI häufiger wahr als HC. Insbesondere PMS-Patienten erfuhren die Illusion bei großen Interstimulus-Intervallen signifikant öfter als HC. Zusätzlich ist bei MS-Patienten eine erhöhte Prädisposition, die Illusion der SiFI wahrzunehmen mit einem unterdurchschnittlichen Abschneiden in der neuropsychologischen Testung assoziiert. Des Weiteren ist die SiFI sprach- und bildungsunabhängig, kostengünstig und unterliegt bei Mehrfachtestung keiner Lerneffekte.
Beim ET zeigten MS-Patienten im Vergleich zu HC signifikant veränderte Fixationszeiten und reduzierte Genauigkeiten bei der Betrachtung von Bildern natürlicher Umgebungen. Beeinträchtigtes visuelles Suchverhalten war ein Prädiktor für eine verlangsamte Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit in der neuropsychologischen Testung. Zudem konnte anhand der ET-Daten zwischen RRMS- und PMS-Patienten diskriminiert werden.
Zusammenfassend bestätigte die Studie, dass durch die SiFI erfasste multisensorische Integration und durch ET analysiertes visuelles Suchverhalten geeignet sind, um KB bei MS-Patienten zu screenen. Insbesondere lieferte die Testleistung der SiFI einen robusten Bezug zum Abschneiden in der neuropsychologischen Testung. Gleichzeitig war durch die Analyse von visuellem Suchverhalten eine Vorhersage über den Krankheitsprogress möglich. Diese Forschungsergebnisse liefern Evidenz, um beide Methoden nach ergänzender Forschungsarbeit potentiell in den klinischen Alltag integrieren zu können. Eine frühe Detektion von KB bei MS-Patienten ist von hoher Relevanz, um lange eine hohe Lebensqualität zu gewährleisten. Daher können Erkenntnisse dieser Studie genutzt werden, um den Krankheitsverlauf langfristig positiv zu beeinflussen.
Die Forschung beschrieben in dieser Dissertation ist ein Teil der "European Research and Innovation Programme - PEARRL", und wurde von Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions der Europäischen Union, unter Förderungsnummer 674909 unterstützt.
In den letzten Jahren, wurde Senkung der Intensität der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung beobachtet, da die Weiterentwicklung der Wirkstoffmolekülen hinzu einer "handlichen" Formulierung viele Schwierigkeiten aufweist. Meiste der neuen Wirkstoffkandidaten, die sich in Entwicklung befinden, haben suboptimale Eigenschaften in Bezug zur Löslichkeit und Auflösung und zeigen schlechte Bioverfügbarkeit, wenn eingenommen. Deswegen verlangen meiste neue Wirkstoffkandidate einen besonderen Ansatz in Bezug auf Formulierung, um akzeptable orale Bioverfügbarkeit zu erreichen. Diese neue Formulierungen werden meistens als “bio-enabling” Formulierungen bezeichnet und werden in Heilmittelentwicklung immer häufiger verwendet.
Hauptziel dieser Dissertation ist zu erforschen ob, durch Verbinden von biorelevanten in vitro Werkzeugen mit in silico Modeling und Simulationen, die in vitro Löslichkeit und Auflösung von bio-enabling Formulierungen mechanistisch erkläert und besser verstanden werden kann und somit eine erfolgreiche Simulation von in vivo Leistung erreicht werden kann.
Als Erstes wurden die physiologische Parameter, die die pharmakokinetik oraler Formulierungen beeinflüssen, identifiziert, indem die Auswirkung der Wirkstoffe, die zur Behandlung Magen-Darm-Krankheiten genutzt werden, sowie deren Pharmakokinetik, beurteilt wurde. Unter anderem wurde pH als einer der entscheinenden phyisiologischen Parameter erkannt, da es die Pharmakokinetik peroral verabreichter Stoffe signifikant beeinflüssen kann.
Als zweiter Schritt, mit besonderer Beachtung auf die Verwendung der biorelevanten in vitro Werkzeugen für die Erforschung der in vivo Auflösungsprozesse von bio-enabling Formulierungen, Fokus auf die biorelevante Medien und in vitro Apparaturen, die mögliche Prezipitationskinetik einschätzen können, wurde gesetzt. Biorelevante Medien sind wässrige Flüssigkeiten, die die Zusammensetzung der gastrointestinaler Flüssigkeiten nachmachen und für die Auflösungsuntersuchungen genutzt werden. Bis heute beinhalten die Aspirationsstudien die wichtigsten Hinweise und Informationen für den Design biorelevanter Medien. Es wurde beobachtet, dass die berichteten Werte mancher phyisiologisher Parameter erhebliche Unterschiede zwischen den Aspirationsstudien zeigen. Deswegen wurde untersucht, ob die Ergebnisse durch die Auswahl an Methodologie, die für die Entnahme und die Auswertung der Proben genutzt worden sind, beeinflusst werden können, wobei besondere Aufmerksamkeit den pH und der Pufferkapazität geschenkt wurde. Es wurde gezeigt, dass Unterschiede im Prozess der Probenhandhabung, z.B. Zentrifugieren und Lagerung einen deutlichen Einfluss auf die gemessenen Werte haben kann. Ausserdem, wurden in dieser Arbeit die in vitro Setups, die bisher in der Literatur zur Beurteilung der Übersättigung u.o. Ausfällung von Arzneimitteln im oberen Magen-Darm-Trakt vorgeschlagen wurden, überprüft und ihre Nützlichkeit und aktuelle Anwendung bewertet.
Nach Behebung der oben genannten Probleme, wurden zwei Fallbeispielformulierungen ausgewählt, um die Haupthypothese zu untersuchen. Die erste Formulierung ist auf den Markt unter dem Namen EMEND® und enthält den Wirkstoff in Nanoform. Die zweite Formulierung wird als INTELENCE® vermarktet und ist eine amorphe feste Dispersion des Wirkstoffs Etravirin. Durch die Wahl zwei unterschiedlicher Formulierungsansätzen konnten unterschiedliche Fallszenarien untersucht werden, wodurch umfassendere Vorschläge für die Bewältigung der Herausforderungen bei in vitro Experimenten und in silico Modelling mit bio-enabling Formulierungen möglich waren.
Bezogen auf den in dieser Dissertation beschriebenen Ansatz, ein mechanistisches Verständnis des in vivo Absorptionsprozesses, sowie eine erfolgreiche Simulation der nach der Verabreichung resultierenden Plasmaprofile einer bio-enabling-Formulierung der Nanoskala- und einer amorphen festen Dispersion wurde erreicht. Darüber hinaus wurden mögliche Wege vorgeschlagen, um einige Herausforderungen im Hinblick auf die Entwicklung von PBPK-Modellen für biofähige Formulierungen anzugehen. Diese Arbeit zeigt die mögliche Anwendung und Bedeutung der Absorptionsmodellierung für die rationale Formulierungsentwicklung und für die Stärkung des Wissens über Bio-Heilmittel in Bezug auf bio-enabling Formulierungen. Mithilfe dieses Ansatzes können die wesentlichen Parameter identifiziert werden, die das pharmakokinetische Verhalten schwerlöslicher Wirkstoffe beeinflussen, die als bio-enabling Formulierungen formuliert sind, und ermöglichen wiederum eine robuste Vorhersage der klinischen Ergebnisse.
Fokus meiner Doktorarbeit ist die Anwendung und Entwicklung NMR-spektroskopischer Methoden zur Charakterisierung zeitabhängiger Strukturänderungen von Biomolekülen – von lokalen dynamischen Veränderungen bis zur vollständigen Rückfaltung von Proteinen – und fasst die Ergebnisse meiner drei wichtigsten PhD-Projekte zusammen.
In meinem ersten Projekt habe ich die Leistung eines Temperatursprung-Probenkopfs – mit dem Proben mit hoher Salzkonzentration schnell erwärmt werden können – mithilfe einer Hochfrequenzspule technisch optimiert. Die optimierten Radiofrequenz-Bestrahlungsparameter, Lösungsmittel-bedingungen und der reduzierte Arbeitszyklus führten zu einem Temperatursprung von 20 °C in 400 ms. Ich habe eine Cystein-freie Mutante von Barstar hergestellt, die nach Zugabe von Harnstoff bei 0 °C kalt denaturiert werden kann, während sie ihren gefalteten Zustand bei 30 °C hält. Dadurch wurde auch ermöglicht, dass der Rückfaltungsprozess hunderte Male ohne Abbau oder Aggregation wiederholt werden kann. Die Kombination von reversibler Rückfaltung und rascher Temperaturänderung des kalt denaturierten Barstars ermöglichte die Entwicklung eines neuen kinetischen Experiments, bei dem der Rückfaltungsprozess von Barstar mit einem zweidimensionalen Echtzeit-NMR in hoher Zeitauflösung untersucht wird. Die vollständige Rückgratresonanzzuweisung wurde sowohl für den gefalteten als auch für den kalt denaturierten Zustand von Barstar durchgeführt und ergab, dass in der denaturierten Form beide Prolin-Reste einen gemischten Konformationszustand aufweisen. Dabei befindet sich die Tyr47-Pro48-Amidbindung im ungefalteten Zustand hauptsächlich in trans-, während im gefalteten Zustand in der seltenen cis-Konformation. Das neue hochauflösende kinetische Experiment zeigte, dass die Rückfaltung von Barstar durch die trans-cis-Isomerisierung der Tyr47-Pro48-Amidbindung verlangsamt wird, was sowohl die Sekundärstruktur als auch die Bildung der Tertiärstruktur beeinflusst. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte ich einen plausiblen Faltungsmechanismus für den langsamen Faltungsweg von kalt denaturiertem Barstar skizzieren. Durch Änderung der Zeitparameter des Heizungszyklus wurde erreicht, dass die Tyr47-Pro48-Amidbindung im ungefalteten Zustand in der cis-Konformation bleibt und daher der schnelle Faltungsweg dominant wird. Das Starten des Magnetisierungstransfers vor der Temperaturänderung ermöglichte die Aufzeichnung eines Spektrums, das den entfalteten Zustand mit dem gefalteten Zustand korreliert. Dieses Spektrum ermöglichte quantitative Analysen des schnellen Faltungsweges und lieferte sogar indirekte Hinweise auf einen Zwischenzustand. Diese Methode aus Kombination von schnellem Temperatursprung und Kaltdenaturierung zeigt ein hohes Potenzial, Proteinfaltung auf atomarer Ebene experimentell zu untersuchen und ein tieferes Verständnis verschiedener Faltungswege zu erlangen.
In meinem zweiten Projekt – das Teil einer interdisziplinären Forschung war – konzentrierte ich mich auf die NMR-spektroskopische Charakterisierung von Nukleinsäuren, die mit einer photolabilen Schutzgruppe modifiziert wurden. Zuerst wurde mithilfe homonuklearer Korrelationsexperimente eine vollständige Protonresonanzzuweisung erreicht. Danach wurde die relative Konfiguration der photolabilen Schutzgruppen bestimmt basierend auf einer dreidimensionalen Modellstruktur und spezifischer NOE-Korrelationen. Des Weiteren wurde ein Strukturmodell unter Verwendung von NOE-Einschränkungen berechnet. Dieses Strukturmodell zeigte eine eingeschränkte Rotation um die CN-Bindung zwischen dem Käfig und der Nukleobase. Das Modell zeigte auch, dass der Käfig in der Hauptrille positioniert ist und nicht in das Lösungsmittel herausklappt. Im Vergleich zu einem zuvor charakterisierten NPE-Käfig führte die erhöhte Größe zu einer weiteren Senkung des Schmelzpunkts, zeigte jedoch einen geringeren Schmelzpunktunterschied zwischen der S- und der R-Konfiguration des Käfigs, wobei die S-Konfiguration zu einer größeren Reduktion des Schmelzpunktes führt. Dieser Trend wurde weiter untersucht und durch ein Screening unterstützt. Durch selektive Wasserinversions-Rückgewinnungsexperimente konnte ich auch zeigen, dass der Käfig die lokale Stabilität nur bis zu einer Entfernung von zwei benachbarten Basenpaaren von der Modifikationsstelle verringert. Die NOE-Daten dienten auch als guter Bezugspunkt, um die Qualität molekulardynamischer Simulationen zu testen, mit denen zusätzliche Käfigdesigns untersucht wurden. Die Kombination aus Synthese, NMR-Spektroskopie und MD-Simulationen ermöglichte bis jetzt die detaillierteste Untersuchung des Effekts vom Einbau eines einzelnen Käfigs zur Destabilisierung der DNA-Sekundärstruktur. Dabei wurden Einschränkungen des möglichen Designs aufgedeckt, aber auch die Entwicklung einer neuen, effizienteren Struktur ermöglicht.
Mein drittes Projekt konzentrierte sich auf die Charakterisierung eines RNA-Modellsystems. NMR-spektroskopische Daten von kleinen RNA-Modellsystemen – wie NOE, skalare Kopplungen, kreuzkorrelierte Relaxationsraten und RDC – sind eine unschätzbare Referenz für MD-Simulationen, obwohl die Menge der verfügbaren Literaturdaten – bis jetzt – sehr begrenzt ist. ...
Hintergrund: Den derzeitigen Therapiestandard in der Behandlung des lokal begrenzten Prostatakarzinoms stellen die radikale Prostatektomie und perkutane Radiotherapie dar. Aufgrund der besonderen Strahlenbiologie des PCa (α-/β-Wert 1,5 Gy) ist von einer höheren Sensitivität gegenüber einer Hypofraktionierung auszugehen. Die aktuellen Literaturdaten zeigen eine Nichtunterlegenheit der moderaten Hypofraktionierung gegenüber dem konventionellen Regime, jedoch sind Langzeitergebnisse hinsichtlich der Spättoxizität noch spärlich. In dieser Arbeit werden onkologische Ergebnisse sowie GI-/ und GU-Toxizität nach moderat hypofraktionierter, intensitätsmodulierter (IMRT/VMAT) und bildgeführter (IGRT) Radiotherapie mit simultan integriertem Boost (SIB) in einem universitären Tumorzentrum untersucht.
Patienten und Methoden: In den Jahren 2010 bis 2016 wurden an der Uniklinik Frankfurt 170 Patienten mit histologisch gesichertem lokal begrenzten bis fortgeschrittenen PCa (T1-4, N0-1, M0) mittels moderat hypofraktionierter EBRT in IG-IMRT- bzw. IG-VMAT- und SIB-Technik behandelt. Alle Patienten wurden nach D’Amico-Klassifikation stratifiziert und risikoadaptiert therapiert. Die GI- und GU-Toxizität wurde gemäß CTC v4.0 wöchentlich unter der Therapie und während der Nachbeobachtungszeit erfasst. Ein biochemisches Rezidiv wurde definiert als PSA-Nadir + 2 ng/ml. Die Nachbeobachtung erfolgte 6-8 Wochen, 2-3 Monate und 6 Monate nach Radiotherapie sowie anschließend mindestens einmal jährlich. Die Datenauswertung erfolgte retrospektiv. Für die statistischen Analysen wurden die Software-Programme Excel und SPSS verwendet. Die Kaplan-Meier-Überlebensanalysen wurden mittels Log-Rank-Test verglichen und bei signifikanten Unterschieden in eine Cox-Regression-Analyse aufgenommen. Ein möglicher Zusammenhang zwischen dosimetrischen/klinischen Parametern und GI-/GU-Toxizität wurde mittels Chi-Quadrat-Test nach Pearson geprüft. Für alle durchgeführten Analysen galt ein p-Wert von <0,05 als statistisch signifikant. Ergebnisse: Patienten der low-risk- (n = 15) sowie intermediate- und high-risk-Gruppe mit Z.n. TURP (n= 14) erhielten eine GRD von 73,6 Gy für das PTV1 bzw. 58,24 Gy (PTV2) mit einer Einzeldosis von 2,3 Gy (SIB) bzw. 1,82 Gy in 32 Fraktionen. Patienten der intermediate- (n = 70) und high-risk- (n = 71) Gruppe erhielten eine GRD von 75,9 Gy (PTV1) bzw. 60,06 Gy (PTV2) mit einer Einzeldosis von 2,3 Gy (SIB) bzw. 1,82 Gy in 33 Fraktionen. Eine zusätzliche Bestrahlung des LAG (PTV3) mit einer GRD von 46,0 Gy und 1,84 Gy Einzeldosis in 25 Fraktionen erhielten alle Patienten mit radiologischer cN1-Situation bzw. im Falle eines LK-Befallsrisikos von >20% nach Roach-Formel (n = 86). Eine (neo-) adjuvante AHT erhielten insg. 98 Patienten. Die mediane Nachbeobachtungszeit betrug 36 Monate (Range: 5-84 Monate). Die 24-, 36-, und 60-Monate-ÜLR lagen in der IR-Gruppe bei 98,4%, 96,1% bzw. 89,7% (OS), 98,6% bzw. 94,9% (BC), 97% bzw. 84,5% (DFS) und 98,6% (FFM), in der HR-Gruppe bei 93,1% bzw. 88,8% (OS), 89%, 84,7% bzw. 75,3% (BC), 82,5%, 74,2% bzw. 65,9% (DFS) und 98%, 95,7% bzw. 84,8% (FFM). Weder für die AHT noch die RT des LAG konnte eine Verbesserung des OS, DFS, FFM sowie der BC gezeigt werden. Eine Akuttoxizität Grad 2 trat bei 6,5% (GI) bzw. 16,5% (GU) und Grad 3 bei 0,6% (GI) bzw. 0% (GU) auf. Eine Spättoxizität Grad 2 trat bei 2,9% (GI) bzw. 12,4% (GU) und Grad 3 bei 0,6% (GI) bzw. 1,2% (GU) auf.
Schlussfolgerung: Mit Implementierung der moderat hypofraktionierten EBRT nach o.g. Schema (73,6 Gy (79,9 Gy nach EQD2 (αβ 1,5)) bzw. 75,9 Gy (82,4 Gy nach EQD2 (αβ 1,5)) konnten im Rahmen dieser retrospektiven Kohortenstudie sehr gute Ergebnisse für intermediate- und high risk-Patienten des lokal begrenzten bis fortgeschrittenen PCa hinsichtlich der onkologischen Endpunkte sowie der GI-/GU-Toxizität, vergleichbar mit den besten Ergebnissen aktueller Publikationen, erzielt werden. Diese Ergebnisse bekräftigen die zunehmende Anwendung dieser Bestrahlungstechnik. Die Kohorte sollte zur Validierung der Ergebnisse weiter expandiert und mit einer längeren Nachbeobachtungszeit erneut ausgewertet werden.
Muskelskeletterkrankungen (MSE) sind die Hauptursache für Arbeitsunfähigkeit bei Büroangestellten in Deutschland. Die Produktionsausfallkosten für MSE beliefen sich im Jahre 2017 auf 17,2 Milliarden Euro. Neben haltungsbezogenen Risikofaktoren wie die statische Körperhaltung am Büroarbeitsplatz, konnten zunehmend psychische Stressoren wie Termin- und Leistungsdruck als Risikofaktoren identifiziert werden. Arbeitgeber versuchen mittels verhaltens- und verhältnispräventiven Maßnahmen im Rahmen der (BGF) am Arbeitsplatz zur Prävention beizutragen. Insbesondere Bewegungsprogramme führen nachweislich zu einer Verringerung von MSE und Stress sowie zu einer Verbesserung der Lebensqualität. Vielversprechend sind untere andrem auch Dehninterventionen wie die wenigen bislang veröffentlichten Studien zeigen. Das „five-Business“ Dehnprogramm, dass an einem Gerät durchgeführt wird, wurde speziell für die Anwendung im Büro konzipiert und beinhaltet fünf einfache Übungen für den Rumpf. Ziel dieser Studie war es daher, die Auswirkungen des "five-Business" Trainingsprogramms für Büroangestellte auf MSE, die Lebensqualität und die Beweglichkeit zu untersuchen.
Im Rahmen der hier vorgestellten Promotionsarbeit wurde zunächst eine konkrete Methode entwickelt (Publikation 1) und anschließend der Effekt dieses Dehntrainings auf die Lebensqualität untersucht (Publikation 2). Insgesamt nahmen 313 Büroangestellte (173m/137f) mit einem Durchschnittsalter von 43,37 ± 11,24 (SD) Jahren, einer Körpergröße von 175,37 ± 9,35 cm und einem Gewicht von 75,76 ± 15,23 kg sowie einem durchschnittlichen BMI von 24,5 ± 3,81 kg/m2 freiwillig an dieser Interventionskontrollstudie teil. Die 158 Teilnehmenden der Interventionsgruppe absolvierten das Dehntraining zweimal wöchentlich für etwa zehn Minuten über eine Dauer von 12 Wochen. Die Kontrollgruppe hingegen sollte ihrem gewöhnlichen Alltag weiter nachgehen. Der Short-Form-36 Fragebogen (SF-36) wurde verwendet, um die Effekte der Intervention zu Beginn und nach 12 Wochen auf die gesundheitsbezogene Lebensqualität zu evaluieren. Nach 12 Wochen Dehntraining traten signifikante Verbesserungen in den Bereichen mentaler Summenscore (p=0,008), körperliche Funktionsfähigkeit (p<0,001), körperliche Schmerzen (p=0,01), Vitalität (p=0,025), Rolleneinschränkungen aufgrund körperlicher Probleme (p=0,018) und psychische Gesundheit (p=0,012) auf. Die Ergebnisse zeigen, dass das Dehntraining nicht nur physische Gesundheitsparameter beeinflusst, sondern ebenfalls positive Effekte bei psychischen Gesundheitsparametern hervorruft. Das Dehntraining ermöglicht demnach sowohl auf physischer als auch auf psychischer Ebene eine Entspannung. Daher deuten die Ergebnisse insgesamt darauf hin, dass ein 12-wöchiges Dehnprogramm geeignet ist, die gesundheitsbezogene Lebensqualität von Büroangestellten zu verbessern. Es kann geschlussfolgert werden, dass ein solches Dehnprogramm als präventive und rehabilitative Maßnahme in der betrieblichen Gesundheitsförderung geeignet sein kann, um aktuelle Herausforderungen des zunehmenden Wettbewerbs und steigenden Produktivitätsanforderungen am Arbeitsplatz entgegenzuwirken.