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Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, eine dreidimensionale Weichteilanalyse zu entwickeln. Basierend auf einem Kollektiv von insgesamt 53 weiblichen und 47 männlichen Patienten wurden Fernröntgenseitenaufnahmen und dreidimensionale, stereophotogrammetrische Aufnahmen erstellt. Um die Qualität und Aussagekraft der erzielten Ergebnisse bewerten zu können, wurde die Reliabilität aller verwendeten Messpunkte überprüft. Es wurden vertikale 3D-Durchschnittswerte ermittelt und Korrelationen zwischen den vertikalen kephalometrischen Parametern der Fernröntgenseitenanalyse und den vertikalen 3D-Weichteilparametern der Stereophotogrammetrie dargestellt. Die Weichteilanalyse wies eine zufriedenstellende Reliabilität und gleichzeitig hochsignifikante Korrelationen zur FRS-Analyse auf. Somit zeigte sich die Wahl der Weichteilpunkte für 3D-Analysen geeignet und kann als Grundlage und Referenz für weitere 3D-Weichteil-untersuchungen dienen.
In this in-vitro study, teeth were imaged using photoacoustic tomography (PAT), cone-beam computed tomography (CBCT), and micro-computed tomography (µ-CT). The study had aim: to identify the best wavelength for PAT images to determine the accuracy of the three imaging methods, and to determine whether PAT images of teeth can achieve acceptable reconstruction quality.
Zusammenfassung Ziel: Eine lagerungsbedingte einseitige Abflachung des Hinterkopfes aufgrund externer Kräfte (Lagerungsplagiocephalus, LP) ist die häufigste Kopfdeformität im Säuglingsalter. Die im Rahmen der ersten Kindervorsorgeuntersuchung (U1) erhobenen Daten wurden bezüglich der bekannten Risikofaktoren für die Entstehung eines LP ausgewertet. Im Rahmen der vorliegenden klinischen Pilotstudie wurde der Lagerungsplagiozephalus mitels der non-invasiven dreidimensionalen Sterophotogrammetrie untersucht und erstmals eine Normdatenbank von Säuglingen ohne Kopfdeformitäten erstellt. Die Therapie und Effektivität mittels modellierender individuell angefertigter Kopforthese, wurde evaluiert. Patienten und Methode: Untersucht wurden 20 Säuglinge mit einem Lagerungsplagiozephalus und schwerer Asymmetrie (Alter 6,0+0,97 Monate) und 20 Säuglinge ohne Kopfdeformität (Alter 6,4+0,3 Monate). Es erfolgte eine 3D-Weichteilanalyse des gesamten Kopfes. Zur Evaluation der Kopforthesentherapie wurden prä- und posttherapeutisch angefertigte sterophotogrammtriesche Aufnahmen dreidimensional ausgewertet. Ergebnisse: Anhand der im Rahmen der Erstuntersuchung erhobenen Daten zeigten sich bezüglich der Geburtslage und Art der Entbindung nur geringe Unterschiede. In der Patientengruppe kamen eine Beckenendlage und die Geburt durch Kaiserschnitt gehäuft vor. Die Anzahl der Spontangeburten zeigte sich in der Kontrollgruppe mit 70% größer als in der Patientengruppe mit 60%. Köpergröße, Körpergewicht und Kopfumfanges fielen in der Patientengruppe kleiner aus. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurden erstmalig 3D-Oberflächendaten von gesunden Säuglingsköpfen erhoben. Hierzu wurden die 360° Aufnahmen mittels lichtoptischen Verfahrens durchgeführt. Die reliable Auswertung der Säuglingsköpfe erfolgte in einem virtuellen Raum und diente zur Erstellung einer Normdatenbank. Bestehende Asymmetrien lassen sich mit diesem Verfahren quantifizieren. Die non-invasive 3D-Bildgebung kann somit zusätzlich zur klinischen Untersuchung und Sonographie als reliables Instrument in der Diagnostik und Verlaufsbeurteilung eingesetzt werden. Mittels der durchgeführten Aufnahmen konnten folgenden Parameter bei Säuglingen mit LP charakterisiert werden: - Die maximale Kopflänge zeigt sich bei vergrößertem Breiten/Längen-Index reduziert. Kompensatorisch erfolgt eine Vergrößerung der Vertexhöhe. - Die Ohrachse zeigt sich verschoben. - Die betroffenen Säuglinge weisen eine vergrößerte 30° Diagonalendifferenz auf und zeigen asymmetrische anteriore und posteriore Volumina des Neurokraniums. Schlussfolgerung: Die im Rahmen der Erstuntersuchung (U1) ermittelten Daten zeigten nur geringe Unterschiede zwischen der Patienten- und der Kontrollgruppe bezüglich Risikofaktoren für die Entstehung eines LP. Die Anzahl an Kaiserschnitten war innerhalb der Patientengruppe erhöht. Die im Rahmen der Pilotstudie untersuchte Anzahl Kinder ist allerdings zu gering um eine definitive Aussage treffen zu können. Die Therapie mittels individuell gefertigter Kopforthese hat eine Harmonisierung des Breiten/Längen-Index zur Folge. Eine posttherapeutische Verbesserung kann bezüglich der neurokraniellen Asymmetrie mit einer Reduktion der 30° Diagonalendifferenz und einer Angleichung der posterioren Volumina beobachtet werden. Die frühzeitige Korrektur, ab dem sechsten Lebensmonat, kann eine lagerungsbedingten Kopfdeformität frühzeitig korrigieren. Bezüglich der Bewertung des Langzeiterfolges der Helmtherapie sind noch weitere Studien notwendig. Insbesondere der longitundinale Aufbau einer Normdatenbank ist erforderlich, um physiologische Referenzdaten zu schaffen.
This thesis reviews the fundamentals of three-dimensional super-resolution localization imaging. In order to infer the axial coordinate of the emission of single fluorophores, the point spread function is engineered following a technique usually referred to as astigmatic imaging by the introduction of a cylindrical lens to the detection path of a microscope.
After giving a short introduction to optics and localization microscopy, I outline sources of aberrations as frequently encountered in 3D-localization microscopy and will discuss their respective impact on the precision and accuracy of the localization process. With the knowledge from these considerations, experiments were designed and conducted to verify the validity of the conclusions and to demonstrate the abilities of the proposed microscope to resolve biological structures in the three spatial dimensions. Additionally, it is demonstrated that measurements of huge volumes with virtually no aberrations is in principle feasible.
During the course of this thesis, a new method was introduced for inferring axial coordinates. This interpolation method based on cubic B-splines shows superior performance in the calibration of a microscope and the evaluation of subsequent measurement and will therefore be used and explained in this work.
Finally, this work is also meant to give future students some guidance for entering the field of 3D localization microscopy and therefore, detailed protocols are provided covering the specific aspects of two color 3D localization imaging.
Die Anpassung des Aktinzytoskeletts an extrazelluläre Gewebsstrukturen ist Voraussetzung für die Interaktion mit der extrazellulären Matrix und für die Zellbewegung, einschließlich der Invasion und Metastasierung von Tumorzellen. Wir untersuchten bei invasiven B16/F1 GFP-Aktin Mausmelanomzellen, ob und wie sich Zellform, Art und Effizienz der Bewegung an physikalisch unterschiedlich beschaffene kollagenöse Umgebungen anpassen: 1) mit Kollagen-Monomeren beschichtete 2D Objektträger, 2) 2D Oberfläche einer fibrillären Kollagenmatrix und 3) Zellen, die in einer 3D Kollagenmatrix eingebettet waren. Zur Darstellung des Aktinzytoskeletts wurden Zellen eingesetzt, die GFP-Aktin Fusionsprotein exprimierten, und mittels Zeitraffer-Videomikroskopie und Konfokalmikroskopie untersucht. Im direkten Vergleich waren Struktur und Dynamik des Aktinzytoskelett wie auch Zellform und Art der Migration unterschiedlich in den verschiedenen Umgebungen. Auf 2D planer Oberfläche erfolgte eine rasche Adhäsion und Abflachung der Zellen (Spreading) mit nachfolgender Migration mit Bildung fokaler Adhäsionszonen, in die kabelartige Aktinstrukturen (Stress fibers) einstrahlten. Dagegen entwickelte sich in 3D Kollagenmatrices eine spindelförmige, fibroblastenähnliche Zellform (mesenchymal) mit zylindrischen fingerförmigen vorderen Pseudopodien, die Zug der Zelle nach vorne bewirken und hochdynamisches polymeres Aktin, nicht jedoch Stress Fibers enthielten. Eine ähnliche Zellform und Struktur des Zytoskeletts entwickelte sich in Zellen auf 2D fibrillärem Kollagen. Die Kontaktfindung und Migrationseffizienz auf oder in fibrillären Matrices war im Vergleich zu 2D kollagenbeschichteter Oberfläche erschwert, die Migrationseffizienz verringert. In Kontrollversuchen wurden Migration und polarisierte Bildung von Aktindynamik durch Inhibitoren des Aktinzytoskeletts (Cytochalasin D, Latrunculin B, Jasplakinolide) stark gehemmt. Diese Befunde zeigen , dass die Struktur und Dynamik des Aktinzytoskeletts sowie die Art der Migration in Tumorzellen stärker als bisher angenommen durch die umgebende Kollagenstruktur bestimmt wird. Während 3D Kollagenmatrices in vivo ähnliche bipolare Zytoskelettstruktur fördern, müssen Abflachung der Zellen mit Bildung von Stress Fibers als spezifische Charakteristika von 2D Modellen angesehen werden.
Cancer remains after cardiovascular diseases the leading cause of death worldwide and an estimated 8.2 million people died of it in 2012. By 2030, 13 million cancer deaths are expected due to the growth and ageing of the population. Hereof, colorectal cancer (CRC) is the third most common cancer in men and the second in women with a wide geographical variation across the world. Usually, CRC begins as a non-cancerous growth leading to an adenomatous polyp, or adenoma, arising from glandular cells. Since research has brought about better understanding of the mechanisms of cancer development, novel treatments such as targeted therapy have emerged in the past decades. Despite that, up to 95% of anticancer drugs tested in clinical phase I trials do not attain a market authorisation and hence these high attrition rates remain a key challenge for the pharmaceutical industry, making drug development processes enormously costly and inefficient. Therefore, new preclinical in vitro models which can predict drug responses in vivo more precisely are urgently needed. Tissue engineering not only provides the possibility of creating artificial three-dimensional (3D) in vitro tissues, such as functional organs, but also enables the investigation of drug responses in pathological tissue models, that is, in 3D cancer models which are superior to conventional two-dimensional (2D) cell cultures on petri dishes and can overcome the limitations of animal models, thereby reducing the need for preclinical in vivo models. In this thesis, novel 3D CRC models on the basis of a decellularised intestinal matrix were established. In the first part, it could be shown that the cell line SW480 exhibited different characteristics when grown in a 3D environment from those in conventional 2D culture. While the cells showed a mesenchymal phenotype in 2D culture, they displayed a more pronounced epithelial character in the 3D model. By adding stromal cells (fibroblasts), the cancer cells changed their growth pattern and built tumour-like structures together with the fibroblasts, thereby remodelling the natural mucosal structures of the scaffold. Additionally, the established 3D tumour model was used as a test system for treatment with standard chemotherapeutic 5-fluorouracil (5-FU). The second part of the thesis focused on the establishment of a 3D in vitro test system for targeted therapy. The US Food and Drug Administration has already approved of a number of drugs for targeted therapy of specific types of cancer. For instance, the small molecule vemurafenib (PLX4032, Zelboraf™) which demonstrated impressive response rates of 50–80% in melanoma patients with a mutation of the rapidly accelerated fibrosarcoma oncogene type B (BRAF) kinase which belongs to the mitogen active protein kinase (MAPK) signalling pathway. However, only 5% of CRC patients harbouring the same BRAF mutation respond to treatment with vemurafenib. An explanation for this unresponsiveness could be a feedback activation of the upstream EGFR, reactivating the MAPK pathway which sustains a proliferative signalling. To test this hypothesis, the two early passage cell lines HROC24 and HROC87, both presenting the mutation BRAF V600E but differing in other mutations, were used and their drug response to vemurafenib and/or gefitinib was assessed in conventional 2D cell culture and compared to the more advanced 3D model. Under 3D culture conditions, both cell lines showed a reduction of the proliferation rate only in the combination therapy approach. Furthermore, no significant differences between the various treatment approaches and the untreated control regarding apoptosis rate and viability for both cell lines could be found in the 3D tumour model which conferred an enhanced chemoresistance to the cancer cells. Because of the observed unresponsiveness to BRAF inhibition by vemurafenib as can be seen in the clinic for patients with BRAF mutations in CRC, the cell line HROC87 was used for further xenografting experiments and analysis of activation changes in the MAPK signalling pathway. It could be shown that the cells presented a reactivation of Akt in the 3D model when treated with both inhibitors, suggesting an escape mechanism for apoptosis which was not present in cells cultured under conventional 2D conditions. Moreover, the cells exhibited an activation of the hepatocyte growth factor receptor (HGFR, c-Met) in 2D and 3D culture, but this was not detectable in the xenograft model. This shows the limitations of in vivo models. The results suggest another feedback activation loop than that to the EGFR which might not primarily be involved in the resistance mechanism. This reflects the before mentioned high attrition rates in the preclinical drug testing.
Invasive plant species are major threats to biodiversity. They can be identified and monitored by means of high spatial resolution remote sensing imagery. This study aimed to test the potential of multiple very high-resolution (VHR) optical multispectral and stereo imageries (VHRSI) at spatial resolutions of 1.5 and 5 m to quantify the presence of the invasive lantana (Lantana camara L.) and predict its distribution at large spatial scale using medium-resolution fractional cover analysis. We created initial training data for fractional cover analysis by classifying smaller extent VHR data (SPOT-6 and RapidEye) along with three dimensional (3D) VHRSI derived digital surface model (DSM) datasets. We modelled the statistical relationship between fractional cover and spectral reflectance for a VHR subset of the study area located in the Himalayan region of India, and finally predicted the fractional cover of lantana based on the spectral reflectance of Landsat-8 imagery of a larger spatial extent. We classified SPOT-6 and RapidEye data and used the outputs as training data to create continuous field layers of Landsat-8 imagery. The area outside the overlapping region was predicted by fractional cover analysis due to the larger extent of Landsat-8 imagery compared with VHR datasets. Results showed clear discrimination of understory lantana from upperstory vegetation with 87.38% (for SPOT-6), and 85.27% (for RapidEye) overall accuracy due to the presence of additional VHRSI derived DSM information. Independent validation for lantana fractional cover estimated root-mean-square errors (RMSE) of 11.8% (for RapidEye) and 7.22% (for SPOT-6), and R\(^2\) values of 0.85 and 0.92 for RapidEye (5 m) and SPOT-6 (1.5 m), respectively. Results suggested an increase in predictive accuracy of lantana within forest areas along with increase in the spatial resolution for the same Landsat-8 imagery. The variance explained at 1.5 m spatial resolution to predict lantana was 64.37%, whereas it decreased by up to 37.96% in the case of 5 m spatial resolution data. This study revealed the high potential of combining small extent VHR and VHRSI- derived 3D optical data with larger extent, freely available satellite data for identification and mapping of invasive species in mountainous forests and remote regions.
Die in vitro-Langzeitkultivierung von Zellen in einer Drei-Dimensionalen Matrix (3D-Matrix) stellt nach wie vor eine Herausforderung im Tissue engineering dar. Die Kultivierung von Zellen auf/in komplexen 3D-Trägern erfordert hohe Zellzahlen und lange Kulturzeiten. Um die Probleme des schnellen Mediumverbrauches und der limitierten Zellzahl bzw. Zelldichte in konventionellen Kulturmethoden zu umgehen, wurde ein „Zweikreis-Perfusionssystem“ entwickelt. Hierzu wurde ein Cell-Pharm System (Cell-Pharm System 100®-Basisgerät) modifi-ziert. Das Grundprinzip des Systems besteht darin, dass ein kleinvolumiger (50-70 ml) „Zellkultur-Kreislauf“ über einen Bioreaktor (semipermeable Hohlfasermembran) durch einen großvolumigen (1000 ml) „Regenerations-Kreislauf“ kontinuierlich im Gegenstromprinzip regeneriert wird. Die Regulation des ph-Wertes und der Sauerstoffsättigung des Kulturmediums geschieht über einen integrierten, Druckluft-CO2-begasten Oxygenator. Während die Zirkulationsgeschwindigkeit (Durchflussrate) und Temperatur (37°C) im Regenerations-Kreislauf konstant gehalten werden, lassen sich diese Parameter im „Zellkultur-Kreislauf“ beliebig variieren. Es hat sich gezeigt, dass sich auf diese Weise kontinuierlich über einen langen Zeitraum ohne Mediumwechsel konstante und optimale Milieuverhältnisse in beiden Mediumkompartments einstellen lassen. Zur Untersuchung der Wachstumseigenschaften von Zellen in diesem Perfusions-system wurden humane osteoblastenähnliche Zellen oder Ratten-Knochenmarkszellen auf eine Matrix aus demineralisierter, GuHCl-extrahierter Rinderspongiosa unterschiedlicher Größe (Zylinder zwischen 5x3 mm und 5x10 mm) aufgetragen. Unter intermittierender Perfusion der Kulturkammern (z.B. Minucells cell container®) mit 50-70 ml/d kam es zu einem gleichmäßigen, intertrabekulären Wachstum der Zellen innerhalb des gesamten Trägers. Nach 6-8 Wochen konnte immer noch ein dichtes Netz interdigitierender ALP-positiver osteoblastenähnlicher Zellen innerhalb der gesamten Matrix beobachtet werden. Dabei scheint die physikalisch-mechanische Komponente der „Umspülung“ der Zellen mit dem kontinuierlich regenerierten Nährmedium einen positiven Einfluss auf das Anwachsverhalten und Proliferation der Zellen zu haben. Somit erlaubt das modifizierten „Zweikreisperfusionssystem“ eine gute Möglichkeit für die Langzeitperfusionskultur in einem geschlossenen System mit indi-viduell steuerbaren Strömungsverhältnissen im Zellkompartment bei einer kontinuierlichen Regeneration des Mediums.
Zusammenfassung:
Ziel dieser retrospektiven vergleichenden Studie war die Untersuchung der metrischen und volumetrischen Veränderungen des pharyngealen Atemweges („posterior airway space“, PAS) nach uni- und bimaxillärer Umstellungsosteotomie einer großen Patientengruppe mit einer Dysgnathie der Angle Klasse III anhand von Daten der digitalen Volumentomographie (DVT).
In dieser Arbeit wurden prä- und postoperative DVT-Daten (1 Woche vor der OP und 4-5 Wochen nach der OP erstellt) von insgesamt 80 nach Abschluss des Wachstums kombiniert kieferorthopädisch-kieferchirurgisch behandelten Patienten der Angle-Klasse III (40 unimaxillär – Gruppe 1, 40 bimaxillär therapiert – Gruppe 2) mittels der Software Mimics Innovation Suite 14.1® (Materialise, Leuven, Belgien) dreidimensional visualisiert und analysiert. Ausgeschlossen waren Patienten mit kraniofazialen Syndromen, Lippenkiefergaumensegelspalten und fazialen Asymmetrien.
Nach kephalometrischer Auswertung von aus den DVT-Daten generierten Fernröntgenseitenbildern (= FRS) konnten Korrelationen zwischen dreidimensionalen PAS-Parametern und sagittalen Parametern des Gesichtsskeletts hergestellt werden.
Die operationsbedingten dreidimensionalen Veränderungen des PAS (Form und Volumen) zeigten in beiden Gruppen keine klinisch relevanten Korrelationen zu den skelettalen Veränderungen aus den kephalometrischen Auswertungen.
Sowohl in Gruppe 1 als auch in Gruppe 2 führte die Operation zu keinen signifikanten Volumenänderungen.
Durch bimaxilläre Umstellungsosteotomie veränderten sich die pharyngealen Maße Querschnitt, anteroposteriorer und lateraler Durchmesser weniger als durch unimaxilläre Osteotomie.
Durch unimaxilläre Osteotomie verringerte sich die engste Stelle signifikant.
Zelluläre Resorption 3D-gedruckter Knochenimplantate auf Basis von Calciummagnesiumphosphaten
(2023)
Für die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe gibt es heute eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Neuartige Ansätze mit Magnesiumphosphat- (MPC) und Calciummagnesiumphosphatzementen (CMPC) haben sich als echte Alternativen zu den etablierten Calciumphosphaten erwiesen.
Ziel war es, die Osteoklastogenese in vitro auf 3D-pulvergedrucktem CMPC und MPC zu induzieren und die zelluläre Resorption (zR) zu analysieren. Polystyrol (PS), Glas, β-TCP und Brushit-bildender Zement dienten als Referenzen.
Als Proben wurden Zemente der allgemeinen stöchiometrischen Summenformel CaxMg(3–x)(PO4)2 (x = 0; 0,25; 0,75; 3) verwendet, die Struvit oder Newberyit enthielten. Für die Osteoklastogenese wurden monozytenangereicherte PBMCs aus Buffy-Coat mittels dreifacher Dichtegradientenzentrifugation isoliert, auf die Prüfoberflächen ausgesät und über einen Zeitraum von 22 Tagen mit Zytokinen (M-CSF und RANKL) stimuliert. Die Interaktion der Zellen mit den Zementen bzw. PS/Glas wurde mittels TRAP-Färbung und -Aktivität, DNA- und Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, PO43–, pH-Wert), Rasterelektronen-, Durchlicht-, Auflicht- und Fluoreszenzmikroskopie analysiert.
Auf den Struvit- und Newberyit-bildenden Zementen konnten keine für Osteoklasten typischen Riesenzellen nachgewiesen werden. Auf den Struvit-bildenden Zementen wurde deutlich mehr mononukleäre Zellen nachgewiesen wurden als auf den Newberyit-bildenden Zementen. Während die Freisetzung von Mg2+ und PO43– ausschließlich durch die chemische Degradation erfolgte, wurde Ca2+ zunächst adsorbiert und anschließend durch zR freigesetzt. Die erhöhte Ca2+-Adsorption im Vergleich zur Ca2+-Resorption führte insgesamt zu einer Calcium-Präzipitation.
Da lediglich auf β-TCP Resorptionslakunen beobachtet wurden, wird angenommen, dass auf den CMPC, MPC und Brushite-bildenden Zementen die zellvermittelte Ca2+-Freisetzung von den Präzipitaten ausging, die von Makrophagen auf den Zementen und/oder Riesenzellen auf den Wellplatten resorbiert wurden.