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Hypophosphatasie (HPP) beschreibt eine seltene Erbkrankheit, die hauptsächlich durch heterozygote Mutationen im ALPL-Gen verursacht wird. Diese führen zu einer verminderten Aktivität der gewebeunspezifischen alkalischen Phosphatase (TNAP). Neben skelettalen Symptomen sind Zahnanomalien wie der vorzeitige Verlust von Milchzähnen ohne resorbierte Wurzel sowie eine gestörte Mineralisierung der Zahnhart-substanzen ein typisches Merkmal der HPP. Die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind bisher noch nicht vollständig verstanden.
In der vorliegenden Arbeit wurden Zelllinien des parodontalen Ligaments mit Mutationen im ALPL-Gen charakterisiert, um anschließend mögliche Therapiestrategien für die HPP auf molekularer Ebene zu untersuchen.
Im Rahmen der basalen Charakterisierung wurden die Zelllinien hinsichtlich der TNAP-Expression (Immunhistochemie, Western Blot), des Stoffwechselprofils (ATP-Assay) und des osteogenen Differenzierungspotenzials (Alizarin-Färbung) analysiert. Von Interesse war auch, ob durch CRISPR/Cas9-basiertes Genediting Off-Target Mutationen entstanden sind. Zur Untersuchung der molekularen Auswirkungen von PTH, welches die ALPL-Expression steigern kann, wurden zwei Protokolle etabliert, die eine kontinuier-liche, kurzzeitige bzw. intermittierende Präsenz von PTH in-vitro imitieren. Anschließend wurde die ALPL-Expression (qPCR) sowie TNAP-Aktivität (CSPD-Assay) ermittelt.
Die basale TNAP-Expression war variabel und reichte vom völligen Fehlen in den Zell-linien mit Deletionen bis hin zu einer starken TNAP-Expression in der Zelllinie mit einer heterogenen Punktmutation. Eine niedrige Expression ging mit einer verringerten Zell-proliferation sowie extrazellulären ATP einher. Es zeigte sich ein unterschiedliches Mineralisierungspotenzial, das hauptsächlich das TNAP-Expressionsniveau in den verschiedenen Zelllinien widerspiegelt, während die PTH-Stimulation keine Wirkung auf die Differenzierung hatte. Im Gegensatz zu klinischen Beobachtungen deuten die Ergebnisse auf eine hohe Korrelation zwischen Genotyp und Phänotyp in-vitro hin, die in-vivo noch bestätigt werden müssen. Die Sequenzierung bestätigte, dass durch die Geneditierung keine Off-Target Mutationen aufgetreten sind, welche somit keinen limitierenden Faktor hinsichtlich der Differenzierungskapazität darstellen können.
Die Stimulation mit PTH führte zwar nicht zu einer gesteigerten ALPL-Expression, doch konnte die TNAP-Aktivität in den ALPL-defizienten Zelllinien punktuell gesteigert werden und bildet somit eine solide Basis für weitere Experimente, die zur Therapieentwicklung für die Odonto-HPP beitragen können.
Humane mesenchymale Stromazellen (hMSCs) sind Interessengebiet der Forschung im Bereich des Tissue Engineering und werden häufig in Bezug auf Knorpelregeneration untersucht. Hierbei sind bereits mehrere potentielle Quellen nachgewiesen worden. Fokus dieser Disseration war die Vergleichende in vitro-Charakterisierung des Differenzierungspotentials von hMSCs von sechs verschiedenen Geweben des Kniegelenkes bei Patientinnen mit Gonarthrose um zu erforschen, welches Gewebe das meiste Potential für eine mögliche Extraktion von hMSCs birgt.
Hierfür wurden Zellen aus der Spongiose, dem Knorpelgewebe, des vorderen Kreuzbandes, der Menisken, der Synovialmebran sowie des Hoffa’schen Fettkörpers von fünf verschiedenen Spenderinnen isoliert und apidogen, osteogen sowie chondrogen differenziert sowie anschließend histologisch, immunhistochemisch und molekularbiologisch untersucht und die Ergebnisse miteinander verglichen. Hierbei wurde die zunächst der Nachweis erbracht, dass es sich bei allen Zellen um hMSCs handelt sowie anschließend gezeigt, dass alle Zellen ein multipotentes Differenzierungspotential aufweisen. Während kein statistisch relevanter Nachweis erbracht werden konnte, dass eine Zellquelle hierbei überlegen ist, scheinen die Zellen der Spongiosa sowie der Synovialmembran das vielversprechendste Potential zu bieten und eigenen sich somit als Quelle für weitere Forschung.
Die periprothetische Infektion (PPI) ist eine seltene aber schwerwiegende Komplikation nach Implantation einer Hüftprothese. Diese Arbeit hat verschiedene Aspekte bezüglich der Diagnostik und Definition der PPI untersucht. Der primäre Fokus lag auf der mikrobiologischen Punktionsdiagnostik und seiner Korrelation mit mikrobiologischen Befunden aus intraoperativen Proben. Zudem war die Gegenüberstellung der verschiedenen Definitionen einer PPI ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit. Des Weiteren wurden auch einige weitere Untersuchungsparameter der PPI untersucht und gegenübergestellt.
Die Coxarthrose ist eine häufige degenerative Erkrankung, deren Prävalenz mit steigendem Lebensalter zunimmt. Durch die steigende Lebenserwartung der Bevölkerung nimmt dementsprechend auch die Anzahl an Patienten mit Coxarthrose zu. Die Therapie besteht konservativ u.a. aus Physiotherapie und Analgesie. Reichen die konservativen Maßnahmen nicht aus, steht der totale Gelenkersatz in Form eine Totalendoprothese zur Verfügung. Bisher gibt es keine regenerativen Therapien, die den arthrotisch degenerierten Gelenkknorpel ersetzen können. Durch die Fähigkeit, sich in Knochen-, Fett- und Knorpelzellen zu differenzieren, ist in der Vergangenheit die mesenchymale Stammzelle in den Fokus der Forschung gerückt. Es wird vermutet, dass diese Stammzellpopulation das Potential besitzen könnte, den defekten Knorpel zu ersetzen. Diese Zellpopulation ist in vivo jedoch noch nicht ausreichend charakterisiert und es fehlen belastbare Daten, wie sich die (pathologische) Umgebung auf die MSC auswirkt. In den letzten Jahren sind diverse Populationen von MSC mit unterschiedlichen Eigenschaften entdeckt worden. Um die subchondralen Populationen aus arthrotischen Hüften genauer zu charakterisieren, wurde hier Reaming aus dem Acetabulum (ein bei der Hüft-TEP Implantation anfallendes chirurgisches Abfallprodukt) untersucht. Die enthaltenen Zellen wurden im Hinblick auf die zelluläre Signatur und donorenbezogenen Eigenschaften untersucht. Parameter, die untersucht wurden, waren das Alter, das Geschlecht, der BMI und der K&L Score. Außerdem wurde die zelluläre Signatur anhand bestimmter Oberflächenmarker untersucht. Weiterhin wurden die isolierten und kultivierten MSC untersucht, ob sie sich bzgl. ihrer Fähigkeit unterscheiden, sich in die adipogene bzw. osteogene Linie zu differenzieren. Eine Eigenschaft, die bisher bei allen Populationen von möglichen MNC bzw. MSC nachgewiesen wurde, ist ihre Fähigkeit Kolonien zu bilden - sog. CFU-F. Bei den durchgeführten Untersuchungen zeigte sich, dass aus allen erhaltenen Proben MSC in Form von CFU-F gewonnen werden konnten. Weiterhin waren alle Zellen in der Lage adipogen bzw. osteogen zu differenzieren. Signifikante Unterschiede in Bezug auf die Differenzierungseigenschaften konnten nicht festgestellt werden. Eine höhere CFU-F Bildung konnte aus dem Reaming von männlichen Donoren nachgewiesen werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich eine signifikant höhere Anzahl CD271-exprimierender Zellen im Reaming von männlichen Donoren befand. Ebenfalls konnte eine signifikante Zunahme für CD45- CD13+ CD105+ Zellen mit steigendem BMI nachgewiesen werden.
Durch diese umfassende Versuchsreihe konnte dargelegt werden, dass es in arthrotischen Hüften Unterschiede in der MSC Zahl im Vergleich der Geschlechter gibt und dass bestimmte Populationen von MSC mit steigendem BMI zunehmen. Um diese Ergebnisse einordnen zu können ist es in Zukunft notwendig zu untersuchen, ob diese Unterschiede allein durch die Arthrose bedingt sind oder ob dieser Unterschied auch im gesunden Knochenmark vorliegt.
The signal modelling framework JimenaE simulates dynamically Boolean networks. In contrast to SQUAD, there is systematic and not just heuristic calculation of all system states. These specific features are not present in CellNetAnalyzer and BoolNet. JimenaE is an expert extension of Jimena, with new optimized code, network conversion into different formats, rapid convergence both for system state calculation as well as for all three network centralities. It allows higher accuracy in determining network states and allows to dissect networks and identification of network control type and amount for each protein with high accuracy. Biological examples demonstrate this: (i) High plasticity of mesenchymal stromal cells for differentiation into chondrocytes, osteoblasts and adipocytes and differentiation-specific network control focusses on wnt-, TGF-beta and PPAR-gamma signaling. JimenaE allows to study individual proteins, removal or adding interactions (or autocrine loops) and accurately quantifies effects as well as number of system states. (ii) Dynamical modelling of cell–cell interactions of plant Arapidopsis thaliana against Pseudomonas syringae DC3000: We analyze for the first time the pathogen perspective and its interaction with the host. We next provide a detailed analysis on how plant hormonal regulation stimulates specific proteins and who and which protein has which type and amount of network control including a detailed heatmap of the A.thaliana response distinguishing between two states of the immune response. (iii) In an immune response network of dendritic cells confronted with Aspergillus fumigatus, JimenaE calculates now accurately the specific values for centralities and protein-specific network control including chemokine and pattern recognition receptors.
Prothesennahe osteolytische Läsionen in Form von Lysesäumen und Zysten sind wegen des Risikos einer aseptischen Lockerung mitunter die häufigsten Gründe für ein Prothesenversagen in der Sprunggelenkendoprothetik.
Die Genese dieser osteolytischen Läsionen ist aktuell noch nicht abschließend geklärt, bei weitestgehender Übereinstimmung in der Literatur jedoch multifaktoriell.
Die Dissertation befasst sich mit dem Vergleich des kurz- bis mittelfristigen radiologischen Outcomes zweier unterschiedlicher Spunggelenkendoprothesen, welche jedoch - bis auf die Befestigungsart des Inlays - nahezu baugleich sind.
Dabei wurde überprüft, ob die Befestigungsart des Inlays (mobil oder fixiert) einen Einfluss auf die Ausbildung periprothetischer Lysesäume und Zysten im Nachbeobachtungszeitraum hat. Es erfolgte zudem ein Vergleich der Survival Rates beider Gruppen.
Zu den jährlichen Nachbeobachtungszeiträumen wurden die angefertigten Röntgenbilder auf die Ausbildung von relevanten prothesennahen Zysten und Lysesäumen hin untersucht.
Zusammenfassend ergab sich zwischen den beiden Gruppen in Hinsicht auf die Entstehung prothesennaher Zysten sowohl bezüglich der Gesamtzahl sowie des betroffenen Knochens kein signifikanter Unterschied, obwohl Zysten in der Gruppe mit mobilem Inlay insgesamt häufiger auftraten.
Auch in Hinsicht auf die Entstehung von Lysesäumen gab es bezüglich der Gesamtzahl keinen signifikanten Unterschied.
In der Gruppe mit fixiertem Inlay kamen allerdings prothesennahe Lysesäume in der Tibia signifikant häufiger vor als in der Gruppe mit mobilem Inlay.
In Hinsicht auf die Survival Rates zeigte sich ebenfalls kein signifikanter Unterschied.
Weitere prospektive, randomisierte Studien mit größeren Patientenkollektiven und längerem Followup werden nötig sein, um im Verlauf einen zu erwartenden signifikanten Unterschied zwischen beiden Prothesengruppen bezüglich der Entstehung prothesennaher osteolytischer Läsionen und ein konsekutives Prothesenversagen feststellen zu können.
Im Rhön-Klinikum wurden von 2012 bis 2015 49 Patient*innen wegen eines Glenoiddefektes mittels offenem Beckenkammspantransfer mit Kapselshift bei anteriorer Schulterinstabilität behandelt. 27 Patienten konnten in dieser Studie eingeschlossen werden (Einschlusskriterien: Follow-up von mindestens 12 Monaten, kompletter präoperativer 3D-CT-Datensatz / Ausschlusskriterien: traumatische Schulterluxation oder Voroperation der kontralateralen Schulter). Ziel der Studie war es, das kurz- bis mittelfristige klinische Outcome dieser Kohorte zu erfassen, der Vergleich mit Ergebnissen anderer Arbeitsgruppen und der Vergleich von präoperativ verwendeten Messmethoden (Chuang- bzw. Wambacher-Methode) für den Glenoiddefekt. Bei einem mittleren Follow-up von 27,11 Monaten zeigten sich überwiegend gute bis exzellente kurz- bis mittelfristige OP-Ergebnisse (Rowe-Score: 84,81, Oxford-Shoulder-Score: 20,56, WOSI-Score: 371, Constant-Score: 86,74). Die OP-Methode eignet sich gut für Patient*innen, die mehrfach voroperiert sind, multiple Luxationsereignisse hatten sowie für diejenigen mit relevanter Hyperlaxizität, bei denen eine Latarjet-Operation kontraindiziert ist. Die OP-Methode ist gut anwendbar bei Patient*innen mit subkritischem Glenoidverlust < 20 %, wenn zusätzliche Sekundärfaktoren vorliegen. Eine postoperative Omarthrose ist ein Risikofaktor für ein signifikant schlechteres Outcome. Die Gesamtkomplikationsrate lag bei 25,9%, der Großteil hiervon (18,3%) waren innerhalb kurzer Zeit reversibel. Die Reluxationsrate lag bei 3,7%. Bei allen Studienteilnehmenden kam es zum Span-Remodelling ohne Schraubenlockerung oder Spanbruch. Eine übermäßige Spanresorbtion erfolgt antero-inferior, während um die Osteosyntheseschrauben eine Überkontur persistiert. Die Glenoiddefekte lagen bei 23,39 % (Chuang) bzw. 22,06 % (Wambacher). Es zeigte sich eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse beider Methoden, allerdings lagen die Werte nach Chuang signifikant höher.
Beinachsenfehlstellungen im Kindesalter zählen zu den häufigsten Wachstums- und Entwicklungsstörungen der unteren Extremitäten. Eine daraus resultierende Prädisposition für degenerative Erkrankungen begründet die Bedeutung der operativen Korrektur bei noch geöffneten Wachstumsfugen mittels temporärer Hemiepiphyseodese.
Zur Beurteilung des Therapieerfolges wurden insgesamt 140 Beinachsen mit idiopathischen Achsfehlstellungen retrospektiv betrachtet. In den Jahren 2017 bis 2021 wurden mit der VaWiKo® EPI-PLATTE und der PediatrOS™ FlexTack™ zwei unterschiedliche Implantate zur temporären Hemiepiphyseodese in der kinderorthopädischen Klinik des Marienstift Arnstadt verwendet. Entsprechend der verwendeten Implantate erfolgte die Einteilung in zwei Patientengruppen, die sowohl klinisch als auch radiologisch jeweils prä- und postoperativ gegenübergestellt wurden.
Bei Patienten/-innen mit einer Beinachsenkorrektur durch die VaWiKo® EPI-PLATTE ergab sich durchschnittlich eine signifikant kürzere Explantationsdauer (EP 26,05 min; FT 35,60 min) sowie eine kürzere Durchleuchtungszeit in Winkelminuten (EP 0,03; FT 0,07) im Rahmen der Explantation. Dem gegenüber steht die signifikant kürzere stationäre Aufenthaltsdauer in Tagen bei der Im- und Explantation der PediatrOS™ FlexTack™. (EP 5,43/ 3,73; FT 4,52/ 3,35). In Bezug auf die zur Wachstumskorrektur benötigten Zeit in Tagen resultiert in der Varus-Gruppe ein signifikanter Unterschied zugunsten der PediatrOS™ FlexTack™, (EP 517; FT 299) wohingegen sich in der Valgus-Gruppe kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Implantaten zeigte (EP 343; FT 334). Zusammenfassend traten zwei Komplikationen auf, die jeweils Kinder aus der PediatrOS™ FlexTack™-Gruppe betrafen.
Sowohl die PediatrOS™ FlexTack™ als auch die VaWiKo® EPI-PLATTE konnten die gewünschte Beinachsenkorrektur erzielen. Die in der Literatur mit der PediatrOS™ FlexTack™ in Verbindung gebrachten kürzeren Implantations- und Durchleuchtungszeiten sowie die kürzeren Therapiedauern des Genu valgum konnten im Vergleich zur VaWiKo® EPI-PLATTE nicht bestätigt werden.
Im Rahmen dieser retrospektiven Studie zur Madelung-Deformität wurden 23 Hände von 16 Patienten, welche in einem Zeitraum von 17,5 Jahren mit einer Radiuskorrekturosteotomie (RKO) oder eine Physiolyse mit Vickers-Band-Entfernung (PHY) behandelt wurden, nachuntersucht und bezüglich des OP-Outcomes verglichen. Die Gruppe RKO umfasste 14 Hände mit einem Durchschnittsalter von 22 Jahren und einer durchschnittlichen Follow-Up-Zeitraum von 7 Jahren. Die Gruppe PHY bestand aus 9 Händen mit einem Durchschnittsalter von 13 Jahren und einem mittleren Follow-Up-Zeitraum von 5 Jahren.
In unserem Kollektiv konnte die Radiuskorrektur eine Verbesserung bezüglich der Schmerzen, des subjektiven Gesundheitsstatus, der Beweglichkeit und der radiologischen Ausprägung der Deformität herbeiführen. Die vorliegenden Ergebnisse stützen damit die aus der bisherigen Literatur ableitbare Vermutung, dass dieses Verfahren zur Therapie der Madelung-Deformität geeignet ist. Die Physiolyse mit Vickers-Band-Entfernung konnte die Progredienz der Erkrankung in unserer Stichprobe nicht suffizient aufhalten, wie es anhand der bisherigen Literatur allerdings zu erwarten gewesen wäre. Infolgedessen kam es in der Gruppe PHY zu einer Zunahme der Schmerzen und der Ausprägung der Deformität sowie einer Verschlechterung des Gesundheitsstatus. Der Grund hierfür lag wahrscheinlich im, verglichen mit der bisherigen Literatur, relativ hohen Durchschnittsalter der Gruppe. Es lässt sich schlussfolgern, dass die Physiolyse mit Vickers-Band-Entfernung ihre Wirkung vor allem im Kindesalter voll entfaltet.
Im Einklang mit der bisherigen Literatur konnte keine Korrelation zwischen den aktuellen radiologischen und klinischen Befunden beobachtet werden. Jedoch zeigte sich ein augenscheinlicher Zusammenhang zwischen der Veränderung der radiologischen Parameter und der Veränderung des klinischen Befindens, was einen Nutzen der McCarroll-Parameter im Rahmen der OP-Planung nahelegt.
Die Hypophosphatasie (HPP) ist eine seltene Erberkrankung, welche durch compound-heterozygote oder dominant negative heterozygote Mutationen des ALPL Gens zu einem Funktionsverlust der gewebeunspezifischen Alkalischen Phosphatase (TNAP) führt. Die daraus resultierenden Mineralisierungsstörungen betreffen sowohl den Knochen als auch in milderen Ausprägungsformen die Zähne und den Zahnhalteapparat. Das zahnmedizinische Leitsymptom und in vielen Fällen das erste Anzeichen der HPP ist dabei der vorzeitige Verlust der Milchzähne ohne physiologische Wurzelresorption. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene TNAP defiziente immortalisierte Zellen des parodontalen Ligaments (PDL) mittels der CRISPR/Cas9 Methode generiert und anschließend fünf Zelllinien charakterisiert. Die dabei entstandenen Mutationen variierten von einer moderaten heterozygoten Punktmutation zu einer schwerwiegenden homozygoten Deletion eines einzelnen Nukleotids, welche in einem vorzeitigen Stopcodon resultierte. Analysen der ALPL Expression (qPCR), TNAP Aktivitätsmessungen (CSPD Assay) und TNAP Färbungen zeigten einen signifikanten Rückgang in allen TNAP-defizienten Zelllinien mit einer starken Korrelation zwischen der Restaktivität und dem Ausmaß der Mutation, welche in Einklang mit der komplexen Genotyp-Phänotyp Korrelation bei HPP zu bringen ist. Das Potential der osteogenen Differenzierung der hTERT PDL Zellen wurde in der homozygot mutierten Zelllinie komplett unterdrückt. Mögliche Mechanismen des vorzeitigen Zahnverlustes bei HPP Patienten ist die geminderte Formation und Mineralisation des Wurzelzements und die fehlerhafte Insertion der parodontalen Fasern. Die hier erstmalig etablierten Zellkulturmodelle liefern ein valides spenderunabhängiges in vitro Modell der HPP, welches dazu beitragen kann, die molekularbiologischen Zusammenhänge der dentalen Aspekte der Hypophosphatasie zu ergründen und daraus gegebenenfalls neue Therapieansätze abzuleiten.
Humane mesenchymale Stromazellen sind in der Lage in osteogene Zellen zu differenzieren, und für diese osteogene Differenzierung ist mechanische Belastung ein relevanter Kostimulus. Mechanotransduktion hat zur Folge, dass second messenger wie cAMP und cGMP gebildet werden und sich die Ca2+-Konzentration erhöht, welche wiederum Transkriptionsfaktoren aktivieren, die die Regulation von Genen osteogener Marker vermitteln. Die second messenger cAMP und cGMP werden abgebaut durch Phosphodiesterasen, jedoch ist die Rolle dieser Phosphodiesterasen während der osteogenen Differenzierung oder Mechanotransduktion weiterhin unklar.
Das Ziel dieser Arbeit war es, herauszufinden, inwieweit im Besonderen die Phosphodiesterase 10A einen Einfluss nimmt auf die osteogene Differenzierung und die Mechanotransduktion von mesenchymalen Stromazellen und inwiefern sie dabei die cAMP-abhängigen Signalwege moduliert. Langfristig soll hiermit herausgefunden wer-den, welche Bedeutung die PDE10A auf altersinduzierte Krankheiten hat, wobei der Fokus zunächst auf der Osteoporose liegen soll.
Um dies zu erreichen, wurden experimentelle Versuche zunächst mit HEK293- und hMSC-TERT-Zellen als Modell für mesenchymale Stromazellen durchgeführt, dann auch mit den mesenchymalen Stromazellen selbst. Untersucht wurde der Einfluss des PDE10A-Inhibitors Papaverin auf die Zellen und auf deren mechanische Induzierbarkeit, sowieso auf die osteogene Differenzierung der hMSC. Außerdem wurden weitere mechanische Versuche durchgeführt, zur Überprüfung des Effekts der Phosphodiesterase 10A.
Es wurde beobachtet, dass die Inhibierung von PDE10A mit Papaverin die osteogene Differenzierung und Mineralisierung vermindert. Außerdem gab es einen ersten Hinweis, dass eine Überexpression von PDE10A schwächenden Einfluss nimmt auf die Expression mechanoresponsiver Gene.
Nachfolgend auf diese Arbeit wurde erkannt, dass die Expression von mechanoresponsiven Genen durch die PDE10A-Inhibition unterdrückt wird.
Der adenovirale SOX9-Gentransfer induziert nach 3-wöchiger in vitro Pelletkultur die chondrogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen in Pelletkultur wirksamer als der TGFB1 Gentransfer mit geringerer Chondrozytenhypertrophie. Eine solche Technologie könnte zukünftig in vivo die Bildung von stabilerem hyalinem Knorpelregeneratgewebe ermöglichen.
Patienten mit monoklonaler Gammopathie unklarer Signifikanz haben ein erhöhtes Risiko an einer Osteoporose, Knochenbrüchen oder einer reduzierten Leistungsfähigkeit zu leiden. Bisher hat sich noch keine Therapie zur Prävention dieser Komplikationen etabliert. Das Ziel unserer Studie war es, WBV als eine mögliche Trainingsmethode zu prüfen und den Einfluss auf die Fitness, Alltagsaktivität und Lebensqualität von Patienten mit monoklonaler Gammopathie zu untersuchen. Hierfür haben 15 Probanden mit MGUS/SMM ein Trainingsprogramm über 3 bzw. 6 Monate mit zwei Trainingseinheiten pro Woche für jeweils 30 Minuten absolviert. Die körperliche Leistungsfähigkeit wurde anhand verschiedener Funktionstests sowie der Erhebung von Körpermaßen betrachtet. Die Alltagsaktivität wurde mittels Fitnesstrackern untersucht. Anhand von 3 verschiedenen Fragebögen wurde zudem der Einfluss auf die Lebensqualität der Probanden durch das Training ermittelt. Zusammenfassend zeigte sich eine deutliche Verbesserung der Fitness und Ausdauer der Probanden, die Alltagsaktivität und die Lebensqualität wurden nicht durch das Vibrationstraining beeinflusst.
This work developed during the first funding period of the subproject B05 in the framework of the interdisciplinary research consortium TRR 225 ‘From the Fundamentals of Biofabrication toward functional Tissue Models’ and was part of a cooperation between the Orthopedic Department represented by Prof. Dr. Regina Ebert and the Institute of Organic Chemistry represented by Prof. Dr. Jürgen Seibel.
This project dealed with cellular behavior during the bioprinting process and how to influence it by modifying the cell glycocalyx with functional target molecules. The focus was on the impact of potential shear stress, that cells experience when they get processed in thermoresponsive bioinks, and a way to increase the cell stiffness via metabolic glycoengineering to attenuate shear forces. For the characterization of the metabolic glycoengineering, four different peracetylated and four non-acetylated modified monosaccharides (two mannose and two sialic acid sugars) were tested in primary human mesenchymal stromal cells (hMSC) and telomerase-immortalized hMSC (hMSC-TERT). Viability results demonstrated a dose-dependent correlation for all sugars, at which hMSC-TERT seemed to be more susceptible leading to lower viability rates. The assessment of the incorporation efficiencies was performed by click chemistry using fluorescent dyes and revealed also a dose-dependent correlation for all mannose and sialic acid sugars, while glucose and galactose variants were not detected in the glycocalyx. However, incorporation efficiencies were highest when using mannose sugars in the primary hMSC. A subsequent analysis of the temporal retention of the incorporated monosaccharides showed a constant declining fluorescence signal up to 6 d for azido mannose in hMSC-TERT, whereas no signal could be detected for alkyne mannose after 2 d. Investigation of the differentiation potential and expression of different target genes revealed no impairment after incubation with mannose sugars, indicating a normal phenotype for hMSC-TERT. Following the successful establishment of the method, either a coumarin derivative or an artificial galectin 1 ligand were incorporated into the cell glycocalyx of hMSC-TERT as functional target molecule. The biophysical analysis via shear flow deformation cytometry revealed a slightly increased cell stiffness and lowered fluidity for both molecules. A further part of this project aimed to control lectin-mediated cell adhesion by artificial galectin 1 ligands. As that hypothesis was settled in the work group of Prof. Dr. Jürgen Seibel, this work supported with an initial characterization of galectin 1 as part of the hMSC biology. A stable galectin 1 expression at gene and protein level in both hMSC and hMSC-TERT could be confirmed, at which immunocytochemical stainings could detect the protein only in the glycocalyx. The treatment of hMSC-TERT with a galectin 1 ligand in different concentrations did not show an altered gene expression of galectin 1. However, these first data in addition to the investigation of stiffness confirmed the applicability of specific and artificial
IV
galectin 1 ligands in biofabrication approaches to alter cell properties of hMSC. To conclude, metabolic glycoengineering has been successfully implemented in hMSC and hMSC-TERT to introduce glycocalyx modifications which reside there for several days. A proof of concept was carried out by the increase of cell stiffness and fluidity by the incorporation of a coumarin derivative or an artificial galectin 1 ligand.
For the characterization of shear stress impact on cells after printing in thermoresponsive bioinks, the processing of hMSC-TERT (mixing or additionally printing) with Pluronic F127 or Polyoxazoline-Polyoxazine (POx-POzi) polymer solution was investigated. While there were no changes in viability when using POx-POzi bioink, processing with Pluronic F127 indicated slightly lower viability and increased apoptosis activity. Assessment of cellular responses to potential shear stress showed no reorganization of the cytoskeleton independent of the bioink, but highly increased expression of the mechanoresponsive proto-oncogene c Fos which was more pronounced when using Pluronic F127 and just mixed with the bioinks. Interestingly, processing of the mechanoresponsive reporter cell line hMSC-TERT-AP1 revealed slightly elevated mechanotransduction activity when using POx-POzi polymer and just mixed with the bioinks as well. In conclusion, hMSC-TERT embedded in thermoresponsive bioinks might shortly experience shear stress during the printing process, but that did not lead to remarkable cell damage likely due to the rheological properties of the bioinks. Furthermore, the printing experiments also suggested that cells do not sense more shear stress when additionally printed.
Testosterone deficiency in males is linked to various pathological conditions, including muscle and bone loss. This study evaluated the potential of different training modalities to counteract these losses in hypogonadal male rats. A total of 54 male Wistar rats underwent either castration (ORX, n = 18) or sham castration (n = 18), with 18 castrated rats engaging in uphill, level, or downhill interval treadmill training. Analyses were conducted at 4, 8, and 12 weeks postsurgery. Muscle force of the soleus muscle, muscle tissue samples, and bone characteristics were analyzed. No significant differences were observed in cortical bone characteristics. Castrated rats experienced decreased trabecular bone mineral density compared to sham-operated rats. However, 12 weeks of training increased trabecular bone mineral density, with no significant differences among groups. Muscle force measurements revealed decreased tetanic force in castrated rats at week 12, while uphill and downhill interval training restored force to sham group levels and led to muscle hypertrophy compared to ORX animals. Linear regression analyses showed a positive correlation between bone biomechanical characteristics and muscle force. The findings suggest that running exercise can prevent bone loss in osteoporosis, with similar bone restoration effects observed across different training modalities.
Knochenmetastasen sind unter den drei häufigsten Manifestationsorten metastatischer Absiedelungen von fortgeschrittenen Tumorerkrankungen. Dabei sind insbesondere Patientinnen und Patienten mit Prostata- und Mammakarzinom von Knochenmetastasen betroffen. Diese Knochenmetastasen führen häufig zu einer deutlichen Verschlechterung der Lebensqualität und zu einer Begrenzung der Therapieoptionen auf lediglich palliative Ansätze.
Die biologisch aktive Form von Vitamin D3, 1,25(OH)2-Vitamin D3, zeigt in präklinischen Studien antiproliferative und differenzierende Effekte auf Tumorzellen (101, 102, 104), die haupsächlich durch die Bindung an den Vitamin D-Rezeptor (VDR) vermittelt werden. Darüberhinaus konnte präklinisch gezeigt werden, dass eine niedrige Expression des VDRs, ligandenunabhängig, die Knochenmetastasierung und das Tumorwachstum begünstigt (118). Eine niedrige VDR-Expression ist in Primärtumoren in klinischen Studien mit aggressiven Tumoreigenschaften assoziiert (111, 113, 115) und kann zudem mit einer erhöhten/früheren ossären Metastasierung einhergehen (167). Zudem gibt es Hinweise auf einen dysregulierten 1,25(OH)2-Vitamin D3-Katabolismus durch eine erhöhte Expression des 1,25(OH)2-Vitamin D3 katabolisierenden Enzyms CYP24A1/24-Hydroxylase in primärem Tumorzellen (70, 121, 122). Durch die Untersuchungen der Primärtumoren ist damit zu hypothetisieren, dass die Expression des VDRs und von CYP24A1 bei der Tumorprogression und Knochenmetastasierung von Bedeutung sein könnte. Entsprechende Untersuchungen des VDRs und der 24-Hydroxylase in Knochenmetastasen fehlen allerdings. Deshalb wurde in dieser Arbeit die Expression des VDRs und von CYP24A1 in Knochenmetastasen unterschiedlicher Primärtumoren von 66 Patientinnen und Patienten untersucht und mögliche Assoziationen mit aggressiven Tumoreigenschaften analysiert.
Der VDR konnte sowohl im Zytoplasma als auch im Nukleus nachgewiesen werden, während CYP24A1 nur im Zytoplasma lokalisiert war. Dabei wiesen insgesamt 71 % der Knochenmetastasen eine hohe VDR-Expression im Nukleus und 56 % im Zytoplasma auf. 59 % der Knochenmetastasen wiesen eine hohe Expression des VDRs insgesamt auf. CYP24A1 war ebenso in 59 % der Knochenmetastasen hoch exprimiert. Bei der Auswertung des Zusammenhangs zwischen den TNM-Stadien und des Gradings zeigte sich ein nicht signifikanter Trend von schlecht differenzierten Tumoren hin zu einer niedrigeren nukleären VDR-Expression (p=0.07, siehe Abbildung 33). Bezüglich der T-Stadien zeigten sich keine Unterschiede der Expression des VDRs und von CYP24A1 in den Knochenmetastasen zwischen lokal fortgeschrittenen und kleinen Primärtumoren. Weiterhin hatten Patientinnen und Patienten mit Lymphknotenmetastasen tendenziell eine verminderte VDR- und auch CYP24A1-Expression in den Knochenmetastasen im Vergleich zu Patienten und Patientinnen ohne Lymphknotenmetastasen (pVDR=0.15, pCYP24A1=0.06, siehe Abbildung 35). Außerdem hatten Patientinnen und Patienten mit multiple metastasierten Tumoren eine signifikant niedrigere nukleäre VDR- und auch CYP24A1-Expression im Vergleich zu Patientinnen und Patienten mit ausschließlich ossärer Metastasierung (pVDR=0.03, pCYP24A1=0.01, Abbildung 36). Die Proteinexpression des VDRs- und von CYP24A1 korrelierten signifikant (p=0.001).
Somit konnte mit dieser Arbeit die Proteinexpression des VDRs und von CYP24A1 in Knochenmetastasen durch Immunhistologie nachgewiesen werden. Insgesamt wurde der VDR und CYP24A1 von Knochenmetastasen diverser Entität unterschiedlich stark exprimiert. Jedoch könnten insbesondere Patienten mit VDR-exprimierenden Knochenmetastasen von einer Vitamin D3-Supplementierung profitieren, die häufig einen 25-OH-Vitamin D3 Mangel zeigen (165, 166). Ebenso könnte eine Untersuchung auf einen niedrigen VDR-Status in Primärtumoren dabei helfen, Krebspatienten mit einem hohen Metastasierungsrisiko zu identifizieren. Allerdings sind weitere und größere Studien inbesondere mit Evaluation des gesamten Vitamin D-Metabolismus und -Signalwegs notwendig, um diesen Zusammenhang weiter zu untersuchen.
Die Rekonstruktion der Anatomie einer nativen Hüfte sowie deren natürlichen Biomechanik ist eine essenzielle Voraussetzung für eine zufriedenstellende Funktion einer Hüftprothese. Diese Studie beschäftigte sich mit dem Zusammenhang der Veränderung des Femoralen Offsets (FO) und dem klinischen Outcome der Patienten nach Hüftprothesenwechsel.
88 Patienten, welche sich einem Hüftprothesenwechsel unterzogen, wurden untersucht. Es wurden in prä- und postoperativen Beckenübersichtsaufnahmen das Femorale Offset, sowie weitere statische Parameter gemessen und verglichen. Die Ergebnisse wurden mit dem klinischen Outcome korreliert. Dies erfolgte anhand des Harris Hip Score (HHS), der Visuellen Analogskala (VAS) und des Merle d’Aubigne und Postel Score (MdAS).
Bezüglich der Rekonstruktion des FO kam es zu einem zufriedenstellenden Ergebnis. In 22,6% konnte ein gleichgroßes, in 54% ein vergrößertes und in 22% ein verkleiner- tes FO gemessen werden. Das klinische Outcome ergab durchschnittlich ein gutes bis sehr gutes klnisches Ergebnis in allen erhobenen Scores (Gesamtpunktzahl: HHS 75,09; MdAS 14,36; VAS 0,71). Ein signifikant besseres Ergebnis hinsichtlich der Beweglichkeit und Funktionalität wurde bei gleichbleibendem und vergrößertem FO in allen klinischen Tests (VAS, HHS, MdAS) erzielt. Bei verkleinertem FO traten jedoch weniger Schmerzen auf.
Die Rekonstruktion des FO ist nachweislich von Bedeutung für das klinische Outcome nach Hüftprothesenwechsel. Sie beeinflusst den Hebelarm der Muskulatur, was bei einem vergrößertem FO zu einer verbesserten Beweglichkeit und Funktionalität des Gelenkes führt, jedoch auch aufgrund der Dehnung des Bandapparats und der Muskulatur eine vermehrte Schmerzsymptomatik verursachen kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit decken sich mit ähnlichen Studien, welche das FO bei primärer H-TEP- Implantation untersuchten.
Die AC-Sprengung ist eine weit verbreitete Verletzung des Schultergürtels und am häufigsten auf einen Sportunfall vorwiegend junger Männer zurückzuführen. Die optimale Therapie wird kontrovers diskutiert, keine der rund 150 OP-Methoden hat sich bisher als den anderen überlegen erwiesen. Allerdings gelten Operationen, bei denen das AC-Gelenk temporär durch eine intramedulläre Schienung per Kirschner-Draht ruhiggestellt wird, als sehr zuverlässig. Sie sind aufgrund einer sehr variablen Anatomie jedoch auch für erfahrene Operateure technisch anspruchsvoll. Ziel dieser Arbeit ist es daher, mithilfe der gewonnenen Kenntnisse zur idealen Lage eines K-Drahtes das operative Vorgehen zur temporären Transfixation des ACGs künftig durch eine gezieltere Platzierung zu erleichtern, somit die Operationsmethode zu optimieren und folglich das Outcome zu verbessern.
Für diese Arbeit wurden bereits vorliegende anonymisierte computertomographische Daten gesunder AC-Gelenke nach ihrer physiologischen Anatomie sowie der Lage eines virtuell ideal platzierten transartikulären K-Drahtes ausgewertet. Hierfür wurden CT-Daten von insgesamt 66 Schultern herangezogen, der Epidemiologie der AC-Sprengung entsprechend waren hiervon 59 Patienten und 7 Patientinnen zuzuordnen.
Die erhobenen Daten zeigen, dass die Lage des Eintrittspunktes idealerweise durch den orthogonalen Abstand des Drahtes zur Acromionspitze definiert wird und durchschnittlich 12,89 mm beträgt. Er ist primär abhängig von der Körpergröße und kann daher präoperativ anhand einer Regressionsgeraden individuell für jeden Patienten bestimmt werden.
Der Drahtverlauf sollte primär durch Zielen auf den markierten Austrittspunkt definiert werden. Das Abschätzen der Bohrrichtung anhand von Winkeln erscheint nahezu unmöglich.
Die Drahtlänge beläuft sich im Mittel auf 58,06 mm. Je kleiner der AC-Winkel ist, desto steiler und auch kürzer zeigt sich der Drahtverlauf.
Die Lage des Austrittspunktes korreliert ebenfalls signifikant mit dem AC-Winkel und kann daher nach erfolgter Winkelmessung im Röntgenbild anhand einer Regressionsgeraden abgelesen werden. Der mithilfe der Daten ermittelte Austrittspunkt eines ideal platzierten K-Drahtes befindet sich durchschnittlich auf Höhe des lateralen Claviculawinkels und somit auf Höhe der CC-Bänder.
Bei der nur geringen Fallzahl weiblicher Patienten besteht eine noch eingeschränkte Aussagekraft bezüglich geschlechtsabhängiger Lageunterschiede. Nach bisher vorliegenden Daten kann eine geschlechtsunabhängige OP-Planung erfolgen. Relevante ACG-Typ abhängige Lageunterschiede konnten ebenfalls nicht festgestellt werden, eine präoperative Bestimmung des anatomischen ACG-Typs ist daher nicht erforderlich.
Die erhobenen Daten deuten darauf hin, dass die ideale Drahtplatzierung unter Einhaltung aller Drahtlagekriterien nicht immer möglich ist. Betroffen sind kleine Patienten (Grenzwert: 158,6 cm Körpergröße), bei denen der Mindestabstand zur Acromionspitze nicht sichergestellt werden kann. Zudem besteht bei Patienten mit einem kleinen AC-Winkel (Grenzwert: 156,2°) das Risiko, die Mindestdrahtlänge innerhalb der Clavicula zu unterschreiten. In diesen Fällen muss entweder dezent von der idealen Drahtlage abgewichen oder auf ein alternatives OP-Verfahren ausgewichen werden.
Aufgrund der immer älterwerdenden Bevölkerung kommt der Prävention von altersbedingten muskuloskelettalen Erkrankungen wie der Osteoporose und der Sarkopenie eine herausragende Bedeutung zu. Insbesondere für die Sarkopenie gibt es heute und auf absehbare Zeit keine kausale medikamentöse Therapie. Somit stellt der Erhalt einer intakten Muskulatur durch körperliche Aktivität die zentrale Säule für eine langfristig muskuloskelettale Gesundheit dar. Die aktuelle, wissenschaftliche Datenlage zeigt hierbei für progressives Krafttraining im Alter valide Ergebnisse. Durch die gezielte Beanspruchung der Muskulatur kann bis ins hohe Alter dem natürlichen Verlust der Muskelmasse und -qualität entgegengewirkt werden. Ein gezieltes Training der Wirbelsäule-umgebenden Muskulatur ist vor allem bei Menschen mit Osteoporose sinnvoll. Durch starke Rückenmuskeln werden wichtige Alltagsbewegungen unterstützt und das Sturzrisiko kann reduziert werden. Ein klassisches progressives Krafttraining ist jedoch bei älteren Menschen nicht immer durchführbar, da diese oft an zusätzlichen Erkrankungen leiden, welche ein intensives Krafttraining verbieten, oder allgemein zu schwach für eine solche Trainingsmodalität sind. Ziel dieser Studie war zusätzlich zum Krafttraining alternative Trainingsmethoden zu testen, welche einfach und sicher im Alter integrierbar sind und keine sportlichen Vorkenntnisse der Teilnehmer erfordern. Im Fokus stand dabei die Kräftigung der Rumpfmuskulatur. Alternativ zum klassischen, progressivem Krafttraining (KT) wurden daher sogenannte Low-Impact-Methoden getestet, konkret handelte es sich dabei um Ganzkörpervibrationstraining (WBV), das tägliche Tragen einer federnden Rückenorthese (OT) und Qi Gong (QG) als atmungs- und bewegungsorientiertes Konzept.
Das Krafttraining zeigte dabei die größten Verbesserungen in der Rumpfkraft, dem primären Endpunkt der Studie. Bei der Extensionskraft zeigte sich eine Zunahme von 28,0%. (p=0,008) und bei der Flexionskraft von 17,2% (p=0,008). Doch auch das WBV-Training und das Tragen der Rückenorthese zeigten Verbesserungen der Rumpfkraft. Das QG-Training zeigte kaum Veränderungen der Rumpfkraft. Im Gruppenvergleich war die KT-Gruppe der QG-Gruppe in der Entwicklung der Extensionskraft signifikant überlegen. Auch wenn die alternativen Trainingsmethoden keine signifikanten Ergebnisse im primären Endpunkt dieser Studie zeigten, kam es zu signifikanten Verbesserungen in den sekundären Endpunkten. In der WBV-Gruppe kam es zu einem signifikanten Anstieg der Handkraft (p=0,023) und im CRT (p=0,007). In der OT-Gruppe war der CRT signifikant besser geworden (p=0,003). In der QG-Gruppe kam es zu tendenziellen Verbesserungen einiger Leistungsparameter, jedoch waren diese statistisch überwiegend nicht signifikant. Ein wesentlicher Aspekt dieser Arbeit war jedoch, dass unabhängig von der jeweiligen Trainingsmodalität, vor allem die Teilnehmer, die ein erhöhtes Risiko für muskuläre Defizite hatten, also Probanden ≥80 Jahre, Menschen mit präsarkopenem Muskelstatus, oder multimorbide Teilnehmer, am meisten von den Trainingsinterventionen profitierten. Hier fiel vor allem die signifikante Zunahme der Rumpfflexion in allen drei Subgruppen auf. Bei den Probanden ≥80 Jahren kam es in der Rumpfflexion zu einer Zunahme von 10,3% (p=0,017), bei den präsarkopenen Probanden von 2,9% (p=0,035) und bei den Multimorbiden von 16,3% (p=0,001). Eine starke Rumpfvorderseite führt zu einer aufrechten Haltung, ermöglicht Alltagsaktivitäten wie Treppensteigen oder das Aufstehen von einem Stuhl und kann durch eine verbesserte Balance das Sturzrisiko vermindern. Bedeutsam ist auch, dass die Muskelmasse bei den präsarkopenen Probanden, unabhängig vom Training, signifikant gestiegen war und somit Sport auch bei einer reduzierten Muskelmasse sehr effektiv sein kann. Zudem verbesserte sich der CRT bei den präsarkopenen und multimorbiden Probanden signifikant, was umso erfreulicher ist, bedenkt man die Assoziation mit einer reduzierten Fähigkeit von einem Stuhl aufzustehen und einer erhöhten Mortalität. Schlussendlich zeigen die Ergebnisse dieser Studie, dass Trainingsmodalitäten, die gezielt die Rumpfmuskulatur adressieren, wie z.B. ein speziell zusammengestelltes Krafttraining, auch in höherem Alter und bei Vorliegen eines erhöhten Frakturrisikos positive Effekte erzielen und zu signifikanten Verbesserungen der Rumpfkraft führen können. Allerdings zeigen auch weniger spezifische low-impact Trainingskonzepte durchaus positive Entwicklungen und stellen vor allem eine sichere Alternative mit nur geringem Anforderungsprofil dar. Besonders erfreulich scheint vor allem die Verbesserung der Parameter der Probanden mit einem erhöhten Risiko für muskuläre Defizite unabhängig von der zugelosten Trainingsintervention. Diese Ergebnisse stellen eine wertvolle Grundlage für zukünftige Forschungsvorhaben dar, welchen unter Berücksichtigung der globalen demographischen Entwicklungen sicherlich erhebliche Bedeutung zukommen wird.