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Schriftenreihe
Effects of dopamine on BDNF / TrkB mediated signaling and plasticity on cortico-striatal synapses
(2021)
Progressive loss of voluntary movement control is the central symptom of Parkinson's disease (PD). Even today, we are not yet able to cure PD. This is mainly due to a lack of understanding the mechanisms of movement control, network activity and plasticity in motor circuits, in particular between the cerebral cortex and the striatum. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) has emerged as one of the most important factors for the development and survival of neurons, as well as for synaptic plasticity. It is thus an important target for the development of new therapeutic strategies against neurodegenerative diseases. Together with its receptor, the Tropomyosin receptor kinase B (TrkB), it is critically involved in development and function of the striatum. Nevertheless, little is known about the localization of BDNF within presynaptic terminals in the striatum, as well as the types of neurons that produce BDNF in the cerebral cortex. Furthermore, the influence of midbrain derived dopamine on the control of BDNF / TrkB interaction in striatal medium spiny neurons (MSNs) remains elusive so far. Dopamine, however, appears to play an important role, as its absence leads to drastic changes in striatal synaptic plasticity. This suggests that dopamine could regulate synaptic activity in the striatum via modulation of BDNF / TrkB function. To answer these questions, we have developed a sensitive and reliable protocol for the immunohistochemical detection of endogenous BDNF. We find that the majority of striatal BDNF is provided by glutamatergic, cortex derived afferents and not dopaminergic inputs from the midbrain. In fact, we found BDNF in cell bodies of neurons in layers II-III and V of the primary and secondary motor cortex as well as layer V of the somatosensory cortex. These are the brain areas that send dense projections to the dorsolateral striatum for control of voluntary movement. Furthermore, we could show that these projection neurons significantly downregulate the expression of BDNF during the juvenile development of mice between 3 and 12 weeks.
In parallel, we found a modulatory effect of dopamine on the translocation of TrkB to the cell surface in postsynaptic striatal Medium Spiny Neurons (MSNs). In MSNs of the direct pathway (dMSNs), which express dopamine receptor 1 (DRD1), we observed the formation of TrkB aggregates in the 6-hydroxydopamine (6-OHDA) model of PD. This suggests that DRD1 activity controls TrkB surface expression in these neurons. In contrast, we found that DRD2 activation has opposite effects in MSNs of the indirect pathway (iMSNs). Activation of DRD2 promotes a rapid decrease in TrkB surface expression which was reversible and depended on cAMP. In parallel, stimulation of DRD2 led to induction of phospho-TrkB (pTrkB). This effect was significantly slower than the effect on TrkB surface expression and indicates that TrkB is transactivated by DRD2. Together, our data provide evidence that dopamine triggers dual modes of plasticity on striatal MSNs by acting on TrkB surface expression in DRD1 and DRD2 expressing MSNs. This surface expression of the receptor is crucial for the binding of BDNF, which is released from corticostriatal afferents. This leads to the induction of TrkB-mediated downstream signal transduction cascades and long-term potentiation (LTP). Therefore, the dopamine-mediated translocation of TrkB could be a mediator that modulates the balance between dopaminergic and glutamatergic signaling to allow synaptic plasticity in a spatiotemporal manner. This information and the fact that TrkB is segregated to persistent aggregates in PD could help to improve our understanding of voluntary movement control and to develop new therapeutic strategies beyond those focusing on dopaminergic supply.
Prädiktion des Verschlusses großer intrakranieller Arterien anhand präklinischer Schlaganfallscores
(2021)
2015 konnte in mehreren Studien ESCAPE, EXTENDED IA, MR CLEAN, REVASCAT, SWIFT-PRIME eine signifikante Überlegenheit der mechanischen Thrombektomie verglichen mit der alleinigen i. v. Lysetherapie mit rtPA bezogen auf Revaskularisierung bei Patienten mit einer LVO (large vessel occlusion) nachgewiesen werden. Diese neue Therapiemöglichkeit erforderte eine Aufteilung der Patienten die von einer Thrombektomie profitieren (LVO) und der Patienten, die keiner Thrombektomie zugeführt werden können (nLVO). Die zentrale Fragestellung der Studie ist: Kann ein symptomorientierter Schlaganfallscore die Wahrscheinlichkeit eines großen intrakraniellen Gefäßverschlusses mit hinreichender Präzision vorhersagen und kann auf Basis dieser Vorhersage ein Patient direkt in ein übergeordnetes Schlagfanfallzentrum gebracht werden, obwohl sich dadurch eine Bridging Lysetherapie verzögern würde?
Um diesen Fragen auf den Grund zu gehen führten wir eine monozentrische Querschnittstudie durch, in deren Rahmen 215 Patienten rekrutiert wurden. Die Rekrutierung erfolgte mittels eines aus Subitems bereits etablierter Schlafanfallscores (FAST, CPSS, LAPSS, 3ISS, RACE), zusammengesetzten Fragebogens. Die ausgefüllten Fragebögen wurde in Excel digitalisiert und mittels SPSS, Signifikanz und Odds Ratio berechnet. Anschließend wurde aus den signifikanten Subitems mit der höchsten Odds Ratio ein neuer einfach anzuwendender Schlaganfallscore, bestehend aus den präklinisch erhobenen Daten gebildet (Würzburg Score of Large Vessel Occlusions, WOLVE- Score). Weiter wurden Signifikanz, Odds Ratio, Sensitivität und Spezifität des WOLVE-Score mit denen der oben genannten etablieren Scores verglichen.
Neuropathies are a group of potentially treatable diseases with an often disabling and restricting course. Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a lethal disease without causal treatment possibilities. The objective of this study was to examine the diagnostic utility of HRUS for the differentiation of subtypes of axonal and demyelinating neuropathies and to investigate its utility for the sonological differentiation of ALS.
The hypothetical statement that neuropathy causes enlargement of peripheral nerves compared to healthy controls proved to be right, but the adjunctive assumption that ALS does not cause enlargement of peripheral nerves proved to be wrong – in patients with ALS slight enlargement of peripheral nerves was visible as well. The statement that nerve enlargement can be detected by measurement of the cross-sectional area (CSA) and the longitudinal diameter (LD) with comparable results proved to be right, but the enlargement was slightly less present by measurement of the LD. The statement that axonal and demyelinating neuropathies show distinct patterns of nerve enlargement must be answered differentiated: The comparison between axonal and demyelinating neuropathies showed a stronger nerve enlargement in patients with demyelinating neuropathies than in patients with axonal neuropathies at proximal nerve segments of upper extremities. In the comparison of diagnose-defined subgroups of inflammatory demyelinating neuropathies a respective specific pattern of nerve enlargement was visible. However, remarkable in this context was the strong nerve enlargement found in patients with NSVN, which is classified as an axonal neuropathy. Stratification for specific findings in nerve biopsy did not lead to constructive differences in comparison between the different groups.
To sum up, HRUS showed to provide a useful contribution in the diagnostic process of neuropathies and ALS but needs to be integrated in a multimodal diagnostic approach.
In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob zerebrale Mikroblutungen (CMB) bereits im frühen Verlauf nach ischämischem Schlaganfall (IS) oder Transitorisch-Ischämischer Attacke (TIA) mit kognitivem Abbau assoziiert sind und ob spezifische kognitive Domänen besonders betroffen sind. Der Vergleich zweier Probandengruppen mit IS/TIA und CMB bzw. IS/TIA ohne CMB hinsichtlich ihrer Ergebnisse in der neuropsychologischen Testbatterie CERAD ergab, dass CMB bereits sechs Monate nach dem zerebrovaskulären Ereignis mit einem kognitiven Abbau assoziiert sind. Multilokuläre CMB zeigen eine stärkere Auswirkung auf die Kognition als solche CMB, die in einer einzigen Hirnregion gefunden wurden. Zudem wurde eine signifikante Korrelation zwischen dem Grad der kognitiven Einschränkung und der Anzahl der CMB errechnet. Die separate Betrachtung derjenigen Testungen, welche das episodische Gedächtnis erfassen, zeigte eine Beeinträchtigung der Testpersonen beim Wiedererkennen von zuvor gelernten Wörtern. Bei der Untersuchung des semantischen Gedächtnisses der ProbandInnen fiel eine signifikant eingeschränkte phonematische Wortflüssigkeit auf, die semantische Flüssigkeit und das Benennen jedoch waren weniger betroffen. Die Domäne „Visuokonstruktive Fähigkeiten“ wurde ebenfalls in drei Untertests beurteilt. Hierbei zeigten sich keine Defizite der Testgruppe beim Abzeichnen der dargebotenen Figuren, die Reproduktion hingegen war signifikant gestört. Es zeigte sich keine CMB-bedingte Einschränkung der exekutiven Funktionen.
Background: In recent years, health care has increasingly become the focus of public interest, politics, health insurance companies, and research. This includes the development of therapeutic concepts that can respond individually to patients' resources in order to improve coping with chronic diseases. Research into psychosocial and biological resilience factors is very important and the basic objective of the present work. I studied patients with fibromyalgia syndrome (FMS), who suffer among others from chronic pain, fatigue, sleep and gastrointestinal problems. This patient cohort is characterized by a pronounced heterogeneity in terms of clinical outcome, degree in disability and coping. FMS has a prevalence of 3 – 8 % in the Western population and has a significant socio-economic impact. Validated psychosocial resilience factors include optimism, humor, coherence, self-efficacy, awareness with one's own resources and the ability to apply them profitably (coping), and a healthy social environment with positive relationships. Studies in patients with cancer revealed religiosity as positive and negative factor on the health outcome, but there is little data on religious aspects of pain resilience. Various genetic polymorphisms and anti-inflammatory cytokines are known as biological resilience factors. Various microRNA (miRNA) were detected to contribute to resilience in the context of stress and psychiatric disorders. Objective: The underlying research question of this work is to understand the factors that make some FMS patients resilient and others not, even though they suffer from the same disease. The long-term aim was to understand mechanisms and influencing factors of resilience to design preventive and resource-oriented therapies for FMS patients. Material and Methods: Three studies examined religious, physiological, biological, and psychosocial factors which may contribute to resilience in FMS patients. Study one combined data of questionnaires, a psychosocial interview, and regression analyses to investigate the relevance of religiosity for coping and resilience. Study two examined variance explaining factors and defined clusters among FMS patients by their differences in coping, pain phenotype and disability. The factor analysis used variables derived from questionnaires and qPCR of cytokines in white blood samples (WBC) of patients and healthy controls. Study three assessed cluster-wise miRNA signatures which may underly differences in behaviour, emotional and physiological disability, and resilience among patient clusters. A cluster-specific speculative model of a miRNA-mediated regulatory cycle was proposed and its potential targets verified by an online tool. Results: The data from the first study revealed a not very religious patient cohort, which was rather ambivalent towards the institution church, but described itself as a believer. The degree of religiosity played a role in the choice of coping strategy but had no effect on psychological parameters or health outcomes. The coping strategy "reinterpretation", which is closely related iv to the religious coping "reappraisal", had the highest influence on FMS related disability. Cognitive active coping strategies such as reappraisal which belongs to religious coping had the highest effect on FMS related disability (resilience) and could be trained by a therapist. Results from the second study showed high variances of all measured cytokines within the patient group and no difference between patient and control group. The high dispersion indicated cluster among patients. Factor analysis extracted four variance-explaining factors named as affective load, coping, pain, and pro-inflammatory cytokines. Psychological factors such as depression were the most decisive factors of everyday stress in life and represented the greatest influence on the variance of the data. Study two identified four clusters with respective differences in the factors and characterized them as poorly adapted (maladaptive), well adapted (adaptive), vulnerable and resilient. Their naming was based on characteristics of both resilience concepts, indicated by patients who were less stress-sensitive and impaired as a personal characteristic and by patients who emerged as more resilient from a learning and adaptive process. The data from the variance analysis suggests that problem- and emotion-focused coping strategies and a more anti-inflammatory cytokine pattern are associated with low impairment and contribute to resilience. Additional favorable factors include low anxiety, acceptance, and persistence. Some cluster-specific intervention proposals were created that combine existing concepts of behavioral and mindfulness therapies with alternative therapies such as vitamin D supplementation and a healthy intestinal flora. The results of the third study revealed lower relative gene expression of miR103a-3p, miR107, and miR130a-3p in the FMS cohort compared to the healthy controls with a large effect size. The adaptive cluster had the highest gene expression of miR103a-3p and tendentially of miR107, which was correlated with the subscale score "physical abuse" of the trauma questionnaire. Further correlations were found in particular with pain catastrophizing and FMS-related disability. MiR103a-3p and miR107 form a miRNA-family. Based on this, we proposed a miR103a/107 regulated model of an adaptive process to stress, inflammation and pain by targeting genetic factors which are included in different anti-inflammatory and stress-regulating pathways. Conclusion: All three studies provide new insights into resilience in FMS patients. Cognitive coping (reappraisal/reinterpretation) plays a central role and thus offers therapeutic targets (reframing in the context of behavioral therapy). Religosity as a resilience factor was only partially valid for our patient cohort. Basically, the use of resource-oriented therapy in large institutions still requires research and interdisciplinary cooperation to create a consensus between the humanities, natural sciences and humanism.
Die Multiple Sklerose ist eine bisher nicht heilbare, chronisch-inflammatorische demyelinisierende Erkrankung des zentralen Nervensystems. Trotz intensiver Forschungsbemühungen ist der exakte Pathomechanismus nicht vollkommen verstanden. Klar ist jedoch, dass der Blut-Hirn-Schranke eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese zukommt. Seit Februar 2014 ist mit Dimethylfumarat ein neues orales Medikament für die schubförmige Multiple Sklerose zugelassen. Die Wirkungen von Fumarsäureestern auf humane zerebrale Endothelzellen als Grundsteine der Blut-Hirn-Schranke sind allerdings nur unzureichend untersucht.
Mehrere Forschungsgruppen demonstrierten an humanem Nabelschnurvenenendothel einen hemmenden Effekt von Fumarsäureestern auf die Adhäsion von Leukozyten und beschrieben eine Inhibition der Aktivierung des proinflammatorischen Transkriptionsfaktors NFB in den Endothelzellen. Aufgrund der charakteristischen Eigenschaften zerebralen Endothels ist eine Übertragung dieser Beobachtungen auf die Blut-Hirn-Schranke allerdings nicht ohne weiteres möglich. Daher galt es potentielle Effekte von Fumarsäureestern auf primäre humane zerebrale Endothelzellen als in vitro Modell der Blut-Hirn-Schranke zu überprüfen. Dabei wurden die Zellen nicht nur unter ruhenden Bedingungen, sondern auch unter inflammatorischer Stimulation mit TNF-α, IL-1 und IFN untersucht, einem Milieu, wie es in inflammatorischen MS Läsionen zu finden ist. In Leukozyten-Adhäsionsassays konnte durch Inkubation mit Monomethylfumarat und Dimethylfumarat keine funktionale Beeinflussung der Adhäsion von T-Lymphozyten an den verwendeten zerebralen Endothelzellen verzeichnet werden. Kongruent dazu fand sich in durchflusszytometrischen Analysen keine Hemmung der inflammatorisch vermittelten Expression des Adhäsionsmoleküls ICAM-1, welches eine tragende Rolle bei der Leukozytenmigration spielt. Inflammatorische intrazelluläre Signalwege, wie die NFB-Kerntranslokation oder die Phosphorylierung von p38 wurden in HECE im Gegensatz zu HUVEC durch Fumarsäureester ebenso wenig beeinflusst.
Diese in sich konsistenten Ergebnisse führen zu der Schlussfolgerung, dass im Gegensatz zu anderen Gefäßbetten weder Dimethylfumarat noch Monomethylfumarat direkt am zerebralen Endothel anti-inflammatorisch wirken.
Die Schlaganfallnachsorge in Deutschland wird von verschiedenen Leistungserbringern geprägt, die teilweise komplementäre und komplexe Dienstleistungen erbringen und sektorenübergreifend arbeiten. In Bad Neustadt wurde in Kooperation mit der Universität Würzburg und dem Zentrum für Telemedizin Bad Kissingen das Stroke Manager Programm entwickelt und evaluiert. Das strukturierte Nachsorgeprogramm Stroke Manager basiert auf einer standardisierten Informations- und Software Unterstützung von der Akutversorgung bis drei Monate nach Entlassung aus der stationären Versorgung.
Anhand der Ergebnisse des Stroke Manager Programms konnte eine vergleichsweise hohe Persistenz bzgl. der stationär verordneten medikamentösen Sekundärprävention über einen Zeitraum von drei Monaten festgestellt werden, ebenso konnten wir nachweisen, dass sich das Programm positiv auf die Versorgungsqualität sowie die Patientenzufriedenheit nach Schlaganfall auswirken kann. Die im Stroke Manager-Programm betreuten Schlaganfallpatienten wiesen im Vergleich signifikante Unterschiede bei den Faktoren Rauchverhalten, Schlaganfallschweregrad und subjektive, globale Lebensqualität auf.
Am Universitätsklinikum Würzburg wurden zwischen 2006-2015 447 Fälle einer akuten erregerbedingten Meningoenzephalitis in den Kliniken der Neurologie, Kinderklinik, Neurochirurgie und Psychiatrie behandelt. Es konnten sowohl Fälle durch Bakterien als auch Fälle durch Viren, Parasiten und Pilze gesichert werden. Diese Arbeit beschreibt die lokale Epidemiologie akuter erregerbedingter Meningoenzephalitiden.
Die tiefe Hirnstimulation ist eine etablierte und hocheffiziente operative Behandlungsmethode für Patienten mit idiopathischem Parkinson- Syndrom (IPS). Als Zielgebiet dient in den meisten Fällen der Nucleus subthalamicus. Die Indikationen zur Implantation einer tiefen Hirnstimulation (THS) sind medikamentös nicht behandelbare motorische Fluktuationen und Dyskinesien oder ein medikamentös nicht kontrollierbarer Tremor.
Bislang erfolgt eine kontinuierliche Stimulation. Little et al. konnten jedoch bereits in ihrer 2013 veröffentlichen Studie zeigen, dass eine adaptive Stimulation, gemessen am UPDRS, um 27 % effektiver war und entsprechend die Stimulationszeit um 56 % gesenkt werden konnte.
Voraussetzung für die Anwendbarkeit einer adaptiven Stimulation im klinischen Alltag ist der Nachweis eines oder mehrerer Physiomarker, welche als Rückkopplungssignal für den Stimulationsbeginn dienen. Diese Marker müssen verlässlich mit dem Auftreten und der Ausprägung der Bewegungsstörungen korrelieren. Die Systeme müssen die Signale auslesen und entsprechend darauf reagieren können, damit ein sogenanntes Closed- loop- Verfahren entstehen kann. Bei diesen Markern handelt es sich um sogenannte lokale Feldpotenzialaktivitäten, das heißt niederfrequente Potentialänderungen von Zellen in subkortikalen Arealen des Gehirns, welche über Elektroden der THS abgeleitet werden können. Der Stimulator Activa PC+S (Medtronic) ermöglicht es erstmalig Aufzeichnungen von LFP- Daten, außerhalb eines experimentellen Laboraufbaus, mittels dauerhaft implantiertem Gerät vorzunehmen und damit auch Langzeitanalysen durchzuführen.
Erkenntnisse vergangener Studien ergaben, dass die synchronisierte, pathologisch gesteigerte oszillatorische Aktivität im Beta-Frequenzband (13- 35 Hz) eine bedeutende Rolle im Bezug auf die Pathophysiologie des IPS spielt und als krankheitsspezifische Aktivität gilt. Es konnte bereits belegt werden, dass die Verbesserung der motorischen Symptome (Bradykinese und Rigor) mit dem Ausmaß der Suppression der Betaband- Aktivität korreliert. Die Betabandaktivität als lokale Feldpotentialaktivität kann als Physiomarker einer adaptiven Stimulation dienen.
Unser Hauptaugenmerk galt daher der Analyse der Betabandaktivität oder anderer Frequenzbereiche während des Schlafes um hier die THS bedarfsgerecht einzusetzen. Hierfür wurden nächtliche subkortikale LFP- Aufzeichnungen parallel zur Schlaf- Polysomnographie durchgeführt. Zudem erfolgte in der vorliegenden Arbeit sowohl in unserem Vorversuch als auch in unserem Hauptversuch die Anwendung des UPDRS Teil III zur Erfassung der motorischen Symptome, sowie die Durchführung von Fragebögen zur Erfassung der nicht- motorischen Symptome, insbesondere des Schlafes vor und nach Implantation der tiefen Hirnstimulation.
Wir konnten belegen, dass es nach Implantation der THS zu einer Erhöhung der Schlafeffizienz und zu einer Erhöhung des Anteils der Schlafstadien II und III und damit einhergehend zu einer Steigerung der Schlafqualität kommt. Übereinstimmend mit anderen Studien konnten wir zeigen, dass sich die Motorik unter Stimulation deutlich verbessert. Im Vorversuch reduzierte sich der mittlere präoperative MDS- UPDRS III im MedsOFF verglichen mit dem mittleren postoperativ MDS- UPDRS III im MedsOFF/StimON um 37 %. In der PC+S- Studie imponierte eine Reduktion um 67%. Zudem zeigte sich eine Reduktion der nicht- motorischen Symptome durch die THS, insbesondere in der Kategorie Schlaf. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit ergaben außerdem, dass die Betabandaktivität im Schlafstadium II und vor allem im Schlafstadium III am geringsten ist. Im Schlafstadium I und REM ist die Betabandaktivität höher als im Schlafstadium II und III. Hierbei war entscheidend, dass die Patienten eine klar abgrenzbare Betabandaktivität im Wachstadium aufwiesen und die Elektrodenkontakte im dorsolateralen Kerngebiet des STN lokalisiert waren.
Gegenläufig dazu verhält sich die Deltaaktivität. Sie ist im Schlafstadium II und besonders im Stadium III am höchsten. Stadium I ist mit durchschnittlich um 7,3 % niedriger als im Wachstadium. Am geringsten ist sie jedoch im REM-Schlafstadium.
Indem wir mit der Betabandaktivität und Deltaaktivität in den einzelnen Schlafstadien einen stabilen und reproduzierbaren Physiomarker finden konnten, sind wir unserem Ziel der adaptiven THS ein Stück näher gekommen.
Auch wenn die Ätiopathogenese von Morbus Parkinson bis heute nicht vollständig geklärt ist, scheint α-Synuclein (α-Syn) eine zentrale Rolle zu spielen. Die Entdeckung als genetische Ursache der Erkrankung, als Hauptbestandteil der Lewy-Körper (LK) und seine Assoziation mit verschiedenen anderen potenziellen ätiologischen Faktoren verdeutlichen dies.
Bei Ratten und Affen führte eine AAV1/2-vermittelte Überexpression von A53T-α-Syn zu einer Degeneration dopaminerger Neurone in der Substantia nigra (SN), einem striatalen dopaminergen Defizit sowie Verhaltensauffälligkeiten. In Anbetracht bestimmter Vorteile der Mausspezies, war es das Ziel dieser Dissertation - die im Rahmen eines kollaborativen Projektes mit dem Toronto Western Research Institut in Ontario, Kanada entstanden ist - dieses auf AAV1/2-A53T-α-Syn basierende Parkinson-Modell auf Mäuse zu übertragen.
Dazu wurde AAV1/2-A53T-α-Syn oder leerer AAV1/2-Vektor in einer Dosis von 1,5 µl mit einer Konzentration von 5,16 x 10^12 gp/ml stereotaktisch einseitig in die rechte SN von C57BL/6-wt-Mäusen injiziert. Über einen Zeitraum von 11 Wochen wurden verschiedene Verhaltensexperimente durchgeführt und die beiden Versuchstiergruppen miteinander verglichen. Post-mortem erfolgten verschiedene immunhistochemische Untersuchungen.
Es konnte gezeigt werden, dass die einseitige Injektion von AAV1/2-A53T-α-Syn in die SN bei Mäusen eine weit verbreitete Überexpression von A53T-α-Syn in dopaminergen Neuronen der SN induzierte, die innerhalb von 10 Wochen zu signifikanten frühen und persistierenden motorischen Verhaltensauffälligkeiten, nigrostriataler Degeneration und Entwicklung einer Lewy-ähnlichen Pathologie führte.
Durch die Generierung und Charakterisierung dieses neuen Parkinson-Mausmodells, das klinische und histopathologische Merkmale der menschlichen Erkrankung widerspiegelt, besteht nun die Möglichkeit es weiterzuentwickeln und z.B. auf transgene Mäuse zu übertragen, um u.a. molekulare Mechanismen der Parkinson-Krankheit zu entschlüsseln und präklinische Tests von krankheitsmodifizierenden Therapien durchzuführen.