Dementia-specific consultations in general hospitals - description and evaluation of an innovative project to improve the medical care of people with dementia

Hintergrund: Dementielle Erkrankungen sind vielgestaltig und zählen zu den häufigsten psychiatrischen Leiden im Allgemeinkrankenhaus. Sie können mit einer Vielzahl von Komplikationen wie bspw. Verhaltensauffälligkeiten oder Delir einhergehen. Der derzeitige demografische Trend mit einer weiterhin steigenden Lebenserwartung führt prognostisch zu einem Anstieg dementieller Erkrankungen, bei einem gleichzeitigen Rückgang von Versorgungsstrukturen im ländlichen Raum. Hieraus ergibt sich eine Versorgungslücke bei der Behandlung von Menschen mit Demenz insbesondere in Allgemeinkrankenhäusern ohne eigene neurologische oder psychiatrische Expertise. Methode: Das Projekt Demenz-Konsiliardienst für Krankenhäuser der Regelversorgung – ein kombiniertes aufsuchendes und telemedizinisches Konzept der Klinik für Psychiatrie und Psychotherapie der UMG sollte im Sinne eines Modellprojektes eruieren, ob ein Konsiliardienst zur Versorgung von Menschen mit Demenz umsetzbar ist und inwiefern fünf regionale Krankenhäuser im Raum Südniedersachsen davon profitieren können. Die Weitergabe von demenzspezifischer Expertise erfolgte in erster Linie über die hier ausgewerteten persönlichen oder telemedizinischen Konsiliarleistungen zu konkreten psychiatrischen Fragestellungen. Im Anschluss an die Projektphase konnten die erhobenen Daten gesammelt, digitalisiert und analysiert werden. Ergebnisse: Insgesamt wurden zwischen dem 10.07.2020 und dem 14.03.21 65 Konsiliarleistungen zu 61 Patient*innen an fünf regionalen Krankenhäusern durchgeführt. Knapp 95% der Konsilanfragen hatten einen konservativen (internistisch/geriatrisch) und 5% einen chirurgischen Hintergrund. Das durchschnittliche Alter der Patient*innen betrug 79,2 Jahre mit einem Häufigkeitsgipfel zwischen 80 bis 89 Jahren (45,0%), bei einem Anteil von knapp zwei Dritteln weiblicher Patient*innen. Die häufigsten Fragestellungen waren zur Abklärung einer Demenz (50,8%), gefolgt von Fragestellungen zu Deliren (24,6%), Verhaltensstörungen bei Demenz (23,0%), therapeutischen bzw. medikamentösen Herangehensweisen (21,3%) und Fragestellungen zu Depressionen (8,2%). Die Auswertung des erhobenen MMST gemäß der S3-Leitlinie „Demenzen“ ergab bei drei Personen (7,5%) ein unauffälliges Ergebnis, bei 37,5% den Hinweis auf eine leichtgradige Demenz, bei 42,5% den Hinweis auf eine mittelschwere Demenz und bei einer Person (2,5%) den Hinweis auf eine schwere Demenz. Von Polypharmazie bei einem Cut-Off-Wert von fünf oder mehr parallel eingenommen Medikamenten waren mehr als drei Viertel aller Patient*innen (78,7%) betroffen. Eine Diagnose aus dem Formenkreis der Demenzen wurde bei 52,5% der Patient*innen festgestellt, ein Delir bei 13,1%, eine leichte kognitive Störung bei 4,9% und eine Depression bei 14,8%. Empfehlungen wurden in erster Linie zur medikamentösen Therapie ausgesprochen (54,1%) sowie zur ambulanten neurologischen oder psychiatrischen Anbindung (27,9%) oder einer weiterführenden Diagnostik (26,6%). Schlussfolgerungen: Das Projekt konnte erfolgreich umgesetzt und wissenschaftlich begleitet werden, trotz struktureller Hindernisse durch die Coronapandemie. Die Ergebnisse zeigten, dass die Implementierung eines demenzspezifischen Konsiliardienstes für regionale Krankenhäuser realisierbar ist. Es zeigte sich, dass mithilfe von demenzspezifischer Expertise und diagnostischen Mitteln (bspw. MMST) regionale Krankenhäuser beim Erkennen und Umgang mit Demenzen und einhergehenden Komplikationen unterstützt werden können. Zudem können die Empfehlungen eines Demenz-Konsiliardienstes für die Behandelnden und Patient*innen Hilfestellungen bieten und potentiell Verlegungen in (geronto)psychiatrische Kliniken reduzieren, wodurch auch weitere Komplikationen im Rahmen von Verlegungen vermieden und die wohnortnahe Versorgung der Patient*innen gefördert werden könnte.Background: Dementia disorders are polymorphic and among the most common psychiatric disorders seen in general hospitals. They can be associated with a variety of complications such as behavioral problems or delirium. The current demographic trend with a continued increase in life expectancy of older patients is leading to an increase in dementia-related illnesses, while at the same time the medical infrastructure is changing with a decrease in care centers in rural areas, where proper psychiatric expertise is often missed. Method: The project Dementia Consultation Service for Hospitals in Standard Care of the Department of Psychiatry and Psychotherapy of the University Medical Center Göttingen was designed to determine the extent to which five regional hospitals in the area of southern Lower Saxony could benefit from a consultation service in dementia care over a period of 17 months. The transfer of dementia-specific expertise took primarily place through the in- person or telemedicine consults evaluated here for specific psychiatric issues. Following the project stage, the data was collected, digitized and analyzed. Results: A total of 65 consultations on 61 patients were performed at five regional hospitals between 07/10/2020 and 03/14/21. Nearly 95% of the consultation requests came from internal medicine wards and 5% from surgical wards. The average age was 79.2 years with a frequency peak between 80 to 89 years (45.0%) and a proportion of almost two thirds female patients (63.9%) and 36.1% male patients. The most frequent questions came for clarification of a possible dementia (50.8%), followed by delirium (24.6%), behavioral disorders (23,0%), questions concerning the medication or therapy recommendation (21.3%) and questions about depression (8.2%). The evaluation of the MMST according to the S3 guideline "Dementia" showed an inconspicuous result in three persons (7.5%), in 37.5% an indication of mild dementia, in 42.5% an indication of moderate dementia and in 2.5% an indication of severe dementia. Polypharmacy at a cut-off value of five or more medications taken in parallel affected 78.7% of the patients. A diagnosis relating dementia was found in 52.5% of the patients, delirium in 13.1%, mild cognitive disorder in 4.9% and depression in 14.8%. Concluding recommendations primarily for medication therapy (54.1%) as well as for outpatient neuropsychiatric follow up (27.9%) or further diagnostics (26.6%). Conclusions: The project was successfully completed and scientifically accompanied, despite structural obstacles due to the corona pandemic. The results showed in connection with current literature that for the implementation of a dementia-specific consultation service, a good dementia diagnosis, e.g. with the help of the MMST, is necessary. It also showed that the recognition and assessment of complications in dementia (such as delirium or polypharmacy) play an important role for general hospitals, and recommendations for the further course are central aids for both staff and patients. Overall, the evaluation of the results showed the need for a permanently implemented consultation service for a qualitatively better care of people with dementia in general hospitals. The project was successfully implemented and scientifically accompanied, despite structural obstacles due to the corona pandemic. The results showed that the implementation of a dementia-specific consultation service for regional hospitals is feasible. It was shown that with the help of dementia-specific expertise and diagnostic tools (e.g. MMST), regional hospitals can be supported in recognizing and managing dementias and associated complications. In addition, the recommendations of a dementia consultation service can be of central assistance for the treating physicians and patients and potentially reduce transfers to geriatric psychiatry, which could also avoid further complications in the context of transfers and promote the care of patients close to their home.2025-02-2

Untersuchung plasmabasierter Kompositbiomarker in der Differentialdiagnostik von Alzheimer-Demenz und Vaskulärer Demenz

Aufgrund des demografischen Wandels stehen demenzielle Erkrankungen nicht nur im Zentrum der medizinischen Forschung, sondern erhalten auch einen immer größer werdenden Stellenwert in der gesundheitsökonomischen und gesellschaftlichen Diskussion. Vor diesem Hintergrund hat sich die Demenz- Diagnostik über die Jahre kontinuierlich weiterentwickelt. Dabei stellt vor allem die Vaskuläre Demenz neben der Alzheimer-Erkrankung eine wichtige und häufig unterdiagnostizierte Differentialdiagnose dar. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde unter Zuhilfenahme zweier prospektiver Beobachtungsstudien der Demenzforschungsgruppe der Universitätsmedizin Göttingen, die biomarkerbasierte Differentialdiagnostik zwischen Patienten mit Alzheimer-Erkrankung, vaskulär bedingter kognitiver Beeinträchtigung und Mischdemenz beleuchtet. Dazu wurde ein breites Spektrum an etablierten Alzheimer-assoziierten Biomarkern (Aß42, Aß40, Aß42/40 ratio, p-Tau), Biomarkern des neuronalen Schadens (Tau, NFL), neueren Biomarkern (GFAP, LCN2) und Kompositbiomarkern (p-Tau/Aß42, p-Tau/Aß40, GFAP*p-Tau/Aß42, GFAP*p-Tau/Aß40 und Tau/p-Tau) in Gruppen und Subgruppenvergleichen gemessen und analysiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Kompositbiomarker im Allgemeinen eine höhere diagnostische Genauigkeit als die anderen Biomarker aufwiesen. Wobei p-Tau unter letzteren die höchste diagnostische Trennschärfe in der Differenzierung von Patienten mit Alzheimer-Erkrankung oder Mischdemenz von solchen mit vaskulär bedingter kognitiver Beeinträchtigung erzielte. Aufgrund des Mangels an kausalen Antidementiva ist gerade eine frühe Diagnosestellung für den rechtzeitigen Beginn einer symptomatischen Therapie essenziell. Vor diesem Hintergrund können blutbasierte Biomarker als kostengünstige, wenig invasive und ubiquitär verfügbare Screening-Instrumente in Risikobevölkerungsgruppen eingesetzt werden und das Therapieansprechen in Arzneimittelstudien überwachen.Due to demographic change, dementia is not only at the center of medical research but is also becoming increasingly important in the health economic and social debate. Taking that into consideration, dementia diagnostics has developed continuously over the years. Vascular dementia in particular is an important and often underdiagnosed differential diagnosis alongside Alzheimer's disease. In the context of this research work, the biomarker-based differential diagnosis between patients with Alzheimer's disease, vascular cognitive impairment and mixed dementia was examined with the help of two prospective observational studies by the Dementia Research Group of the University Medical Centre Göttingen. A broad spectrum of established Alzheimer's-associated biomarkers (Aß42, Aß40, Aß42/40 ratio, p-Tau), biomarkers of neuronal damage (Tau, NFL), newer biomarkers (GFAP, LCN2) and composite biomarkers (p-Tau/Aß42, p-Tau/Aß40, GFAP*p-Tau/Aß42, GFAP*p-Tau/Aß40 and Tau/p-Tau) were measured and analyzed in groups and subgroup comparisons. It was shown that the composite biomarkers generally had a higher diagnostic accuracy than the other biomarkers. Of these, p-Tau achieved the highest diagnostic accuracy in differentiating patients with Alzheimer's disease or mixed dementia from those with vascular-induced cognitive impairment. Due to the lack of causal anti-dementia medication, early diagnosis is essential for the timely initiation of symptomatic therapy. Taking that into consideration, blood-based biomarkers can be used as inexpensive, less invasive and ubiquitously available screening instruments in at-risk population groups and monitor treatment response in drug studies.2025-02-2

Development of an optimization framework for complex breeding programs based on the Modular Breeding Program Simulator (MoBPS)

This study was financially supported by BASF Belgium Coordination Center CommV.The aim of this thesis is to develop an optimization framework for complex breeding programs that involve numerous input parameters, auxiliary constraints, and stochastic outputs. Chapter 1 introduces the topic of stochastic simulation and optimization in the context of breeding program designs, and presents the key concepts essential to the subsequent chapters. In Chapter 2, kernel regression is introduced to manage stochasticity in evaluating objective functions through stochastic simulations. This approach addresses the challenge of optimizing breeding program designs using stochastic simulations, where each run represents only one of many possible outcomes, unlike deterministic methods with predictable results. Consequently, multiple replicates are necessary to enhance result precision. Breeding programs often involve numerous parameters, making it computationally expensive to simulate all possible designs multiple times. This limits optimization using stochastic simulations to a smaller set of scenarios. To address this limitation, a strategy employing kernel regression is proposed to efficiently explore a broader range of scenarios. The optimization process begins with identifying adjustable parameters for the breeding program and defining their feasible value ranges. A preliminary set of breeding designs is then randomly selected from all possible configurations, followed by initial simulations to gather baseline data and insights into potential solutions. Kernel regression is then applied to the data points representing different breeding program designs. This method fits a local regression curve, giving more weight to similar breeding schemes. It refines initial results by filtering noise and revealing underlying patterns, identifying potential optimal regions in the search space. By iteratively focusing on these regions, the search concentrates on the most effective breeding strategies, increasing the likelihood of finding the best design from thousands of possible scenarios. Although kernel regression has proven effective in optimizing breeding program designs and has been tested extensively across thousands of scenarios, these scenarios can differ in only a few parameters. As the number of parameters increases, the computational resources required for sufficient simulations across the entire search space grow substantially. Moreover, challenges emerged that required manual search space reduction through iterative steps and visual examination of potential optimal regions. To address these issues, Chapter 3 introduces a new evolutionary algorithm optimization framework to reduce the number of required simulations and operate fully automatically. The evolutionary algorithm begins similarly to kernel regression, with a random selection of breeding program designs and initial simulations. It then employs two main operators: selecting the best parameter settings based on their performance relative to the objective function and generating new breeding designs from these selected elite designs by combining two parameter settings or slightly modifying a single parameter setting. Kernel regression is integrated into the evolutionary algorithm to provide localized smoothing and mitigate stochastic effects. This algorithm effectively handles both continuous and class decision variables. The evolutionary algorithm is an iterative process that requires significant computational resources due to the need for multiple simultaneous simulations. To address this, the automation capabilities of the Snakemake workflow management system were integrated into the optimization approach, enabling parallel execution of simulations. The evolutionary algorithm was tested against the kernel regression method to evaluate its robustness. Results showed a 40-fold reduction in the number of simulations required compared to kernel regression, even when starting from a suboptimal search space or incorporating a binary decision variable. These findings highlight the practical advantages of using evolutionary algorithms for optimizing large-scale breeding program designs. Chapter 4 applies the optimization framework from Chapter 3 to enhance large-scale breeding programs with multiple parameters. The study focuses on two breeding programs modeled to reflect real-world scenarios, starting with a wheat line breeding program that includes six continuous variables, simulated using AlphaSimR. The second program is a complex hybrid wheat breeding program, simulated with MoBPS, involving 16 continuous parameters and one binary variable. Both programs demonstrated significant improvements in resource allocation within a fixed budget, showing that the framework enhances efficiency without requiring additional financial input or changing the core steps of the breeding process. A key strength of this study is that it is the first to apply the optimization framework to complex breeding programs with multiple parameters, including both continuous and class variables. Its application across different breeding programs (line and hybrid) using various simulators highlights the framework's adaptability to diverse breeding scenarios. This framework enables breeders to make informed, data-driven decisions before committing to costly and time-consuming real-world trials, allowing them to weigh alternatives and better predict outcomes. Chapter 5 summarizes the key highlights and main findings of this research. It discusses the potential applications of the developed algorithm in various aspects of breeding program design, as well as key considerations essential for optimizing breeding programs using stochastic simulations. Additionally, the chapter addresses potential challenges and limitations that may arise during the optimization process.2025-05-2

SHISA3, a novel Wnt-dependent Signature in the Developing and Failing Heart

Die Mechanismen der Entwicklung vaskulärer Zellen während der Kardiogenese können genutzt werden, um neue Wege der kardialen Regeneration im erkrankten Herzen zu entdecken, mit besonderem Fokus auf dem Epikard als therapeutisches Target. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass die Aktivierung des Wnt/β-Catenin-Signalwegs zur Reprogrammierung von Kardiomyozyten und vaskulären Zellen führt, was im erwachsenen Herzen ein progredientes pathologisches Umbauprogramm zur Folge hat. In dieser Studie wurde eine bislang unbekannte Population von SHISA3-exprimierenden Zellen mit kardiovaskulärem Progenitor-Potential untersucht, die eine Re-Expression von SHISA3 im erkrankten Herzen aufwiesen. In Maus-Embryonen wurden SHISA3-positive Zellen, die frühe vaskuläre Markergene exprimieren, zum Zeitpunkt E 14.5 vorwiegend im Subepikard gefunden. Ziel meiner Arbeit war es, die Rolle von SHISA3 im Differenzierungsweg humaner mesenchymaler Zellen zu untersuchen, die aus subepikardialen kardiovaskulären Vorläuferzellen stammen. In Übereinstimmung mit zuvor beschriebenen in vivo-Ergebnissen zeigte sich in humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs), die zu epikardialen Zellen (EPI-Zellen) und deren Abkömmlingen, den glatten Gefäßmuskelzellen (vSMCs) und Fibroblasten, differenziert wurden, eine frühe Hochregulation von SHISA3, verbunden mit einem darauffolgenden kontinuierlichen Rückgang an SHISA3-Expression. Um die SHISA3-positive Population als gemeinsamen Pool früher vaskulärer Vorläuferzellen weiter zu analysieren, wurde eine Single-Cell RNA-Sequenzierung dieser Zellen am Tag 8 der Differenzierung durchgeführt. Diese Analyse identifizierte SHISA3 als Marker-Gen, das ausschließlich in frühen Übergangszellen exprimiert wird, die sich im Prozess eines epikardial-mesenchymalen Identitätswechsels befinden. Um die Auswirkungen einer SHISA3-Überexpression in diesen Modellen präzise untersuchen zu können, wurden transgene hiPSC-Linien generiert und charakterisiert. Mithilfe der CRISPRa-Technologie in Kombination mit einer Doxyzyklin-induzierbaren guide RNA war in diesen Linien eine kontrollierte endogene Aktivierung von SHISA3 möglich, während eine nicht-zielgerichtete guide RNA als Kontrolle diente. Ausgehend von einer epikardialen Population wurden mittels Doxycyclin SHISA3-aktivierte Zellen zu vSMCs differenziert, gefolgt von einer RNA-Gesamttranskriptomanalyse. Dabei zeigten sich signifikante Effekte auf die Regulation der TGFβ- sowie der p53-Signalwege. Da diese Signalwege eine zentrale Rolle in der epithelial-mesenchymalen Transition (EMT) spielen, charakterisiert dies SHISA3 als potenziellen Schlüsselregulator der vaskulären Zellentwicklung aus dem Epikard. Darüber hinaus wurden Hinweise auf einen wechselseitigen Kontrollmechanismus zwischen SHISA3 und TGFβ in EPI-Zellen gefunden, die mit TGFβ-Inhibitoren behandelt wurden: Dies führte zu einer anhaltenden Expression von SHISA3 während der Entwicklung. Diese Ergebnisse charakterisieren SHISA3 als exklusiven Marker unreifer, vom Epikard abgeleiteter Vorläuferzellen, der die Festlegung des kardiovaskulären Differenzierungswegs in der Entwicklung und möglicherweise auch bei kompensatorischer fetaler Reprogrammierung im erkrankten Herzen beeinflusst. Die erhöhte Expression von SHISA3 während der frühen Entwicklung von vSMCs aus der beschriebenen SHISA3-Genaktivator-hiPSC-Linie deutet auf eine SHISA3-abhängige Regulation kritischer, an der EMT beteiligter Signalwege hin. Dies unterstreicht die bedeutende Rolle von SHISA3 bei der mesenchymalen Identätsfindung während der durch das Epikard vermittelten, EMT-getriebenen Entwicklung vaskulärer Zellen.Understanding how vascular cells develop can be used to discover new paths of cell renewal within the diseased heart, with a particular focus on the epicardium for cardiac regeneration. Previous studies have shown that activating the Wnt/β-catenin pathway leads to the reprogramming of cardiomyocytes and vascular cells, resulting in harmful changes in the adult heart. In this study, a previously unknown population of SHISA3-expressing cells, distinct from cardiomyocytes, was discovered in both developing and diseased hearts. I aimed to investigate the role of these cells in determining the fate of human vascular cells derived from sub-epicardial cardiovascular progenitors using human induced pluripotent stem cell (hiPSC) derived in vitro models. In mouse embryos at day 14.5, SHISA3+ cells expressing alpha smooth muscle actin were predominantly found in the sub-epicardium, aligning with the presence of immature vascular markers. Consistent with previously described in vivo findings, early upregulation of SHISA3 along with a gradual decline was displayed in hiPSCs differentiated towards epicardial cells (EPI cells) and their vascular smooth muscle cell (vSMC) and fibroblast derivatives. To further confirm the SHISA3+ population as a shared pool of early vascular progenitors, whole cell single cell sequencing of these cells was conducted at differentiation day 8. This analysis unveiled SHISA3 as a marker gene exclusively expressed in early transitional cells, undergoing an epicardial-to-mesenchymal shift in cell identity. To understand the impact of SHISA3 overexpression on these models in a precisely controlled manner, I created and analyzed transgenic hiPSC lines. Using the CRISPRa technology coupled with a doxycycline inducible guide RNA, these lines allowed for inducible endogenous SHISA3 activation, whereas a non-targeting guide RNA served as control. Originating from an epicardial state, SHISA3-acitvated cells were directed towards vSMCs with subsequent whole transcriptome RNA analysis. Here, notable effects on the regulation of TGFβ as well as p53 signaling pathways were revealed. Given that these pathways play fundamental roles in the epithelial-to- mesenchymal transition (EMT) process, this characterizes SHISA3 as a potential key regulator of vascular cell development from the epicardium. Furthermore, evidence for a SHISA3- and TGFβ-mediated mutual control mechanism was found in EPI cells treated with TGFβ-inhibitors, leading to sustained expression of SHISA3 throughout development. These findings characterized SHISA3 as an exclusive marker of early epicardium-derived transitional progenitor cells, influencing cardiovascular cell fate determination in development and, potentially, compensatory fetal reprogramming in the diseased heart. Increased expression of SHISA3 during the early development of vSMCs from the described innovative SHISA3 gene activator hiPSC line indicated a SHISA3-dependent regulation of critical pathways involved in EMT. This underscores a significant role for SHISA3 in determining cell fate during epicardial EMT-driven vascular cell development.2025-09-1

Winter Hardiness and Freezing Tolerance of Winter Faba Bean (Vicia faba L.): From QTL Identification and Validation to Genome-Wide Predictions of Genotypic Values

Das wachsende Interesse an pflanzenbasierten Proteinen und einem nachhaltigeren Agrarsystem mit erweiterten Fruchtfolgen, reduziertem Düngemitteleinsatz sowie einer höheren Vielfalt an Kulturpflanzen und Fauna hat angesichts des Klimawandels zugenommen. Die Ackerbohne (Vicia faba L.), eine lokal angepasste, kühle-tolerante Leguminose, stellt die beste Alternative zu nicht nachhaltigen Sojaimporten dar. Ihr Anbaugebiet wächst kontinuierlich in europäischen Ländern. Obwohl die im Herbst ausgesäte Winterackerbohne gegenüber der Sommerackerbohne einen deutlichen Ertragsvorteil von bis zu 47% bietet, wird sie derzeit nur in Frankreich und Großbritannien im großen Maßstab angebaut. Der limitierende Faktor ist die unzureichende Winterhärte, wodurch kalte Winter mit Temperaturen unter -12 °C eine ernsthafte Gefahr darstellen und zu schwerwiegenden Ertragsverlusten durch Auswinterung führen können. Bisher war der Zuchtfortschritt zur Verbesserung der Winterhärte begrenzt. Die Selektion im Feld erfordert gut differenzierende Winterbedingungen, die jedoch selten auftreten. Daher wurden künstliche Screening-Methoden zur Erfassung der Frosttoleranz entwickelt, um die Identifizierung von QTLs und eine bessere Selektion zu ermöglichen. Die Frosttoleranz ist die Hauptkomponente der Winterhärte. Obwohl im Genpool der echten Winterackerbohnen eine große genetische Variation für Frosttoleranz und Winterhärte existiert, wurden Forschungs- und Zuchtfortschritte durch das Fehlen geeigneter genomischer Werkzeuge und Methoden erschwert. Daher könnte die QTL-Identifizierung und Entwicklung von SNP-Markern für die Markergestützte Selektion (MAS) den Zuchtfortschritt in der Winterackerbohnenzüchtung erheblich steigern. Das kürzlich veröffentlichte V. faba Referenzgenom sowie kostengünstige Hochdurchsatz-Genotypisierungsplattformen könnten den Zuchtfortschritt weiter beschleunigen, indem sie eine genomweite Vorhersage von genotypischen Werten ermöglichen. Angetrieben vom Klimawandel werden mildere Winter mit plötzlichen, aber schweren Frost- und Spätfrostereignissen immer wahrscheinlicher. Daher sollte die Toleranz gegenüber Spätfrost ebenso wichtig bewertet werden wie die Toleranz gegen Frost im Winter. Das Ziel dieser Dissertation war es daher, die quantitativen genetischen Ursachen der Winterfrost- und Spätfrosttoleranz in europäischen Winterackerbohnen mittels modernster genomischer Methoden zu entschlüsseln. In Kapitel 2 wurde die genetische Variation für Spätfrosttoleranz bei Winterackerbohnen untersucht. Hierfür musste die Screening-Methode, die zur Untersuchung der Winterfrosttoleranz entwickelt wurde, angepasst werden, um eine ausreichende Enthärtung und somit eine genaue Erfassung der Spätfroststressreaktion zu ermöglichen. Die untersuchten 188 Winterackerbohnenlinien zeigten in den sieben Experimenten unter Spätfrostbehandlung eine signifikante genetische Variation für Spätfrosttoleranz. Diese Variation bietet die Möglichkeit auf eine verbesserte Spätfrosttoleranz zu züchten. Die hohe, jedoch nicht perfekte Korrelation zwischen den drei untersuchten frostrelevanten Submerkmalen sowie die mittels GWAS identifizierten QTLs verdeutlichen die stark quantitativen Eigenschaften der Spätfrosttoleranz. Trotzdem konnten einige QTLs mit großen Effekten identifiziert werden, was darauf hindeutet, dass MAS für diese Merkmale in Züchtungsmaterial erfolgreich angewendet werden könnte. Insbesondere die Identifikation von mindestens zwei pleiotropen QTLs, die mehrere frostrelevante Submerkmale beeinflussen, erscheint vielversprechend. Darüber hinaus erwies sich die Vorhersage der genotypischen Werte basierend auf geschätzten Marker-Effekten als effektiver Ansatz für eine Multi-Marker-basierte MAS, wobei Vorhersagegenauigkeiten (`prediction ability´) von bis zu 0,57 erreicht wurden. In Kapitel 3 wurde die genetische Architektur der Frosttoleranz weiter untersucht, indem insgesamt 13 frostrelevante Submerkmale sowie zusätzliche morphologische Merkmale für Winter- und Spätfrosttoleranz analysiert wurden. Zur detaillierten Untersuchung dieser Merkmale wurde auf bereits veröffentlichte phänotypische Daten zurückgegriffen, um einen umfassenden Vergleich der beiden Toleranzeigenschaften in denselben 188 Inzuchtlinien zu ermöglichen. Die Identifikation von identischen QTLs in beiden Frostbehandlungen, deutet drauf hin, dass sowohl Winter- als auch Spätfrosttoleranz teilweise von denselben Genen beeinflusst werden. Allerdings wurde der überwiegende Teil der phänotypischen Variation von behandlungsspezifischen QTLs erklärt, was darauf schließen lässt, dass die Winterfrosttoleranz in gehärteten Pflanzen und Spätfrosttoleranz in enthärteten Pflanzen größtenteils von unterschiedlichen Genen beeinflusst wird. Zudem wurde festgestellt, dass sowohl Frostschäden, wie Turgor- und Farbverlust der Blätter, als auch das Überleben nach starkem Frost durch spezifische sowie pleiotrope QTLs beeinflusst werden. Die Validität der GWAS-Ergebnisse wurde mittels eines zweistufigen Validierungsansatzes in einer unabhängigen Stichprobe von 64 Winterackerbohnenlinien überprüft, die ebenfalls auf ihre Winter- und Spätfrosttoleranz hin phänotypisiert wurden. Mehrere QTLs konnten in dieser Validierung bestätigt werden, was sie als vielversprechende Ziele für eine Kandidatengensuche ausweist. Tatsächlich wurden innerhalb der wichtigsten pleiotropen QTLs vielversprechende Kandidatengene mit Bezug zur Vernalisation gefunden, die auch frühere Erkenntnisse aus anderen Leguminosen bestätigen. Gleichzeitig zeigte die Validierung jedoch auch die Grenzen der GWAS auf und unterstrich die Notwendigkeit einer Validierung in unabhängigen genetischen Hintergründen, wie beispielsweise in Zuchtmaterial. Da ein Großteil der phänotypischen Varianz trotz der Identifikation von großen QTLs weiterhin unerklärt geblieben ist, befasst sich Kapitel 4 mit der Evaluierung des Potenzials genomischer Vorhersagen. Mittels genomischer Vorhersage kann die Notwendigkeit von Signifikanztests der Marker-Merkmal Assoziationen und die QTL-Identifikation umgangen werden. Neben den frostrelevanten Submerkmalen wurden auch mehrere agronomisch bedeutende Merkmale, einschließlich Ertrag, auf der Basis eines 16-jährigen historischen Feldversuchsdatensatzes untersucht. Dies ist besonders relevant, da Genomische Selektion bisher kaum in der Ackerbohnenzüchtung erforscht wurde. Die Anwendung eines einfachen GBLUP-Modells ergab bereits bei relativ kleinen Trainingspopulationen Vorhersagegenauigkeiten von über 0,35 für nahezu alle frostrelevanten Submerkmale und agronomischen Merkmale. Diese Ergebnisse unterstreichen das hohe Potenzial der Genomischen Selektion für die (Winter-)Ackerbohnenzüchtung. Die Anzahl der SNPs im Vorhersagemodell hatte bis zu einer Untergrenze von 5000 SNPs nur einen geringen Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit. Allerdings zeigte sich deutlich, dass eine abnehmende genetischen Verwandtschaft zwischen der Trainingspopulation und den vorherzusagenden Genotypen die Vorhersagegenauigkeit erheblich beeinträchtigen kann. Diese Ergebnisse liefern somit wertvolle Anhaltspunkte für die praktische Umsetzung in der Züchtung. Darüber hinaus erwies sich die Vorhersage von Genotypen in unbekannten Umwelten, also Umwelten, die nicht im Trainingsdatensatz enthalten waren, als besonders schwierig. Die spezifischen Genotyp-Umwelt-Interaktionen sowie die Heritabilität der Merkmale hatten einen starken Einfluss auf die Vorhersagegenauigkeit in diesen Szenarien. Abschließend zeigte eine vorläufige Evaluierung eines indirekten Genomischen Selektionsansatzes, dass frostrelevante Submerkmale als Proxy für die Winterhärte im Feld genutzt werden können, um den Zuchtfortschritt für diese in der Winterackerbohnenzüchtung zu beschleunigen. Zusammenfassend leistet diese Dissertation einen bedeutenden Beitrag zum Verständnis der genetischen Architektur der Frosttoleranz bei Winterackerbohnen. Hierbei erwies sich die Erfassung der Frosttoleranz unter künstlichen, kontrollierten Bedingungen als erfolgreich. Allerdings bringt diese Methode sowohl für die Forschung als auch für die Züchtung spezifische Vor- und Nachteile mit sich, die in Kapitel 5 diskutiert werden. Darüber hinaus ermöglichte die Nutzung genomweiter Marker eine QTL-Identifikation für Frosttoleranz mit einer bisher unerreichten Auflösung in der Ackerbohne. Es konnte eine Vielzahl validierter Marker identifiziert werden, die sowohl für die Kandidatengensuche als auch für MAS genutzt werden können. Allerdings hat die Anwendung von GWAS-basierten Markern in der MAS auch seine Grenzen, die berücksichtigt werden müssen. Die Kombination aus GWAS und Genomischer Selektion eröffnet neue Möglichkeiten zur Optimierung der Selektion in der (Winter-)Ackerbohnenzüchtung. In Kapitel 5 werden daher Konzepte und Ideen zur Verbesserung der genomischen Vorhersage durch Integration validierter Marker in Vorhersagemodelle sowie zur effizienten Implementierung der Genomischen Selektion in ein Ackerbohnenzuchtprogramm zur Beschleunigung des Zuchtfortschritts erläutert.The growing interest in plant-based proteins and a more sustainable agricultural system, with wider crop rotations, reduced fertilizer input, and increased crop and fauna diversity, has intensified in response to climate change. Faba bean (Vicia faba L.), as locally adapted cool-season grain legume, is a viable alternative to unsustainable soybean imports, and its cultivation area is continuously increasing in Europe countries. Although autumn sown winter faba bean offers a significant yield advantage of up to 47% over spring faba bean, large scale cultivation is currently limited to France and the UK. The primary constraint is insufficient winter hardiness, as cold winters with frost below -12 °C pose a serious risk, often resulting in winterkill and substantial yield losses. To date, breeding progress for improved winter hardiness has been limited. Field-based selection depends on well-differentiating winters, which are rare. Consequently, artificial screening methods for assessing freezing tolerance have been developed to facilitate QTL identification and support selection decisions. Freezing tolerance is the major component of winter hardiness. Despite the broad genetic variation for freezing tolerance and winter hardiness present in the genuine winter faba bean gene pool, research and breeding efforts have been hindered by a lack of genomic tools and methods. Accordingly, QTL identification and SNP marker development for marker-assisted selection (MAS) could markedly enhance genetic gain for these traits in winter faba bean breeding. The recently published V. faba reference genome, along with the availability of low-cost, high-density genotyping platforms, could further accelerate genetic gain by enabling genome-wide predictions of genotypic values. As climate change progresses, milder winters with less predictable but severe frosts and late-frost events are likely to become more frequent. Therefore, tolerance to late-frost should be considered equally important as tolerance to frost in winter. The objective of this dissertation was to decipherer the quantitative genetic architecture of winter-frost and late-frost tolerance in European winter faba bean using state-of-the-art genomic approaches and methods. In Chapter 2, the genetic variation for late-frost tolerance in winter faba bean was investigated. For this purpose, the screening method, which was developed for the investigation of winter-frost tolerance, had to be adapted to enable sufficient dehardening and thus an accurate assessment of the late-frost stress response. A set of 188 winter faba bean inbred lines was studied in a series of seven late-frost treatment experiments, revealing significant genetic variation for late-frost tolerance. This genetic variance provides opportunities for breeding to enhance the level of late-frost tolerance in winter faba bean. The high but incomplete correlation among the three freezing-related sub-traits, combined with the trait-specific marker-trait associations identified via GWAS, confirmed the highly quantitative nature of late-frost tolerance. However, large-effect QTLs were identified, suggesting the potential for substantial genetic gain through MAS when applied in breeding populations for selection or allele introgression. In this regard, identification of at least two pleiotropic QTLs affecting multiple freezing-related sub-traits offers promising MAS targets. Moreover, prediction of genotypic values based on GWAS-estimated marker effects proved effective for multi-marker-based MAS, achieving prediction abilities of up to 0.57. To further dissect the genetic architecture of freezing tolerance, the comprehensive set of 13 freezing-related sub-traits and additional morphological traits were investigated for both late-frost tolerance and winter-frost tolerance in Chapter 3. Previously published detailed phenotypic data on winter-frost tolerance were used to facilitate an in-depth comparison of these traits in the same set of 188 inbred lines. Several large-effect QTLs were identified as treatment-unspecific, indicating their involvement in both winter-frost and late-frost tolerance. However, most of the phenotypic variance for winter-frost and late-frost tolerance was explained by treatment-specific QTLs. Apparently, tolerance to winter-frost, i.e., in hardened plants, is controlled by both distinct and overlapping genetic mechanisms as the tolerance to late-frost, i.e., in dehardened plants. Furthermore, both frost stress symptoms, such as loss of turgor and color in leaves, and the survival under severe frost seem to be affected by a combination of trait-specific and major pleiotropic QTLs. In addition, the reliability of GWAS results was evaluated through a two-step validation approach in an independent set of 64 winter faba bean lines, which were also phenotyped for winter-frost and late-frost tolerance. Several marker-trait associations were verified in this independent dataset, highlighting associated QTLs as high-confidence targets for candidate gene identification. Indeed, credible candidate genes for freezing tolerance involved in vernalization were identified within the major pleiotropic QTLs, corroborating previous findings in other legumes. However, the two-step validation approach also exposed limitations of the GWAS study design and emphasized the need for validating GWAS results in independent genetic background such as a breeding population. Despite the identification of numerous large-effect QTLs based on high-quality phenotypic data, a substantial proportion of the observed phenotypic variance for both winter-frost and late-frost tolerance remained unexplained. To circumvent the need for significance testing of marker-traits associations and QTL identification, the potential of genomic prediction for marker-based selection for freezing tolerance was evaluated in Chapter 4. This evaluation also includes several agronomically important traits, such as yield, derived from a comprehensive 16-year historical field trial dataset, as genomic prediction has not yet been extensively studied in faba bean. A simple genomic best linear unbiased prediction (GBLUP) model achieved reasonable prediction abilities (>0.35) for almost all freezing-related sub-traits and agronomic traits, even with relatively small training population sizes. These results suggest a high potential for implementing genomic selection in (winter) faba bean breeding. The number of SNPs used in the prediction model had only limited effect on the prediction ability if not reduced below 5,000 SNPs. However, a clear decline in prediction ability was observed when genetic relatedness between the training population and the predicted genotypes decreased. Both findings provide important information for consideration of practical implementation. Additionally, predicting a genotype’s performance in "new" environments (i.e., environments not included in the training dataset) remains a major challenge, as genotype-by-environment interactions and limited heritability values significantly affect prediction ability in such "across-cycle" prediction scenarios. Finally, genomic prediction of freezing-related sub-traits could also be integrated into an indirect genomic selection strategy, using these sub-traits as proxies for winter hardiness in the field. Preliminary evaluations of this indirect genomic selection approach predicted a promising acceleration of genetic gain for winter hardiness. In conclusion, this dissertation represents a significant contribution to the understanding of the genetic architecture of freezing tolerance in winter faba bean. Artificial screening for freezing tolerance played a key role in this research. Nevertheless, its advantages and limitations for both research and breeding were critically discussed in Chapter 5. In addition, utilization of genome-wide markers enabled QTL identification for freezing tolerance at a resolution which has not been possible in faba bean before. A large set of verified high-confidence markers was identified, offering valuable resources for candidate gene search and MAS. However, application of GWAS-derived markers in MAS has certain limitations that should be considered. With both GWAS and genomic prediction now available, the optimal integration of these approaches into (winter) faba bean breeding programs must be evaluated to drive genetic gain. Chapter 5 provides an outlook on how the performance of genomic prediction could be improved by integrating the verified marker into the prediction model. Additionally, several concepts and ideas for effectively incorporating genomic prediction into a line breeding program are proposed to enable accelerating genetic gain in (winter) faba bean breeding.2025-06-1

Molecular Physiology of Synaptic Sound Encoding

Cochlear inner hair cells (IHCs) of the auditory system form specialised chemical synapses called ribbon synapses with type I spiral ganglion neurons (SGNs). These synapses encode sound information into neural signals for further transmission to the brain. The hallmark of these synapses is the synaptic ribbons - an electron-dense structure that tethers synaptic vesicles (SVs) close to the presynaptic active zones (AZ). This is believed to mediate fast, temporally precise, and tireless transmission of acoustic information essential for hearing. Despite major efforts, much remains unknown about these ribbon synapses, including the precise role of the synaptic ribbon in the auditory context and the molecular anatomy of these specialised synapses. Furthermore, absence of appropriate techniques to culture IHCs and a scarcity of IHCs inside the inner ear has hampered a detailed molecular dissection of these synapses, many components of which are likely unknown or not well understood. In this PhD thesis, we have attempted to shed light on the molecular structure and function of the IHC ribbon synapses by adopting both, top-down and bottom-up approaches. Firstly, we have investigated the role of Piccolino - a unique, shorter isoform of the AZ protein Piccolo, which is found exclusively at ribbon synapses and is a part of the synaptic ribbon scaffold. Our results show that Piccolino is necessary for maintaining ribbon architecture and for normal hearing. Secondly, we established reconstitution of synthetic ribbon-type AZs in a synapse-naïve heterologous expression system to investigate the minimal molecular requirements for such an assembly and assess Ca2+ channel clustering by ribbon components. Lastly, we established the use of MINFLUX nanoscopy in cochlear tissue samples to investigate the architecture of IHC ribbon synapses at a molecular level spatial resolution and chart the topography of various protein components, with special emphasis on presynaptic voltage-gated Ca2+ channels. Overall, this thesis attempts to bring new insights into our current understanding of IHC ribbon synapses, bridging gaps in existing knowledge and providing new perspectives into the molecular anatomy of these intriguing synapses.2025-07-3

Neodymium:YAG-laser therapy of mucoid dorsal cysts: clinical efficacy and effects in a 3D tissue model

Diese Arbeit evaluiert die Nd:YAG-Laserbehandlung als neue Methode zur Behandlung von mukoiden Dorsalzysten, für die bislang kein einheitliches Behandlungsverfahren existiert. Dafür werden zum einen die klinische Wirksamkeit und das Potential dieser neuen Therapieoption untersucht. Zum anderen werden die zellulären und molekularen Veränderungen in dermalen Fibroblasten sowie der zugrunde liegende Wirkmechanismus, der durch die Nd:YAG-Laserbehandlung ausgelöst wird, analysiert. Zur Bewertung der klinischen Wirksamkeit sowie zur Erfassung von Langzeitergebnissen und der Patientenzufriedenheit wurde ein Fragebogen eingesetzt, der an einem Kollektiv von 39 Patienten angewendet wurde. Von den befragten Patienten waren 64 % weiblich und das Durchschnittsalter aller Befragten lag bei 62,9 Jahren. Die vorgestellte Behandlungsmethode kombiniert Punktion, Expression und Nd:YAG-Lasertherapie und zeigte in der Patientenbefragung eine hohe Rezidivfreiheit (86,7 %), eine sehr gute Verträglichkeit und eine entsprechend hohe Patientenzufriedenheit. Um den Einfluss der Nd:YAG-Laserbehandlung auf dermale Fibroblasten zu untersuchen, wurden zugrundeliegenden zellulären und molekularen Wirkmechanismen mit besonderem Fokus auf Fibrose-assoziierte Prozesse analysiert. Dazu wurden BJ-Fibroblasten in eine 3D-Kollagenmatrix (dermale Äquivalente) eingebettet und hinsichtlich Morphologie, Zellvitalität und Genexpression analysiert. Mittels Phasenkontrast- und Konfokalmikroskopie konnte gezeigt werden, dass die Nd:YAG-Lasertherapie keinen erkennbaren Einfluss auf die Zellvitalität und Morphologie der Fibroblasten hat. Sowohl behandelte als auch unbehandelte Zellen wiesen eine elongierte Zellform sowie die charakteristische Schwarmstruktur, ohne Anzeichen einer Zellschädigung auf. Die mit dem Nd:YAG-Laser behandelten Fibroblasten zeigten neben einer verstärkten Expression von pro-fibrotischen Markern wie PAI-1 und VIM auch eine signifikant erhöhte Genexpression der Hyaluronsäuresynthase HAS2, die für die Bildung von Hyaluronsäure verantwortlich ist. Zudem konnte eine Reduktion der Hyaluronsäurekonzentration im Zellkulturüberstand nach der Laserbehandlung nachgewiesen werden. Insgesamt deuten die Ergebnisse auf ein durch die Nd:YAG-Laserbehandlung ausgelöstes dermales Remodeling und eine damit assoziierte Wundheilung hin, welche potenziell die Pathogenese der mukoiden Dorsalzyste beeinflussen könnte. Diese Arbeit zeigt somit die Effektivität, die zugrunde liegenden molekularen Prozesse und das maßgebliche Potenzial der Nd:YAG-Laserbehandlung als innovative und minimalinvasive Behandlung von mukoiden Dorsalzysten, die zukünftig als standardisiertes Verfahren in Betracht gezogen werden sollte.This study evaluates Nd:YAG-laser treatment as a novel therapeutic option for mucoid dorsal cysts, for which no standard procedure currently exists. In the first part, the clinical efficacy and potential of this new treatment are analyzed using a patient survey. In the second part, the cellular and molecular changes in dermal fibroblasts, as well as the underlying mechanism induced by the Nd:YAG-laser treatment will be investigated. To evaluate the clinical efficacy, long-term results, and patient satisfaction, a questionnaire was used. The study cohort consisted of 39 patients, of whom 64 % were female. The mean age of all participants was 62.9 years. The treatment method evaluated in this study combines puncture, expression, and Nd:YAG-laser therapy, demonstrating a high recurrence-free rate (86.7 %), excellent tolerability, and a correspondingly high level of patient satisfaction in the patient survey. To investigate the influence of Nd:YAG-laser treatment on dermal fibroblasts, the underlying cellular and molecular mechanisms were analyzed, with a particular focus on fibrosis-associated processes. To this end, BJ fibroblasts were embedded in a 3D collagen matrix (dermal equivalents) and assessed for morphology, cell viability, and gene expression. Phase contrast imaging and confocal microscopy confirmed that Nd:YAG-laser therapy had no discernible effect on fibroblast viability or morphology. Both treated and untreated cells exhibited an elongated cell shape and the characteristic swarm structure, with no evidence of cell damage. However, laser-treated fibroblasts showed increased expression of pro-fibrotic markers such as PAI-1 and VIM, along with a significantly increased expression of the hyaluronic acid synthase HAS2, which is responsible for the synthesis of hyaluronic acid. In addition, the hyaluronic acid concentration in the cell culture medium was reduced after laser treatment. Collectively, these observations suggest that Nd:YAG-laser treatment induces dermal remodeling and promotes wound healing, which may influence the pathogenesis of mucoid dorsal cyst. In summary, this work demonstrates the efficacy, underlying molecular processes, and significant potential of Nd:YAG-laser treatment as an innovative, minimally invasive approach to the treatment of mucoid dorsal cysts, which should be considered as a standarized procedure in the future.2025-03-2

2D-Shear-wave Elastographie zur Evaluation der Lebersteifigkeit bei systemischer Sklerodermie und primärer biliärer Cholangitis

2D Shear-wave elastography (2D-SWE) is a simple, proven, and inexpensive method for determining the liver stiffness (LS). In the present study, we examined the LS using 2D-SWE in patients with systemic sclerosis (SSc) and overlap of systemic sclerosis and primary biliary cholangitis (SSc-PBC), and compared the results with patients with primary biliary cholangitis (PBC) and healthy subjects. In summary, patients with SSc without PBC have normal LS, which corresponds to the values of a healthy cohort. Our results demonstrate that SSc-PBC is more common in anti-centromere antibody-positive limited cutaneous SSc and is associated with increased LS. PBC appears to be the leading cause of increased LS in SSc patients. Due to the small number of patients in our study, further studies should be performed to confirm our results. Although 2D-SWE may be used as a simple non-invasive screening tool to determine LS in cases of suspected liver involvement in SSc, additional studies combining 2D-SWE, magnetic resonance imaging, and liver biopsy with histological examination may be helpful to clarify the etiology of elevated LS in some SSc patients without confirmed PBC. Considering antibody-negative PBC or other forms of liver involvement in SSc, liver biopsy could be considered in selected SSc patients with elevated LS, especially if the diagnostic criteria for PBC are not met without histological confirmation.2025-06-3

The effect of 8-prenylnaringenin and alendronate in combination with vertical whole-body vibration on the vertebral body of the osteopenic rat model

Die Osteoporose ist eine systemische Erkrankung des Skeletts mit verminderter Knochenstabilität und erhöhtem Frakturrisiko. Aufgrund steigender Osteoporose-bedingter Gesundheitskosten stellen die Erkrankung und ihre Therapie ein zunehmendes gesundheitsökonomisches Problem der modernen Gesellschaft dar und rücken daher vermehrt in den Fokus des wissenschaftlichen und öffentlichen Interesses. Insbesondere die postmenopausale Östrogenmangel-induzierte Osteoporose steht im Mittelpunkt vieler Projekte. Vertikale Ganzkörpervibration (WBVV) hat bei verschiedenen Frequenzen in klinischen und experimentellen Studien eine positive Wirkung auf das Knochengewebe gezeigt. Alendronat (4-Amino-1-Hydroxybutyliden-1,1-Bisphosphonat; AL) ist ein zugelassenes Antiosteoporose-Medikament. 8-PN ist der stärkste Agonist unter den Phytohormonen am Östrogenrezeptor α, der in früheren Studien eine signifikante Verbesserung der Knochenmineraldichte (bone mineral density, BMD) bewirkte. Ziel dieser Studie war es, mögliche synergistische Effekte von AL und 8-PN in Kombination mit WBVV auf Wirbelkörper von ovariekomierten (OVX) Ratten als Modell für postmenopausale Osteoporose zu untersuchen. Drei-Monate alte weibliche Ratten (ngesamt =90) wurden in sieben Gruppen eingeteilt: (i) NON-OVX, (ii) OVX, (iii) OVX+WBVV, (iv) OVX+AL, (v) OVX+AL+WBVV, (vi) OVX+8-PN, (vii) OVX+8-PN+WBVV. OVX wurde in den Gruppen ii-vii durchgeführt. Die WBVV in den Gruppen iii, v und vii (35 Hz, 0,5 mm) begann am Tag 35 nach der OVX, fünfmal pro Woche, zweimal pro Tag für 15 min. AL wurde ab dem 35. Tag nach der OVX in den Gruppen iv und v in einer Konzentration von 10 mg/kg Futter im Pelletfutter verabreicht, was zu einer durchschnittlichen täglichen Dosis von 0,58 mg/kg Körpergewicht (KG) führte. Subkutane Injektionen von 1,77 mg/kg KG des Phytohormons 8-PN wurden ab dem 35. Tag nach OVX in den Gruppen vi und vii appliziert. Die Behandlungsdauer betrug zehn Wochen. Am Ende des Versuchs wurden Blutproben entnommen und die Lendenwirbelkörper (LWK I-IV) präpariert. Es wurde die Serumaktivität der alkalischen Phosphatase (AP) bestimmt. Im Knochen wurden Genexpressionsanalysen für die Alkalische Phosphatase (AP), Osteocalcin (OC), Rezeptor Aktivator des Kernfaktors (nuclear factor)-κB Ligand (RANKL), Osteoprotegerin (OPG) und die Tartrat-resistente saure Phosphatase (TRAP) durchgeführt. Außerdem wurden nach der Veraschung der Calciumund Phosphatanteil bestimmt und die organische und anorganische Substanz gemessen. Die Analysen der Knochenmineraldichte (bone mineral density, BMD), der Kortikalis und des Trabekelnetzwerks wurden mittels Mikrocomputertomographie (mCT) durchgeführt. Die Knochenqualität wurde durch biomechanische Tests bewertet. Der Erfolg der OVX zeigte sich in der vorliegenden Untersuchung in einer Reduktion des Uterusgewichtes und des anorganischen Knochenanteiles. Die biomechanischen Eigenschaften des Knochens und die Zusammensetzung des Knochens hinsichtlich des Calciumanteils wurden durch die OVX jedoch nicht beeinträchtigt. Auf die Aktivität der AP und die Genexpression der untersuchten Knochenmarker hatte die OVX in der vorliegenden Untersuchung keinen nachweisbaren Effekt. Anhand der mCT-Analyse konnte gezeigt werden, dass das trabekuläre Netzwerk und die Kortikalis durch die OVX nicht beeinträchtigt wurden, obwohl die BMD signifikant reduziert war. Im Rahmen einer wirksamen Osteoporosetherapie sollte ein positiver Effekt auf den Knochenumsatz nachweisbar sein und die biomechanischen Eigenschaften des Knochens optimiert werden. Dies konnte in der vorliegenden Arbeit weder für die Einzelbehandlungen mit WBVV, AL und 8-PN noch für die Kombinationsbehandlungen von AL+WBVV und 8-PN+WBVV gezeigt werden. Die Anwendung von WBVV reduzierte die BMD und erhöhte AP im Serum. Der Einsatz von AL erhöhte zwar den Calciumanteil, hatte aber keinen Effekt auf biomechanischen und strukturellen Eigenschaften der OVX-Ratten. Die Kombination aus AL+WBVV erhöhte die OC-Genexpression und AP im Serum, was auf einen positiven Einfluss auf die Osteoblasten hinweist, hatte aber ansonsten keine positive Auswirkung auf die Knocheneigenschaften des LWKs im Vergleich zu AL allein. 8-PN wurde den OVX-Ratten in der vorliegenden Arbeit in einer nicht-karzinogenen Dosis verabreicht und zeigte konsekutiv keinen Anstieg des Uterusgewichtes, führte jedoch auch zu keiner signifikanten Verbesserung der Knochenqualität. Die Kombination von 8- PN+WBVV führte zur Reduktion des TV und einem Anstieg des BV/TV-Verhältnisses, aber zu keiner Steigerung der BMD. Analysen der Skelettmuskulatur im Rahmen anderer Untersuchungen zeigten eine Zunahme der Muskelfasergröße durch WBVV in diesem Tierversuch. AL und 8-PN erhöhten die Kapillardichte, was zu einer verbesserten Muskeldurchblutung führte und sich letztlich positiv auf die Knochenstruktur auswirken könnte. Osteoporose wird auch in Zukunft ein medizinisch relevantes Forschungsgebiet bleiben und sollte weiterhin Gegenstand randomisierter Studien sein. Für zukünftige Studien wäre eine Kombination von 8-PN und AL interessant. Weiterhin könnten mögliche synergistische Effekte von Sclerostininhibitoren in Kombination mit AL, 8-PN oder WBVV untersucht werden.Osteoporosis is a systemic disease of the skeleton with reduced bone stability and increased fracture risk. Due to rising osteoporosis-related healthcare costs, the disease and its treatment represent an increasing health economic problem in modern society and are therefore increasingly becoming the focus of scientific and public interest. In particular, postmenopausal oestrogen deficiency-induced osteoporosis is at the centre of many projects. Whole-body vertical vibration (WBVV) has shown a positive effect on bone tissue at various frequencies in clinical and experimental studies. Alendronate (AL) is an authorised antiosteoporosis drug. 8-Prenylnaringenin (8-PN) is the strongest agonist among the phytohormones at the estrogen receptor α, which caused a significant improvement in bone mineral density (BMD) in previous studies. The aim of this study was to investigate possible synergistic effects of AL and 8-PN in combination with WBVV on vertebral bodies of ovariectomised (OVX) rats as a model for postmenopausal osteoporosis. WBVV at different frequencies showed a positive effect on the biomechanical properties of the osteopenic rat. Previous studies also have shown that alendronate (AL) has a positive effect on the biomechanical properties of the vertebral bones of OVX rats. 8-Prenylnaringenin (8-PN), the strongest agonist among the phytohormones at the oestrogen receptor α, showed a significant improvement in BMD in previous studies. The aim of the present study was to investigate synergistic effects of the combination of AL+WBVV and the combination of 8-PN+WBVV on the lumbar spine in the osteopenic rat model. Three-month-old female rats (ntotal =90) were divided into seven groups: (i) NON-OVX, (ii) OVX, (iii) OVX+WBVV, (iv) OVX+AL, (v) OVX+AL+WBVV, (vi) OVX+8-PN, (vii) OVX+8-PN+WBVV. OVX was performed in groups ii-vii. WBVV in groups iii, v and vii (35 Hz, 0.5 mm) started on day 35 after OVX, five times per week, two times per day for 15 min. AL was administered from day 35 after OVX in groups iv and v at a concentration of 10 mg/kg feed in the pellet diet, resulting in an average daily dose of 0.58 mg/kg body weight (bw). Subcutaneous injections of 1.77 mg/kg body weight of the phytohormone 8-PN were administered from the 35th day after OVX in groups vi and vii. The duration of treatment was ten weeks. At the end of the trial, blood samples were taken and the lumbar vertebral bodies (LWK I-IV) were dissected. Serum alkaline phosphatase (AP) activity was determined. In bone, gene expression analyses were performed for alkaline phosphatase (AP), Osteocalcin (OC), receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL), Osteoprotegerin (OPG) and tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP). In addition, the calcium and phosphate content was determined after ashing and the organic and inorganic substance was measured. Analyses of bone mineral density (BMD), cortical bone and the trabecular network were carried out using micro-computed tomography (mCT). Bone quality was assessed by biomechanical tests. Female rats (ntotal =90) were divided into seven groups: (i) NON-OVX, (ii) OVX, (iii) OVX+WBVV, (iv) OVX+AL, (v) OVX+AL+WBVV, (vi) OVX+8-PN, (vii) OVX+8- PN+WBVV. Ovariectomy (OVX) was performed in groups ii-vii. Bilateral osteotomy of the tibial metaphysis with osteosynthesis was performed in all groups on day 63 post OVX. WBVV in groups iii, v and vii (35 Hz /amplitude 0.5 mm) started on day 35 post OVX, five times /week, twice/day, 15 min for ten weeks. AL in the pellet feed from day 35 post OVX onwards in groups iv and v resulted in an average daily dose of 0.58 mg/kg bw. Subcutaneous injections of 1.77 mg/kg body weight of the phytohormone 8-PN from day 35 post OVX in groups vi and vii. The animals were anaesthetised with CO2 110 days after OVX and euthanised by decapitation. Blood samples were taken and the lumbar vertebral bodies (LWK I-IV) were dissected. The blood samples were subjected to serum alkaline phosphatase (AP) analysis. Gene expression analyses for AP, OC, RANKL, OPG and TRAP were performed on the bone samples. Furthermore, the calcium and phosphate content was determined after ashing, and the organic and non-organic matter was measured. Biomechanical tests and analyses of the BMD, the cortical bone and the trabecular network were carried out using three-dimensional reconstructions of microtomographies. In the present study, the success of OVX was reflected in a reduction in uterine weight and the inorganic bone content. However, the biomechanical properties of the bone and the composition of the bone in terms of calcium content were not affected by OVX. In the present study, OVX had no detectable effect on the activity of the AP and the gene expression of the bone markers analysed. Micro-CT analysis showed that the trabecular network and cortical bone were not affected by OVX, although BMD was significantly reduced. As part of an effective osteoporosis therapy, a positive effect on bone turnover should be demonstrable and the biomechanical properties of the bone should be optimised. This could not be demonstrated in the present study either for the individual treatments with WBVV, AL and 8-PN or for the combination treatments of AL+WBVV and 8-PN+WBVV. The use of WBVV reduced BMD and increased AP in serum. The use of AL increased the calcium content but had no effect on the biomechanical and structural properties of the OVX rats. The combination of AL+WBVV increased OC gene expression and AP in serum, indicating a positive effect on osteoblasts, but otherwise had no positive effect on the bone properties of the LWK compared to AL alone. 8-PN was administered to the OVX rats in the present study at a non-carcinogenic dose and consecutively showed no increase in uterine weight, but also did not lead to a significant improvement in bone quality. The combination of 8- PN+WBVV led to a reduction in TV and an increase in the BV/TV ratio, but no increase in BMD. Analyses of skeletal muscle in other studies showed an increase in muscle fibre size with WBVV in this animal study. AL and 8-PN increased capillary density, which led to improved muscle perfusion and could ultimately have a positive effect on bone structure. Osteoporosis will remain a medically relevant area of research in the future and should continue to be the subject of randomised trials. A combination of 8-PN and AL would be interesting for future studies. Furthermore, possible synergistic effects of sclerostin inhibitors in combination with AL, 8-PN or WBVV could be investigated.2025-05-2

Landscape Moderation of Ecological Patterns and Processes

This dissertation studies landscape moderation of ecological patterns and processes by employing different modeling approaches to investigate how landscape patterns influence ecological processes and, reversely, how ecological processes form landscape patterns. The research presented in this dissertation combines two powerful modeling frameworks: pattern-oriented modeling and individual-based modeling. Pattern-oriented modeling integrates empirical data with theory to enhance predictive accuracy, while individual-based modeling simulates patterns emerging from the behavior and interactions of individual organisms within their ecosystems. The dissertation is structured into three main chapters, each targeting a distinct question on the relationship between landscape patterns and ecological processes: In the first study, we investigated the relative effects of habitat amount and fragmentation on species population sizes using the MOBILE simulation model. We model the species’ population sizes because the population dynamics allow us to infer possible threats to biodiversity over time, such as an extinction debt due to small population sizes. We simulated 17 modeled ground beetle species on 600 artificial landscapes to disentangle the independent effects of fragmentation and habitat amount. Our results showed an independent negative effect of fragmentation on the simulated populations, but the effect was smaller than that of habitat loss. The relative effect of fragmentation on the population size was stronger for smaller amounts of habitat and species-specific. We also found that species with higher dispersal abilities were less affected by fragmentation in our model. Our study demonstrates the utility of simulation models for analyzing the complex relationships between species and their landscape context. The second study introduced the FACIA model, which we used to simulate spatial vegetation self-organization and showed how can lead to fairy circles, i.e. to circular barren patches that are regularly distributed in space in a hexagonal pattern. FACIA models only two mechanisms, local facilitation and non-local competition, which generate the emergent patterns of fairy circles. The FACIA model successfully replicated the characteristic spatial patterns of fairy circles. Further simulation experiments showed that self-organization can reproduce the deformed fairy circle patterns found under local disturbance by car tracks. With a combination of simplicity and structural realism, we demonstrated with FACIA how combining individual-based and pattern-oriented modeling leads to a deeper understanding of how small-scale processes can lead to landscape-scale patterns. In the third study, we developed the R package spectre, which uses minimal biological data to estimate regional community compositions at fine spatial resolutions. Based on an optimization algorithm and α-, β-, and γ-diversity estimates from scarcely sampled field data, spectre can predict realistic species presences and absences at hundreds of unsampled sites in a landscape. In ecological modeling, spectre may become especially useful to realistically initialize simulation models when field data with α-, β- and γ-diversity is available. In this application, spectre would be used to apply the same diversity functions on different artificial landscapes, and the resulting spatially explicit biodiversity patterns could then be used as an input to simulation experiments. All three studies emphasize the advantages of integrating models with empirical data, thereby facilitating a more comprehensive understanding of ecological dynamics and ultimately informing and even enabling effective conservation strategies. Our findings advance ecological theory while at the same time providing practical insights for managing and preserving biodiversity in a changing world. The dissertation concludes with a general discussion integrating findings from all three studies. It emphasizes the necessity of combining theoretical approaches with computational tools for investigating complex ecological phenomena. In modeling beetle populations, simulating the formation of fairy circles, and developing the spectre R package, we demonstrated the significance of addressing species-specific responses to habitat fragmentation, understanding the mechanisms of landscape pattern formation, and developing computational tools to enhance biodiversity research in order to ultimately support the sustainable management of biodiversity in changing landscapes.2025-03-0