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Background: Abnormalities of heart rate (HR) and its variability are characteristic of major depressive disorder (MDD). However, circadian rhythm is rarely taken into account when statistically exploring state or trait markers for depression. Methods: A 4-day electrocardiogram was recorded for 16 treatment-resistant patients with MDD and 16 age- and sex-matched controls before, and for the patient group only, after a single treatment with the rapid-acting antidepressant ketamine or placebo (clinical trial registration available on https://www.clinicaltrialsregister.eu/ with EUDRACT number 2016-001715-21). Circadian rhythm differences of HR and the root mean square of successive differences (RMSSD) were compared between groups and were explored for classification purposes. Baseline HR/RMSSD were tested as predictors for treatment response, and physiological measures were assessed as state markers. Results: Patients showed higher HR and lower RMSSD alongside marked reductions in HR amplitude and RMSSD variation throughout the day. Excellent classification accuracy was achieved using HR during the night, particularly between 2 and 3 a.m. (90.6%). A positive association between baseline HR and treatment response (r = 0.55, p = 0.046) pointed toward better treatment outcome in patients with higher HR. Heart rate also decreased significantly following treatment but was not associated with improved mood after a single infusion of ketamine. Limitations: Our study had a limited sample size, and patients were treated with concomitant antidepressant medication. Conclusion: Patients with depression show a markedly reduced amplitude for HR and dysregulated RMSSD fluctuation. Higher HR and lower RMSSD in depression remain intact throughout a 24-h day, with the highest classification accuracy during the night. Baseline HR levels show potential for treatment response prediction but did not show potential as state markers in this study.
Circadian oscillations in circulating leukocyte subsets including immature hematopoietic cells have been appreciated; the origin and nature of these alterations remain elusive. Our analysis of wild-type C57BL/6 mice under constant darkness confirmed circadian fluctuations of circulating leukocytes and clonogenic cells in blood and spleen but not bone marrow. Clock gene deficient Bmal1-/- mice lacked this regulation. Cell cycle analyses in the different hematopoietic compartments excluded circadian changes in total cell numbers, rather favoring shifting hematopoietic cell redistribution as the underlying mechanism. Transplant chimeras demonstrate that circadian rhythms within the stroma mediate the oscillations independently of hematopoietic-intrinsic cues. We provide evidence of circadian CXCL12 regulation via clock genes in vitro and were able to confirm CXCL12 oscillation in bone marrow and blood in vivo. Our studies further implicate cortisol as the conveyor of circadian input to bone marrow stroma and mediator of the circadian leukocyte oscillation. In summary, we establish hematopoietic-extrinsic cues as causal for circadian redistribution of circulating mature/immature blood cells.
Ziel dieser Arbeit war, die Reaktion von biologischen Gewebeproben auf dünn- und dicht-ionisierende Strahlung zu evaluieren. Dafür wurden die Gewebeproben konventioneller Röntgenstrahlung sowie einem ausgedehnten 12C-Ionen Bragg-Peak ausgesetzt. Zur Bestrahlung der biologischen Proben mit 12C wurde mit dem GSI-eigenen Simulationsprogramm TRiP98 ein Tiefendosisprofil eines ausgedehnten Bragg-peaks erstellt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war, dieses Tiefendosisprofil mit drei anderen Simulationsprogrammen (ATIMA, MCHIT, TRIM) zu reproduzieren und zu vergleichen.
ATIMA und TRIM sind allgemeine Programme für den Energieverlust von Ionen in Materie. Sie können das von TRiP98 berechnetet Tiefendosisprofil nur ungenügend reproduzieren, da sie aufgrund fehlender Fragmentierung ein linear ansteigendes Tiefendosisprofil berechnen. Das Monte Carlo-Programm MCHIT, welches speziell für die Wechselwirkung von Ionen mit Materie in medizinischer Anwendung entwickelt wurde, zeigt die beste Übereinstimmung mit der TRiP98-Referenzkurve. Bis auf eine leicht höhere Durchschnittsdosis um 0.1 Gy konnte das Tiefendosisprofil nahezu exakt reproduziert werden.
Die biologischen Proben bestanden aus Schnittkulturen gesunder Maus-Lebern und Explantatkulturen gesunder Maus-Pankreata, um Nebenwirkungen ionisierender Strahlen abzuschätzen. Zusätzlich wurde die Reaktion auf 12C-Bestrahlung in neoplastischem Lebergewebe transgener c-myc/TGF-α Mäuse mit induzierbarem Lebertumor bestimmt. Um eine mögliche Tageszeitabhängigkeit der Gewebereaktion auf die Bestrahlung zu untersuchen, wurden die Schnitt- und Explantatkulturen zu zwei unterschiedlichen Tageszeiten präpariert: zur Mitte des subjektiven Tages und zur Mitte der subjektiven Nacht.
Die Präparate wurden für mehrere Tage auf einer Membran an einer Grenzschicht von Flüssigkeit und Luft kultiviert. Leber- und Pankreaskulturen gesunder C3H wildtyp Mäuse wurden mit einer Dosis von 2 Gy, 5 Gy oder 10 Gy Röntgenstrahlen bestrahlt. Leber- und Pankreaskulturen transgener Mäuse wurden mit ausgedehnten C-Ionen Bragg Peaks gleicher Dosen bestrahlt. Als Kontrolle dienten unbestrahlte Proben. Alle Proben wurden 1 h bzw. 24 h nach der Bestrahlung fixiert und immunhistochemisch auf Marker für Proliferation (Ki67), Apoptose (Caspase3) und DNA- Doppelstrangbrüche (γH2AX) untersucht.
Während die Pankreas-Präparate im Hinblick auf die untersuchten Parameter leider keine auswertbaren Ergebnisse ergaben, zeigten die untersuchten Parameter im gesunden Lebergewebe deutliche Tag-Nacht Unterschiede: die Proliferationsrate war zur Mitte des subjektiven Tages signifikant höher als zur Mitte der subjektiven Nacht. Umgekehrt waren die Raten für DNA-Doppelstrangbrüche zur Mitte der subjektiven Nacht signifikant erhöht. Diese Tag-Nacht Unterschiede ließen sich in neoplastischem Lebergewebe nicht nachweisen. Unabhängig von der Art und Dosis, hatte die Bestrahlung im gesunden Lebergewebe keinen Einfluss auf die untersuchten Parameter. In neoplastischem Lebergewebe hingegen wird die Rate an DNA-Doppelstrangbrüchen durch eine Bestrahlung dosisabhängig erhöht.
Die Auswirkungen ionisierender Strahlen auf das circadiane Uhrwerk wurden in Gewebeproben transgener Per2luc-Mäuse überprüft. Per2luc-Mäuse exprimieren das Enzym Luziferase unter der Kontrolle des Promoters von Per2, einem wichtigen Bestandteil des circadianen Uhrwerks. Daher erlaubt die Analyse dieser Tiere, den circadianen Rhythmus des molekularen Uhrwerks in Leber und anderen Geweben durch Messung der Luziferase-Aktivität in Echtzeit aufzuzeichnen. Wie in Leber- und Nebennierenkulturen dieser Tiere gezeigt werden konnte, führten ioniserende Strahlen dosisabhängig zu einem Phasenvorsprung des circadianen Uhrwerks.
Die Ergebnisse erlauben die Schlussfolgerung, dass ionisierende Strahlen das circadiane Uhrwerk verstellen, Proliferation und Apoptose in gesundem Lebergewebe jedoch kaum beeinflussen.