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The phenomenon of magnetism has been known to humankind for at least over 2500 years and many useful applications of magnetism have been developed since then, starting from the compass to modern information storage and processing devices. While technological applications are an important part of the continuing interest in magnetic materials, their fundamental properties are still being studied, leading to new physical insights at the forefront of physics. The magnetism of magnetic materials is a pure quantum effect due to the electrons that carry an intrinsic spin of 1/2. The physics of interacting quantum spins in magnetic insulators is the main subject of this thesis.We focus here on a theoretical description of the antiferromagnetic insulator Cs2CuCl4. This material is highly interesting because it is a nearly ideal realization of the two-dimensional antiferromagnetic spin-1/2 Heisenberg model on an anisotropic triangular lattice, where the Cu(2+) ions carry a spin of 1/2 and the spins interact via exchange couplings. Due to the geometric frustration of the triangular lattice, there exists a spin-liquid phase with fractional excitations (spinons) at finite temperatures in Cs2CuCl4. This spin-liquid phase is characterized by strong short-range spin correlations without long-range order. From an experimental point of view, Cs2CuCl4 is also very interesting because the exchange couplings are relatively weak leading to a saturation field of only B_c=8.5 T. All relevant parts of the phase diagram are therefore experimentally accessible. A recurring theme in this thesis will be the use of bosonic or fermionic representations of the spin operators which each offer in different situations suitable starting points for an approximate treatment of the spin interactions. The methods which we develop in this thesis are not restricted to Cs2CuCl4 but can also be applied to other materials that can be described by the spin-1/2 Heisenberg model on a triangular lattice; one important example is the material class Cs2Cu(Cl{4-x}Br{x}) where chlorine is partially substituted by bromine which changes the strength of the exchange couplings and the degree of frustration.
Our first topic is the finite-temperature spin-liquid phase in Cs2CuCl4. We study this regime by using a Majorana fermion representation of the spin-1/2 operators motivated by theoretical and experimental evidence for fermionic excitations in this spin-liquid phase. Within a mean-field theory for the Majorana fermions, we determine the magnetic field dependence of the critical temperature for the crossover from spin-liquid to paramagnetic behavior and we calculate the specific heat and magnetic susceptibility in zero magnetic field. We find that the Majorana fermions can only propagate in one dimension along the direction of the strongest exchange coupling; this reduction of the effective dimensionality of excitations is known as dimensional reduction.
The second topic is the behavior of ultrasound propagation and attenuation in the spin-liquid phase of Cs2CuCl4, where we consider longitudinal sound waves along the direction of the strongest exchange coupling. Due to the dimensional reduction of the excitations in the spin-liquid phase, we expect that we can describe the ultrasound physics by a one-dimensional Heisenberg model coupled to the lattice degrees of freedom via the exchange-striction mechanism. For this one-dimensional problem we use the Jordan-Wigner transformation to map the spin-1/2 operators to spinless fermions. We treat the fermions within the self-consistent Hartree-Fock approximation and we calculate the change of the sound velocity and attenuation as a function of magnetic field using a perturbative expansion in the spin-phonon couplings. We compare our theoretical results with experimental data from ultrasound experiments, where we find good agreement between theory and experiment.
Our final topic is the behavior of Cs2CuCl4 in high magnetic fields larger than the saturation field B_c=8.5 T. At zero temperature, Cs2CuCl4 is then fully magnetized and the ground state is therefore a ferromagnet where the excitations have an energy gap. The elementary excitations of this ferromagnetic state are spin-flips (magnons) which behave as hard-core bosons. At finite temperatures there will be thermally excited magnons that interact via the hard-core interaction and via additional exchange interactions. We describe the thermodynamic properties of Cs2CuCl4 at finite temperatures and calculate experimentally observable quantities, e.g., magnetic susceptibility and specific heat. Our approach is based on a mapping of the spin-1/2 operators to hard-core bosons, where we treat the hard-core interaction by the self-consistent ladder approximation and the exchange interactions by the self-consistent Hartree-Fock approximation. We find that our theoretical results for the specific heat are in good agreement with the available experimental data.
Ziel:
Vergleich der Veränderung der mütterlichen Einstellung zur Geburt anhand von Hebammen geführten Geburtsvorbereitungskursen oder hypnoreflexogenem Training zur Geburtsvorbereitung.
Methode:
Zu Beginn und nach Beendigung der Kurse wurde die mütterliche Einstellung zur Geburt unter Zuhilfenahme des Osgood-Ertel-Eindrucksdifferenzials gemessen. Der Gießen-Test zur Persönlichkeitsbeurteilung wurde einmalig angewendet.
Ergebnisse:
213 Frauen waren in die Studie eingeschlossen. 155 davon nahmen an, von Hebammen geführten, Geburtsvorbereitungskursen teil. 58 Frauen absolvierten ein hypnoreflexogenes Training. Es waren zu Beginn der Kurse keine statistisch signifikanten Unterschiede feststellbar in Bezug auf die Charakteristiken der Teilnehmerinnen sowie im Gießen-Test und in den Ergebnissen des Osgood-Ertel-Eindrucksdifferenzials. Nach der von Hebammen geführten Geburtsvorbereitung wurde die Geburt negativer wahrgenommen(Freudlosigkeit und Trübung in der Valenz-Dimension [p < 0,05]), während die Geburt nach dem Hypnosetraining emotional positiver bewertet wurde (Freude
und Harmonie in der Valenz-Dimension [p < 0,01] sowie Helligkeit [p < 0,05]).
Zusammenfassung:
Hypnoreflexogenes Selbsthypnosetraining zur Geburtsvorbereitung scheint stärkere und positivere mütterliche emotionale Veränderungen in Bezug auf die
Einstellung zur Geburt auszulösen als konventionelle, von Hebammen geführte Geburtsvorbereitungskurse. Weitere retrospektive randomisierte Studien sind nötig, um diese Ergebnisse zu überprüfen.
Positive Effekte körperliche Aktivität als komplementäre Therapie in der Onkologie wurden in den letzten Jahren in zahlreichen Studien aufgezeigt. Hierbei zeigte sich ein Anstieg der körperlichen Fitness und Muskelmasse, eine Steigerung der Lebensqualität, eine Reduktion des Fatigue-Syndroms, aber auch eine verbesserte Therapieverträglichkeit sowie einer Rezidiv-Prophylaxe (Backman et al., 2014; Meyerhardt et al., 2006; Segal et al., 2001). Daraufhin wurden Empfehlungen für körperliche Aktivität im Rahmen der onkologischen Therapie ausgesprochen, welche 150 Minuten moderate körperliche Aktivität pro Woche umfassen. Diese Empfehlungen basieren auf entitätsunspezifische Studienkollektive mit meist Tumorstadium I und II. Eine Vielzahl an Studien verdeutlichen, dass gerade Patienten in fortgeschrittenen Tumorstadien mit zahlreichen therapie- sowie tumorbedingten Nebenwirkungen zu kämpfen haben und dadurch ein stärkerer Abbau der körperlichen Fitness, der Muskulatur, aber auch der funktionellen Eigenschaften vorzufinden ist. Hierbei stellen Patienten mit fortgeschrittenen gastrointestinalen Tumoren (GIT) ein stark belastetes Kollektiv dar, da 80 Prozent dieser Patienten eine Tumorkachexie erleiden. Zusätzliche wurde in einer Querschnittsuntersuchung aufgezeigt, dass Patienten mit fortgeschrittenen GIT bereits vor Therapiestart einen deutlich verminderten körperlichen und funktionellen Status im Vergleich zu Mammakarzinom-Patientinnen und Gesunden aufweisen (Stuecher et al., 2016). In der vorliegenden randomisiert kontrollierten Untersuchung wurde erstmals ein heimbasiertes Training ohne Supervision zur Steigerung der körperlichen Aktivität bei Patienten mit fortgeschrittenen GIT durchgeführt und dieses mit einer leitliniengetreuen onkologischen Therapie ohne komplementäre Bewegungstherapie verglichen. Dabei wurden der körperliche und funktionelle Status sowie die Aktivitäten des täglichen Lebens verglichen.
Zweiundvierzig Patienten mit fortgeschrittenen GIT (UICC ≥ III, 67,1 ± 6,8 Jahre, 45,2 % weiblich) wurden vor ihrer geplanten first-line Chemotherapie (CT) in die zweiarmige randomisiert kontrollierte Studie eingeschlossen. Eine der Gruppen (I) erhielt, entsprechend der ACSM-Guidelines für onkologische Patienten, die Vorgabe ein wöchentliches Laufprogramm mit einem Umfang von 150 Minuten moderater Intensität pro Woche. Die zweite Gruppe diente als Kontrollgruppe (K) und erhielt am Ende der Studiendauer entsprechende Empfehlungen. Die Interventionsdurchführung wurde mittels Trainingstagebuch und Pedometer begleitet. Vor Beginn (T0), nach zwei CT-zyklen (T1) sowie nach zwölf Wochen (T2) wurde der funktionelle und körperliche Status sowie die Alltagsbewältigung der Patienten erfasst.
Bei einer Dropoutrate von 36 Prozent konnten 28 (K: 15; I; 13) Patienten die Studie komplett durchlaufen. Die mittlere Adhärenzrate lag bei 81,3 Prozent. Im Untersuchungszeitraum konnten die folgenden sign. Veränderungen (p< 0,05) der einzelnen Parameter gezeigt werden. Die posturale Stabilität (COPLänge) konnte sowohl ein Gruppeneffekt, als auch ein Zeiteffekt nachgewiesen werden. Die Interventionsgruppe verbesserte sich im Zeitraum T0-T1 (-71,47mm) sowie im Gesamtzeitraum T0-T2 (-74,13 mm), wohingegen die Kontrollgruppe sich im Gesamtzeitraum T0-T2 (+72,83) verschlechterte. Die Gruppen unterschieden sich daher sowohl in den Zeiträumen T0-T1 ((K)+38,61; (I)-71,47 mm) sowie T0-T2 ((K)+72,83; (I) -74,13mm). Bezüglich des körperlichen Status konnte sich die Interventionsgruppe von T1-T2 (+4,03 kg) sowie von T0-T2 (+4,04 kg) verbessern, sodass sich die Gruppen zwischen den Zeitpunkten T1-T2 ((K) -0,49; (I)+4,03 kg) und T0-T2 ((K) 0,19; 4,04 kg) unterschieden. Der iADL-Fragebogen erbrachte eine Verbesserung der Interventionsgruppe im Gesamtmesszeitraum T0-T2 (+0,12), daraus resultierte ein zusätzlicher Gruppenunterschied in diesem Zeitraum ((K) -0,89; (I) +0,12). Der Ernährungszustand zeigte auch einen unterschiedlichen Verlauf der beiden Gruppen. Zwischen T1-T2 ((K) -0,59; + 1,74) sowie T0-T2 ((K) -0,55; (I) +2,39) unterschieden sich die Gruppen.
Obgleich es für einige Patienten schwierig war die Laufintervention gemäß den Empfehlungen durchzuführen, weisen die Teilnehmer der Interventionsgruppe sowohl in den Parametern des körperlichen, als auch des funktionellen Status Verbesserungen auf. Demnach scheint ein durchschnittlicher Umfang von zwei Stunden moderater körperlicher Aktivität während einer Tumortherapie ausreichend zu sein. Es veranschaulicht, dass eine komplementäre Bewegungstherapie in der onkologischen Therapie bei Patienten mit fortgeschrittenen GIT sinnvoll ist und sowohl einen Benefit in der Körperzusammensetzung, als auch der funktionellen Eigenschaften mitsichbringt. Dies hat wiederum einen positiven Einfluss auf die Alltagsbewältigung. Da einige Barrieren das Laufprogramm der Patienten einschränkten oder gar zum Laufabbruch führten, sollte versucht werden diese zu mindern. Hierbei sind vor allem klima- und wetterbedingte Barrieren ein möglicher Ansatzpunkt, da Nebenwirkungen kaum vermeidbar sind. Dennoch sollten die Patienten auch nach nebenwirkungsbedingten Laufpausen motiviert werden das Programm weiterzuführen. Diese Studie gibt zudem erste Hinweise, dass durch eine komplementäre Bewegungstherapie mit moderater körperlicher Aktivität die Toxizität der CT bei Patienten mit fortgeschrittenen GIT vermindert werden kann. Da der klinische Benefit, welcher in einigen Studien anderer Tumorentitäten postuliert wurde, in dieser Untersuchung nicht objektiv erfasst wurde, wäre dies ein möglicher Ansatzpunkt für Folgestudien.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Anaylsenmethoden zur Quantifizierung von Ceramiden und Prostanoiden in verschiedenen biologischen Matrices unter Verwendung von Nano-LC gekoppelt mit Tandemmassenspektrometrie entwickelt und bei diversen biologischen Fragestellungen angewendet.
Die analytische Methode zu Quantifizierung der Ceramide ermöglichte deren Bestimmung in einem Probenvolumen von 2 μL CSF. Diese neu entwickelte Methode ist die erste publizierte Nano-LC-MS/MS-Methode zur Quantifizierung der Ceramide in biologischen Proben, gleichzeitig ist es auch diejenige analytische Methode mit der höchsten Empfindlichkeit [171]. Die beschriebene Methode umfasste die Substanzen C8:0, C16:0, C18:1, C18:0, C20:0, C24:1 und C24:0 Ceramid, als interner Standard wurde C17:0 Ce-ramid verwendet. Die Probenaufarbeitung bestand in einer einfachen Proteinfällung und Verdünnung mit Methanol, die chromatografische Trennung der Analyten erfolgte mit einer RP-C8 Säule unter Verwendung eines Gradientenprogramms. Die Methode wurde anhand von FDA-Richtlinien bezüglich Linearität, Bestimmungsgrenze, Präzision, Richtigkeit und Autosampler-Stabilität validiert. Die erreichten Bestimmungsgrenzen betrugen 0,225 pg auf der Säule (2,25 pg/μL CSF) für alle Ceramide außer C24:0 Ceramid, für das der Wert von 0,75 pg auf der Säule (7,5 pg/μL CSF) ermittelt wurde. Mit der durchgeführten Validierung wurde die Zuverlässigkeit der Methode für die Quantifizierung der Ceramide in CSF gezeigt. Mit einem Standardadditionsexperiment konnte belegt werden, dass PBS als Ersatzmatrix für CSF geeignet ist und somit die Ergebnisse der Validierung mit dotierten PBS-Proben auf CSF-Proben übertragbar sind. Das entwickelte Verfahren wurde für die Quantifizierung der Analyten in murinen CSF-Proben im Rahmen eines Projekts zur Erforschung der Rolle der Ceramide bei Multipler Sklerose angewendet. Anhand der Ergebnisse wurde die Hypothese bestätigt, dass die Konzentration von C16:0 Ceramid in CSF von EAE-Mäusen erhöht ist.
Die zweite entwickelte Nano-LC-MS/MS-Methode ermöglichte die Quantifizierung der Prostanoide PGE2, PGD2, 6-keto PGF1α, PGF2α und TXB2 in einer geringen Anzahl Immunzellen. Für eine erfolgreiche Bestimmung der Analyt-Konzentrationen waren nur 5.000 T-Zellen oder 40.000 Mastzellen erforderlich. Damit ist die beschriebene Methode geeignet für die Quantifizierung in Zellen, die durch Isolation aus tierischen Geweben oder Organen erhalten werden, ohne dass das Vereinigen mehrerer Proben erforderlich ist. Durch die Messung dieser bestimmten Zellpopulationen kann, im Unterschied zur Vermessung des gesamten Organs, eine differenziertere Analyse der Lokalisation der gemessenen Analyten erfolgen. Mittels der entwickelten Methode konnten die Prostanoide PGE2, PGD2, 6-keto PGF1α, PGF2α und TXB2 quantifiziert werden. Als interner Standard stand für jedes dieser Prostanoide ein vierfach deuteriertes Strukturanalogon zur Verfügung. Die Aufarbeitung der Immunzell-Proben erfolgte durch Flüssig-Flüssig-Extraktion mit Ethylacetat, die Chromatografie wurde mit einer RP-C8-Säule und einem Gradientenprogramm durchgeführt. Eine Validierung erfolgte für die Quantifizierung in T-Lymphozyten und Mastzellen für die Parameter Linearität, Bestimmungsgrenze, Präzision, Richtigkeit, Wiederfindung, Selektivität und Stabilität. Auch ein Standardadditionsexperiment mit beiden Matrices wurde durchgeführt. Die Bestimmungsgrenzen betrugen 75 fg auf der Säule für PGE2 und PGD2 sowie 112,5 fg für 6-keto PGF1α, PGF2α und TXB2, damit zeichnet sich die Methode durch höchste Empfindlichkeit aus. Die Me-thode wurde zur Messung der Prostanoid-Konzentration in T-Zellen, die im Rahmen eines Kontaktallergie-Modells aus dem Blut von unterschiedlich behandelten Mäusen isoliert worden waren, angewendet. Es konnte kein Unterschied in den Prostanoid-Konzentrationen in den T-Zellen sensibilisierter und nicht-sensibilisierter bzw. provozierter und nicht-provozierter Mäuse festgestellt werden. Bei einer zweiten Anwendung wurden die Prostanoide in murinen Mastzellen, die nach Zymosan-Injektion in die Hinterpfote zu verschiedenen Zeitpunkten nach dem Auslösen der Entzündung aus dem entstandenen Ödem isoliert worden waren, gemessen. Zusätzlich für diese Anwendung wurden einige Leukotriene in die Methode integriert. Es wurde festgestellt, dass die Konzentrationen von PGE2, PGD2 und PGF2α in Mastzellen nach der Injektion von Zymosan-Injektion ansteigen, wobei die gemessenen Konzentrationen für PGE2 48 Stunden nach der Injektion verglichen mit denen nach 24 Stunden, bezogen auf die anderen beiden Prostaglandine, am stärksten ansteigen. Außerdem wurde mittels der für die Immunzellen entwickelten Methode die Prostanoide in murinem Urin, humanem Plasma und humaner Tränenflüssigkeit quantifiziert.
Zusammenfassend ermöglichen die entwickelten Methoden die Analyse geringer Ana-lytkonzentrationen in sehr kleinen Probenmengen und damit eine Reduktion von Versuchstierzahlen und Kosten.
Die vorliegende Dissertation untersucht wie Hegel nicht nur den Begriff der Freiheit, aber auch das Subjekt der Freiheit verstanden hat. Sie versucht diese Idee Hegels durch die gegenwärtige Philosophie, insbesondere die analytische Philosophie, und auch die Soziologie, insbesondere die Soziologie von Talcott Parsons, umzudenken.
Im ersten Kapitel wird die Idee der Freiheit als private Sphäre analysiert, die durch eine ganze Gruppe von subjektiven Rechten gesichert oder sogar geschaffen ist, die ohne Hilfe anderer Struktur existierte und von den meisten Naturrechttheoretiker verteidigt wurden, den alten sowie den neuen. Hegel nannte diese Ideen abstraktes Recht. Er wirft diese Vorstellung als noch funktional unvollständig oder metaphysisch inkohärent vor.
Im zweiten Kapitel wird das andere große Modell der Freiheit in der Moderne, nämlich, die Freiheit als Autonomie analysiert. Hegel untersucht diese Idee durch die Konzepte der Verantwortlichkeit und Handelns, die sich in der Praxis des Strafrechts befinden. Nach Hegel ist Verantwortlichkeit das Ergebnis einer gesamten sozialen Beziehung der Anerkennung. Daher ist ein Verbrechen, erstens, die Verletzung einer Norm und diese Normverletzung ist zugleich Anerkennungsverletzung. Zweitens, ein Verbrechen ist die Negation des objektiven Rechts, die dem Akteur zurechnen werden kann, und das ist, warum ein Verbrechen eine Anerkennungsverletzung ist. Ein zentraler Begriff für die Verantwortlichkeit ist der Vorsatz. In dem Konzept von Vorsatz finden wir sowohl die Absicht wie das Wissen, d. i. wenn jemand vorsätzlich handelt, nicht nur wünscht er etwas, sondern er denkt auch, wie er handeln sollte, um zu erreichen, was sie will. Man findet im Vorsatz auch die Idee des Grundes. Dies öffnet wiederum die Idee der moralischen Standards und auch die Möglichkeit eines moralischen Gewissens. Hegel sieht Kant als der größte Befürworter dieser Theorie. Hegel kritisiert Kant, dass er eine Art solipsistischer Methode hat. Die Gewissheit des Guten in die eigene Handlung könnte das Böse verbreiten. Hegel argumentiert, dass ohne eine soziale Basis dafür, die Sittlichkeit, solche moralischen Standards und moralisches Gewissen nicht möglich sind.
Im letzten Kapitel wird analysiert, wie jemand in der hegelschen Lehre frei sein könnte. Nach Hegel gibt es mindestens drei Bedingungen, sodass jemand tatsächlich als frei betrachtet werden könnte: eine metaphysische Bedingung, eine psychologische Bedingung, und eine soziale Bedingung. Diese drei Bedingungen entsprechen den Hauptkritiken gegen die Möglichkeit des freien Willens. Die erste der Kritik besagt, dass es in einer durch mechanische Gesetze geregelten Welt keinen Raum für die Freiheit gibt. Nach Hegel sei die Möglichkeit der teleologischen Erklärung zugleich die Möglichkeit für die Freiheit. In der psychologischen Bedingung argumentiert Hegel, dass das hedonistische oder Wunsch-Überzeugung-Handlung Modell in der Tat fast eine mechanische Erklärung wäre. In einem systemischen Selbstbewusstsein Vorstellung der individuellen Persönlichkeit, in dem alle Teile des Akteurs systemisch artikuliert sind, könnte das Individuum wirklich frei handeln, da das Individuum nicht mehr in seinen Wünschen oder anderen Trieben verschwunden wäre. Am Ende argumentiert noch Hegel, dass die Gary Strawson‘ Kritik an der Idee des freien Willens, dass wir nicht den ersten Umstand unseres Lebens, unsere Sozialisierung und Erziehung ändern könnten, nicht korrekt wäre. Freiheit bedeutet nicht, jeden Aspekt unseres Lebens zu bestimmen, sondern uns selbst und unser Handeln zu bestimmen. Hegel zufolge können wir in der Tat unseren Anfang ändern, indem wir uns selbst neu interpretieren. Diese Art der Selbstbestimmung setzt die Teilnahme an der Gesellschaft voraus. Wenn wir die semantische in unserer Kultur ändern, ändern wir uns selbst und solches aktive Engagement mit unserer Gesellschaft wäre auch eine Bedingung, um ein freies Leben zu führen.
Nanomaterials, i.e., materials that are manufactured at a very small spatial scale, can possess unique physical and chemical properties and exhibit novel characteristics as compared to the same material without nanoscale features. The reduction of size down to the nanometer scale leads to the abundance of potential applications in different fields of technology. For instance, tailoring the physicochemical properties of nanomaterials for modification of their interaction with a biological environment has been reflected in a number of biomedical applications.
Strategies to choose the size and the composition of nanoscale systems are often hindered by a limited understanding of interactions that are difficult to study experimentally. However, this goal can be achieved by means of advanced computer simulations. This thesis explores, from a theoretical and a computational viewpoints, stability, electronic and thermo-mechanical properties of nanoscale systems and materials which are related to biomedical applications.
We examine the ability of existing classical interatomic potentials to reproduce stability and thermo-mechanical properties of metal systems, assuming that these potentials have been fitted to describe ground-state properties of the perfect bulk materials.
It is found that existing classical interatomic potentials poorly describe highly-excited vibrational states when the system is far from the potential energy minimum. On the other hand, construction of a reliable computational model is essential for further development of nanomaterials for applications. A new interatomic potential that is able to correctly reproduce both the melting temperature and the ground-state properties of different metals, such as gold, platinum, titanium, and magnesium, by means of classical molecular dynamics simulations is proposed in this work. The suggested modification of a many-body potential has a general nature and can be utilized for similar numerical exploration of thermo-mechanical properties of a broad range of molecular and solid state systems experiencing phase transitions.
The applicability of the classical interatomic potentials to the description of nanoscale systems, consisting of several tens-hundreds of atoms, is also explored in this study. This issue is important, for instance, in the case of nanostructured materials, where grains or nanocrystals have a typical size of about a few nanometers. We validate classical potentials through the comparison with density-functional theory calculations of small
atomic clusters made of titanium and nickel. By this analysis, we demonstrate that the classical potentials fitted to describe ground-state properties of a bulk material can describe the energetics of nanoscale systems with a reasonable accuracy.
In this work, we also analyze electronic properties of nanometer-size nanoparticles made of gold, platinum, silver, and gadolinium; nanoparticles composed of these materials are of current interest for radiation therapy applications. We focus on the production of low-energy electrons, having the kinetic energy from a few electronvolts to several tens of electronvolts. It is currently established that the low-energy secondary electrons of such energies play an important role in the nanoscale mechanisms of biological damage resulting from ionizing radiation. We provide a methodology for analyzing the dynamic response of nanoparticles of the experimentally relevant sizes, namely of about several nanometers, exposed to ionizing radiation. Because of a large number of constituent atoms (about 1000 −10000 atoms) and consequently high computational costs, the electronic properties of such systems can hardly be described by means of ab initio methods based on a quantum-mechanical treatment of electrons, and this analysis should rely on model approaches. By comparing the response of smaller systems (of about 1 nm size) calculated within the ab initio- and the model framework, we validate this methodology and make predictions for the electron production in larger systems.
We have revealed that a significant increase in the number of the low-energy electrons emitted from nanometer-size noble metal nanoparticles arises from collective electron excitations formed in the systems. It is demonstrated that the dominating mechanisms of electron yield enhancement are related to the formation of plasmons excited in a whole system and of atomic giant resonances formed due to excitation of valence d electrons in individual atoms of a nanoparticle. Being embedded in a biological medium, the noble metal nanoparticles thus represent an important source of low-energy electrons, able to produce a significant irrepairable damage in biological systems.
A general methodology for studying electronic properties of nanosystems is used to make quantitative predictions for electron production by non-metal nanoparticles. The analysis illustrates that due to a prominent collective response to an external electric field, carbon nanoparticles embedded in a biological medium also enhance the production of low-energy electrons. The number of low-energy electrons emitted from carbon nanoparticles is demonstrated to be several times higher as compared to the case of liquid water.
Bewegung und sportliche Aktivität fördern die Gesundheit des Organismus und senken das Risiko chronischer Krankheiten. Sie bewirken dabei eine Vielzahl von physiologischen und biochemischen Veränderungen in der Skelettmuskulatur, insbesondere Muskelfasertyp-Transformation, Änderungen des Muskelmetabolismus und der Angiogenese. Unter basalen Bedingungen spielen reactive oxygen species (ROS) eine essentielle Rolle für die normale Muskelfunktion. Die Sport-induzierte Produktion von ROS erweist sich als wichtige physiologische Funktion für die Regulierung der Muskelkraft und der Anpassungsreaktion der Muskelfasern auf das Training. Eine der wichtigsten Quellen von ROS im kardiovaskulären System sowie in der Skelettmuskulatur ist die Familie der NADPH-Oxidasen (Nox). Im Unterschied zu anderen NADPHOxidasen ist Nox4 konstitutiv aktiv und produziert Wasserstoffperoxid (H2O2), welches in diversen zellulären Signalkaskaden involviert ist. Gleichzeitig gibt es zahlreiche Hinweise, dass Nox4 über die ROS-Produktion an Sport-induzierten Anpassungsprozessen in Skelettmuskeln beteiligt ist. Vor diesem Hintergrund wurde die Hypothese aufgestellt, dass Nox4 die Sport-induzierte Transformation von langsam- zu schnellkontrahierenden Muskelfasern, die Änderungen des Muskelstoffwechsels sowie die Sport-induzierte und die retinale Angiogenese beeinflusst. Die Untersuchung der Sportinduzierten Fasertyptransformation zeigte, dass die relative Zusammensetzung der Muskelfasern in Nox4-Knockout- und Wildtyp-Mäusen sehr ähnlich und somit von Nox4 unabhängig war. Obwohl das Training die Expression von PGC1α und GLUT4 sowie die AMPK-Aktivierung steigerte, hatte Nox4 nur eine geringe, nicht konstitutive Auswirkung auf den Muskelmetabolismus. Außerdem zeigte die vorliegende Studie, dass Nox4 die Sport-induzierte Angiogenese fördert. Nox4 führte zu einer erhöhten Stretch- und Hypoxie-induzierten Expression von VEGF in Myoblasten, die aus C2C12-Zellen und Satellitenzellen differenziert wurden. Als Folge des Nox4-Knockouts wurde nicht nur eine Reduktion der VEGF-Expression, sondern auch eine Steigerung der Expression von Angiopoietin 1 (Ang1) nachgewiesen, welches die Sport-induzierte Angiogenese hemmte. Das Fehlen von Nox4 schützte außerdem vor der retinalen Neoangiogenese und trug zu einer schnelleren Heilung nach der Oxygen-inducedretinopathy (OIR) bei, indem das Netzwerk neuer Gefäße mittels Ang1 stabilisiert wurde. Somit führt Nox4 zur Sport- und Hypoxie-induzierten Angiogenese durch einen Doppelmechanismus der Induktion und Aufrechterhaltung der VEGF Expression und der Hemmung von Ang1.
In dieser Arbeit wurde YM155 anhand eines Neuroblastom-Zellmodells bezüglich seiner antitumoralen Wirkung, sowie möglicher Resistenzmechanismen untersucht. Mit Hilfe eines Viabilitäts-‚Screenings‘ wurde eine Auswahl von 113 chemosensitiven und chemoresistenten Neuroblastomzellen auf mögliche Kreuzresistenzen gegen YM155 untersucht. Hinsichtlich der IC50 Werte gegen YM155, lagen insgesamt 74 % der untersuchten Zelllinien im therapeutisch erreichbaren Bereich von unter 50 nM. Zusätzlich wurden Neuroblastom-, Mammakarzinom- und Prostatakarzinomzellen an eine klinisch relevante YM155 Konzentration adaptiert. Diese zeigten wiederum, dass durch die Adaptierung hervorgerufene Expressionsänderung des ABC-Transporters ABCB1 und des ‚solute carrier‘ Protein SLC35F2 eine bedeutsame Rolle hinsichtlich des Resistenzmechanismus gegen YM155 spielen. Durch den Einsatz von spezifischen ABCB1-Inhibitoren, als auch durch siRNA-vermittelte Reduzierung von ABCB1 konnte eine Abhängigkeit für die Wirksamkeit YM155 von ABCB1 in Neuroblastomzellen bestätigt werden. Des Weiteren wurde in den untersuchten Zelllinien ein Zusammenhang zwischen der Wirkung von YM155 und der Expression des ‚solute carrier‘ Proteins SLC35F2 hergestellt. Dazu wurden Zellen mit verminderter SLC35F2 Expression verwendet, welche durch Transduktion mit einem für eine SLC35F2 spezifische shRNA kodierenden Vektor etabliert wurden. Dabei führte eine verminderte SLC35F2 Expression zu einer starken Minderung der Sensitivität gegen YM155. Das Zusammenspiel dieser beiden Transporter und der damit verbundene Resistenzmechanismus gegen YM155, konnte in fast allen etablierten YM155-resistenten Zelllinien (UKF-NB-3rYM15520, 22RV1rYM155300, PC-3rYM15520, HCC-1806rYM15520 und MDA-MB-231rYM15520) gezeigt werden. Wobei diese Zellen unabhängig von der Tumorentität als Resistenzmechanismus gegen YM155 entweder eine signifikant induzierte ABCB1 Expression (verstärkter YM155 Efflux) und/oder eine verminderte SLC35F2 Expression (verringerter YM155 Influx) entwickelten. Außerdem konnte mit Hilfe der p53-depletierten Zelllinie UKF-NB-3pc-p53 eine Abhängigkeit der YM155 Wirkung vom Tumorsuppressor p53 nachgewiesen werden, wobei es durch die Depletierung von p53 zu einer verminderten Sensitivität der Zellen gegen YM155 kam. Zudem kam es durch die Nutlin-3 hervorgerufene p53 Aktivierung und Akkumulierung zu einer Verstärkung der YM155 Wirkung in den untersuchten Zellen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der p53 Status von Zellen einen Einfluss auf deren YM155 Resistenz haben kann. Da in der Behandlung von Neuroblastomen neben der Chemotherapie auch Bestrahlung eingesetzt wird, wurde zusätzlich untersucht ob eine Adaptierung von Neuroblastomzellen an YM155 zu einer verminderten Sensitivität gegen Bestrahlung führen kann. Da die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten UKF-NB-3 Zelllinien (UKF-NB-3 und UKF-NB-3rYM15520) eine ähnliche Sensitivität gegenüber der Bestrahlung aufwiesen, konnte kein Zusammenhang zwischen einer Adaptierung an YM155 und der Ausbildung einer Bestrahlungsresistenz gezeigt werden.
Ein weiterer wichtiger Teil dieser Arbeit war es, den primären Wirkmechanismus von YM155 in Neuroblastomzellen zu untersuchen. In vorangegangenen Studien wurde die vom Hersteller beschriebene Wirkung von YM155 als Survivin-Inhibitor in Frage gestellt. Stattdessen soll der primäre Apoptose-induzierende Effekt in erster Linie durch DNA-Schäden hervorgerufen werden, während die Survivin Inhibierung lediglich darauf folgen soll. In einer zeitlichen und konzentrationsabhängigen Kinetik der YM155 Behandlung konnte in UKF-NB-3 Zellen der genaue Zeitpunkt der Survivin-Inhibierung und der Induktion der DNA-Schadensantwort ermittelt werden. Dabei konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass in Neuroblastomzellen als Antwort auf die YM155 Behandlung zuerst eine Survivin-Inhibierung erfolgt, und die DNA-Schadensantwort als Folge dieser induziert wird. Darüber hinaus belegte die siRNA-vermittelte Survivin-Inhibierung in UKF-NB-3 und UKF-NB-6, dass eine fehlende Survivin Expression die DNA-Schadensantwort induziert.
Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit erstmals in YM155 adaptierten Neuroblastomzellen der Resistenzmechanismus gegen YM155 näher untersucht werden und darüber hinaus wurde demonstriert, dass die Wirkung von YM155 in Neuroblastomzellen nicht auf die Induktion der DNA-Schadensantwort beruht, sondern primär auf die Survivin-Inhibierung zurückzuführen ist.
Photoinduzierte Energietransferprozesse und -reaktionen spielen in vielen Gebieten von Chemie, Physik und Biologie eine wichtige Rolle. Zu den prominentesten Beispielen zählen der Lichtsammelprozess in der Photosynthese und der Anregungsenergietransfer in funktionellen Materialien. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf letzterem Bereich, genauer auf organischer Elektronik und flexiblen Donor-Akzeptor-Bausteinen und Schaltern. Im Besonderen werden hier zwei verschiedene Typen von funktionellen organischen Systemen betrachtet: zum einen oligomere Fragmente organischer halbleitender Polymere wie Oligo-p-Phenylen-Vinylen (OPV) und Oligo-Thiophen (OT), welche als Bausteine für neuartige organische Solarzellen dienen, und zum anderen kleine funktionelle Donor-Akzeptor-Einheiten wie Dithienylethen-Bordipyrromethen (DTE-BODIPY). Letzteres wurde in Kooperation mit den experimentellen Gruppen von K. Rück-Braun (TU Berlin) und J. Wachtveitl (Goethe Universität) untersucht. Um die relevanten Energietransfermechanismen genauer zu verstehen, wurden an diesen Systemen elektronische Strukturrechnungen und quantendynamische Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wurden mittels ab initio-Methoden Modell-Hamiltonians parametrisiert und mit hochdimensionalen quantendynamischen oder semiklassischen Methoden kombiniert. Während die Parametrisierung für kleinere Fragmente durchgeführt wurde, lässt sich der so parametrisierte Hamiltonian ohne Weiteres auf größere Systeme erweitern. Die dynamischen Studien der betreffenden Systeme wurden mittels der Multikonfigurationellen Zeitabhängigen Hartree (MCTDH) Methode durchgeführt, welche eine vollständige quantendynamische Beschreibung des Systems zulässt. Für größere Systeme wurde die semiklassische Ehrenfest Methode in Verbindung mit dem Langevin-Ansatz zur Beschreibung von Umgebungseffekten genutzt. Hierzu wurde ein eigens für diese Methode und Systeme geschriebenes Programm eingesetzt. Im Falle der OT- und OPV-Oligomere wurde die Dynamik bei Vorliegen eines strukturellen Defekts untersucht. Ziel war es hierbei, die dynamischen Phänomene, welche durch die Photoanregung induziert werden, zu untersuchen. Des Weiteren wurde untersucht, ob das Konzept von „spektroskopischen Einheiten“, welche die Lokalisierung der Anregung durch strukturelle Defekte beschreibt, in diesen Systemen zutrifft. Hierzu wurden die Systeme in einer Frenkel-Basis definiert, welche ein auf einem Monomer lokalisiertes Elektron-Loch-Paar beschreibt. Delokalisierte elektronische Anregungen können somit als Superposition solcher Frenkel-Zustände beschrieben werden. Neben der Frenkel-Basis wurde aber auch eine verallgemeinerte Elektron-Loch-Basis verwendet, welche über zusätzliche Ladungstransferzustände eine räumliche Separation von Elektronen und Löchern erlaubt.Die Parametrisierung des OPV- und OT-Hamiltonians erfolgte mittels der Algebraischen Diagrammatischen Konstruktions (ADC(2))-Methode, welche in Kombination mit einer Übergangs-Dichte-Matrix-Analyse eine sehr akkurate Beschreibung der Frenkel- und Ladungstransferzustände basierend auf den supermolekularen Zuständen erlaubt. Um vibronische Effekte auf die Dynamik miteinzubeziehen,wurden nieder- und hochfrequente Torsions- und alternierende Bindungslängenmoden des Systems im Hamiltonian berücksichtigt. Hierzu wurden eindimensionale Schnitte der Potentialflächen entlang dieser Koordinaten berechnet und mittels einer Transformation in diabatische Potentialflächen überführt. Mit diesem Setup wurden die quantendynamischen und semiklassischen Simulationen für ein OPV/OT-Hexamer und ein 20-mer durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Simulationen zeigen, dass der Energietransfer auf einer Subpikosekunden-Zeitskala stattfindet und eine starke Abhängigkeit vom Vorliegen eines strukturellen Defekts aufweist. Des Weiteren konnte auf einer Zeitskala von 100 Femtosekunden eine Lokalisierung des Exzitons beobachtet werden. Fluktuationseffekte werden zudem über Quantenfluktuationen im Falle von MCTDH bzw. über thermische Fluktuationen im Falle des Ehrenfest-/Langevin-Ansatzes berücksichtigt. Letzterer ist jedoch nicht in der Lage, die kohärente Charakteristik der mit den Schwingungsmoden gekoppelten Exziton- und Lokalisierungsdynamik wiederzugeben. Dagegen kann dieser Ansatz erfolgreich genutzt werden, um eine fluktuationsgetriebene „Hopping“-Dynamik des quasi- stationären Zustandes auf einer längeren Zeitskala in Abhängigkeit von der Temperatur zu beschreiben. Die Beschreibung der Photodynamik der DTE-BODIPY-Dyade zielt darauf ab, experimentell beobachtete vibrationelle Schwingungen des BODIPY-Fragments zu erklären, die ohne eine direkte Anregung dieses Fragments zustande kommen. Diese wurden nach einer selektiven Anregung des DTE-Fragments in zeitaufgelösten UV/Vis Anreg-Abtast-Experimenten beobachtet. Der Fokus der Untersuchung liegt daher auf der Beschreibung der photoinduzierten intramolekulare Energieumverteilung (IVR) auf einer Subpikosekunden-Zeitskala. Die DTE-BODIPY Dyade wurde mittels eines Hamiltonians, welcher durch TDDFT Rechnungen parametrisiert wurde, dargestellt. Basierend auf den Normalmoden des Systems, wurden lokale DTE- und BODIPY-Moden konstruiert, wobei einige dieser Moden miteinander gekoppelt sind und die Photoanregung des DTE auf das BODIPY-Fragment übertragen. Hierbei zeigte sich, dass die Zeitskala und die charakteristischen Frequenzen des Experiments mittels der hochdimensionalen MCTDH-Methode gut reproduziert wurden. Aus den Simulationen ergab sich zudem, dass der beobachtete Energietransfer stark von einem Reservoir von vibrationell angeregten lokalen DTE-Moden beeinflusst wird. Der untersuchte IVR- Prozess zeigt zudem eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokalen Kopplungen und der Kopplung an eine Umgebung.
Erkrankungs- und transplantationsassoziierte Nebenwirkungen (z.B. Mukositis, Neutropenie) und Komplikationen (z.B. Infektionen, Abstoßung) führen zu einem radikalen Rückgang der körperlichen Leistungsfähigkeit während der Hämatopoetischen Stammzelltransplantation (HSZT). Ein Großteil der Patienten leidet vor Beginn der Transplantation bereits an ausgeprägten muskulären sowie kardiopulmonalen Defiziten. Randomisiert-kontrollierte Interventionsstudien mit Erwachsenen weisen auf positive multidimensionale Effekte einer Bewegungstherapie vor, während und nach der Transplantation hin. Wiskemann et al. [2013] identifizierten zudem das Fitnesslevel zu Transplantationsbeginn als relevanten Prädiktor für trainingsinduzierte Adaptionen. Im klinischen Sektor der pädiatrischen HSZT wird der wissenschaftliche Forschungsstand im als unzureichend eingestuft. Neben der Evaluation der Wirksamkeit pädiatrischer Bewegungsprogramme besteht dringender Bedarf zur Identifikation geeigneter Trainingsmethoden. Auf Basis dessen evaluierte die vorliegende Arbeit als Primärziel den Einfluss der körperlichen Leistungsfähigkeit zu Transplantationsbeginn auf die Effekte einer Sporttherapie während pädiatrischer HSZT. Darüber hinaus erfolgte eine Überprüfung der Machbarkeit des Interventionskonzeptes und eine explorative Analyse der sportlichen Belastbarkeit während der stationären Behandlung.
In dieser Subanalyse der BISON-Studie (RCT, n=70) wurden 53 hämato-onkologisch erkrankte Kinder und Jugendliche (35 m 18 w, 10.9±3.5 Jahre) mit Indikation zur HSZT computergestützt in eine Interventions- (IG) oder bewegungsarme Kontrollgruppe (KG) randomisiert. Im Rahmen der Transplantation führte die IG eine Sporttherapie, bestehend aus einem täglichen Ausdauer-, Kraft- und Beweglichkeitstraining (täglich, 30–60min), die KG ein Konzentrations- und Entspannungstraining von gleichem Umfang durch. Die individualisierten Trainingseinheiten fanden supervidiert statt und wurden von den behandelnden Sporttherapeuten dokumentiert. Zur Evaluation der Therapieeffekte erfasste ein 6-Minuten Gehtest (6MWT) die Ausdauerleistungsfähigkeit im Eingangs- und Retest (T1 Aufnahme, T2 Entlassung). Im Sinne der primären Zielsetzung erfolgte für die Auswertung eine retrospektive Dichotomisierung beider Studiengruppen anhand der referenzwertbezogenen Baslinewerte (cut off: 80 % 6MWDREFT1). Gruppenunterschiede (IGUNFIT n=14, IGFIT n=12, KGUNFIT n=16, KGFIT n=11) der relativen Veränderung im pre-post Design wurden mittels Kruskal-Wallis mit post-hoc-Test analysiert. Die Machbarkeit des sporttherapeutischen Interventionskonzeptes wurde anhand von neun Outcomeparametern (Bedarf, Akzeptanz, Durchführbarkeit, Adhärenz, Toleranz, Verträglichkeit, Sicherheit, Medizinische Barrieren, Non-Compliance) bewertet.
Vor Transplantation legten die Kinder und Jugendlichen im 6MWT ohne Auftreten unerwünschter Ereignisse durchschnittlich 470.9±79.1 m bzw. referenzwertbezogen 76±12% zurück. Die nichtparametrische Testung ergab für das Gesamtkollektiv bereits vor Beginn der Behandlung signifikante Einbußen der Gehstrecke im Vergleich zu den Normwerten gesunder Gleichaltriger (p<.001).
Insgesamt 25 Kinder und Jugendliche der IG (74%) trainierten über den stationären Verlauf kontinuierlich 2–4x pro Woche (50.3±6.3 min/TE) mit einem subjektiven Anstrengungsempfinden (RPE) von 11 bis 16. Die Adhärenzrate lag in der Untersuchung bei 94 (64–100)%. Das Training beinhaltete ein Ausdauertraining auf dem Fahrradergometer, als Aerobic-Einheit oder in spielerischer Form (2.5±0.9x/wk, 20.9±5.1 min/TE, 70.7±6.5% der HFmax), ein kleingerätegestütztes Krafttraining (2.4±0.6x/wk, 3.7±0.7 Übungen, 1.9±0.3 Serien, 10.4±1.1 Wiederholungen) und Stretchingübungen (2.3 ±0.7x/wk, 75% aktiv, 25% passiv). In insgesamt 13 von 410 Therapieeinheiten musste aufgrund von Gegenanzeigen abgebrochen werden.
Beim Vergleich der Trainingseffekte zeigte sich, dass die IGFIT ihre Ausdauerleistung im Rahmen der Transplantation um +0.7% steigerte, während die IGUNFIT eine Verbesserung um +7.7% aufwies (p>.05). In Bezug auf die relative Veränderung konnten ausschließlich signifikante Unterschiede zwischen der IGUNFIT und der KGUNFIT (-13.7%, p<.05) bzw. KGFIT (-15.9%, p>.05) erhoben werden. Bei Entlassung absolvierte die Gruppe IGFIT weiterhin 85.5±10.3% der referenzwertbezogenen Gehstrecke und differierte diesbezüglich bei Entlassung signifikant zu den beiden initial leistungsreduzierten Gruppen (KGUNFIT p<.001, IGUNFIT p<.01).
Negative Auswirkungen der Grunderkrankung und hämato-onkologischer Vorbehandlungen führen auch bei der Mehrheit betroffener Kinder und Jugendlicher bereits vor der Transplantation zu einer defizitären Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Gesunden. Vor dem Hintergrund einer progressiven transplantationsinduzierten Dekonditionierung zeigt sich eine supportive Sporttherapie während pädiatrischer HSZT von moderater und hoher Intensität als sicher, machbar sowie effizient. Das konstante Training sowie die hohe Compliance erfordern ein tägliches, flexibles und kreatives Angebot unter fachtherapeutischer Anleitung und Betreuung. Alle Patienten können über den gesamten Verlauf der Transplantation ca. 3x pro Woche zwischen 40–60 min trainieren. Wie bei Gesunden könnten insbesondere initial leistungslimitierte Kinder und Jugendliche sowie Patienten mit schweren Nebenwirkungen von einer supportiven Bewegungsförderung profitieren. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse lässt sich außerdem ableiten, dass ein optimaler Versorgungsansatz für die pädiatrische HSZT zusätzlich ein bewegungstherapeutisches Aufbautraining vor Transplantation vorsieht.