Ultra-high field NMR spectroscopy of GABA in the human brain

Magnetic resonance imaging (MRI) is a non-invasive and radiation-free imaging method that has been utilized in medicine for decades. Using magnetic fields, the nuclear spins within the tissue are perturbed, and the resulting magnetization is measured. A strong, homogeneous main field creates a net magnetization within the subject. This magnetization can be manipulated by applying RF pulses on-resonant to the nuclear magnetic resonance frequency. Switchable gradient fields allow to spatially and temporally alter the resonance frequency. Next to high-resolution anatomical scans, a wide variety of physiological processes, like perfusion and diffusion, can be visualized using different measurement sequences. The time evolution of the magnetization is affected by the molecular surrounding of the nuclear spin. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) uses this effect to differentiate the signals of different chemical compounds and infer their concentrations. Although MRS is historically older than MRI, it is still rarely used in clinical practice. This is mainly because of the limited signal strength. MRI uses the signal from the hydrogen nuclei within the water molecules. The concentration of the compounds that are measured using MRS is much lower. Furthermore, elaborate data processing is needed to ensure reliable concentration estimates. A higher magnetic field strength leads to an increased signal. Additionally, the spectral resolution increased. Therefore, MRS could strongly benefit from the relatively recent introduction of clinical 7 Tesla MRI machines. The higher field strength does not come without challenges. The higher resonance frequency facilitates slice selection, which is needed to obtain a localized signal. Furthermore, the higher RF frequency leads to a more effective absorption within the tissue. For security reasons, the applicable RF power is limited. This must be taken into account when planning measurement sequences. Lastly, the magnetic fields are less homogeneous compared to lower field strengths. This thesis focuses on measuring the concentration of gamma-amino butric acid (GABA), the dominant inhibitory neurotransmitter in the human brain. Changes in GABA concentration are linked to multiple diseases. Due to its low concentration and the signal overlap of more prominent metabolites, a GABA-specific measurement sequence is needed. J-editing is a method that is based on measuring two slightly different spectra. The resonance shapes of the target compound differ in both spectra, while the resonance shapes of an overlapping compound are identical. Consequently, the signal of the target compound can be isolated by subtracting both spectra. MEGA-sLASER is a high-field sequence that uses this principle. The main part of this thesis focuses on the implementation, optimization, and validation of a MEGA-sLASER sequence for GABA concentration estimation. The main target region is the hippocampus, a brain region that is severely affected by Alzheimer’s disease. Strong field inhomogeneities are present in this region, hampering accurate concentration estimates. No hippocampal GABA concentration has previously been published. An inter-subject variation, comparable to published values in more accessible brain regions, was found. To achieve this reproducibility, the pulse sequence was optimized with simulated GABA resonances. Furthermore, a dedicated data processing pipeline was implemented. Additionally, an imaging module is added to the sequence. This allows measuring the spatial distribution of the GABA concentration inside the human brain. Within a single slice, the spatial distribution was imaged with a resolution of 1 mm. Because of the small voxel size and the low GABA concentration, quantification is very difficult. Despite strong noise in the concentration maps, higher GABA concentration in grey matter than in white matter was found. This is in agreement with several published studies

Verkürzung und Optimierung des Nachweises von Listeria monocytogenes in Milcherzeugnissen mittels Real-Time-PCR

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Real-Time PCR-Verfahren auf Basis des TaqMan-Systems für die Detektion von Listeria spp. und von Listeria monocytogenes entwickelt und hinsichtlich der Anwendbarkeit für den Nachweis von Listerien in Milcherzeugnissen und Umfeldproben überprüft. Der genusspezifische Nachweis für Listeria spp. erfasst mit Listeria monocytogenes, Listeria innocua und Listeria seeligeri die wichtigsten und am häufigsten in Milchprodukten nachgewiesenen Listerienspezies. Wenn im gleichen Nachweissystem anstelle der fluoreszenzmarkierten TaqMan-Sonde der interkalierende Fluoreszenzfarbstoff SybrGreen verwendet wird, kann das gesamte Genus Listeria, mit Ausnahme von Listeria grayi ssp. grayi, nachgewiesen werden. Der speziesspezifische Nachweis für Listeria monocytogenes erfasst alle getesteten Stämme dieser Spezies (n = 34) und reagierte mit keiner anderen Spezies falsch positiv. Bei der Untersuchung von Reinkulturen waren für beide Nachweissysteme Keimzahlen von 104-105 KbE/ml für einen sicheren Nachweis erforderlich. Nach der erfolgreichen Etablierung der Nachweise für Reinkulturen wurden künstlich kontaminierte Milchprodukte untersucht. Es wurden sowohl unproblematische Matrizes wie pasteurisierte Vollmilch als auch Produkte mit einem hohen Gehalt an Begleitflora wie Weichkäse untersucht. Hierbei waren für einen zuverlässigen Nachweis niedriger Listerienzahlen von 1-10 KbE/g, aufgrund inhibitorischer Einflüsse einiger Probenmatrizes sowie der Begleitflora auf das Listerienwachstum, Anreicherungszeiten in Halb-Fraser von bis zu 48 h erforderlich. Eine negative Beeinflussung der PCR-Nachweise durch Probenbestandteile wurde nicht beobachtet, wenn die Proben mit dem PrepMan Ultra™ Reagenz aufbereitet wurden. Eine deutliche Verkürzung der Nachweiszeit in problematischen Probenmatrizes konnte durch Separation der Listerien aus der selektiven Anreicherungskultur mittels paramagnetischer Partikel, die mit listerienbindenden Proteinen aus Listeria-spezifischen Phagen beschichtet sind (CBD-MS; KRETZER, 2006), erreicht werden. Die separierten Listerien wurden nach einem kurzen nicht selektiven Anreicherungsschritt (3 h in Trypton-Soja- Bouillon mit Hefeextrakt) mit dem PrepMan Ultra Reagenz aufbereitet und in der PCR eingesetzt. Mit dieser Methode konnte die selektive Anreicherung auf 20 h und die Gesamtnachweiszeit auf 29 h reduziert werden

Funktionelle Besonderheiten des equinen Histamin H1 Rezeptors

In der vorliegenden Arbeit wurden funktionelle Besonderheiten des klonierten equinen Histamin H1 Rezeptors (eH1) aufgeklärt. Insbesondere wurde die agonistvermittelte Regulation von Oberflächenrezeptoren sowie die intrazelluläre Signaltransduktion im Vergleich zum humanen Histamin H1 Rezeptor (hH1) dargestellt. Die Studie erfolgte an stabil die nativen eH1 bzw. hH1 oder die entsprechenden EGFP-Fusionsproteine exprimierenden HEK 293-Zellen. Die verwendeten Zellklone (HEK-hH1 und HEK-eH1) wiesen eine vergleichbare Rezeptorendichte auf. Im Vergleich zum hH1 induziert Histamin am eH1 nur eine geringe Internalisierung des Rezeptors, ein Effekt der sowohl mittels Radioligandenbindung an intakten Zellen als auch im konfokalen Mikroskop (LSM) nachgewiesen wurde. Die Internalisierung des eH1 erfolgt clathrinabhängig unter Beteiligung der GRK 2 und β-Arrestin 1. Dagegen scheint die Internalisierung des hH1 clathrinunabhängig mittels Lipidvesikel abzulaufen. Die klinische Wirksamkeit von Antihistaminika korreliert stark mit ihrer negativ intrinsischen Aktivität. Dabei zeigt der eH1 im Vergleich zum hH1 eine deutlich geringere spontane oder konstitutive Aktivität. Diese spiegelt sich in einer niedrigeren basalen GTPy35S Bindung (Rezeptor/G-Protein Kopplung) wieder, die in Anwesenheit von Diphenhydramin zunimmt. Das Antihistaminikum weist demnach am eH1 eine partielle agonistische Aktivität auf. Aufgrund seiner niedrigen konstitutiven Aktivität wird über den equinen Histamin H1 Rezeptor in HEK 293-Zellen keine basale ERK 1/2 Aktivierung induziert, so dass in diesem System keine dem Diphenhydramin am hH1 entsprechende inverse Aktivität bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu hH1 führt die Aktivierung des eH1 mit Histamin zu einer sehr starken Stimulation der intrazellulären cAMP-Akkumulation. Diese ist im Vergleich zum hH1 nicht PTX- und PLC-abhängig, während beide Rezeptoren über PKA- und PKC-abhängige Mechanismen an die Adenylatcyclase (AC) gekoppelt sind. Zusammenfassend weisen die Ergebnisse auf vielfältige funktionelle und regulatorische Besonderheiten des equinen Histamin H1 Rezeptors hin, die bei der klinischen Anwendung und Entwicklung neuer Antihistaminika beim Pferd berücksichtigt werden müssen

Medizinisches und industrielles Qualitätsmanagement im Vergleich : Grundlegende Betrachtungen am Beispiel der IQM-Methodik und des Six-Sigma-Konzeptes

Die vorliegende Veröffentlichung wurde gegenüber der eingereichten Masterarbeit geringfügig erweitert und modifiziert.Seit 2008 stellt die Initiative Qualitätsmedizin (IQM) allen Krankenhausträgern ein Verfahren zur konsequenten medizinischen Qualitätsverbesserung zur Verfügung, bei dem die Messung und Verbesserung der Ergebnisqualität im Mittelpunkt steht. Durch ihre Teilnahme gehen die Mitgliedskrankenhäuser weit über die gesetzlichen Anforderungen der Qualitätssicherung und -verbesserung hinaus. Aufgrund der fortschreitenden gesetzlichen Detaillierung der Anforderungen an medizinische Qualitätsmanagementsysteme ist die Einordnung der IQM-Methodik in die Qualitätsmanagementsystematik relevant und entscheidend für die weitere Anwendung in den Krankenhäusern. Das in der Industrie etablierte Six-Sigma-Verfahren, unter Bezugnahme auf die DIN EN ISO 9000:2005, eignet sich für einen methodischen Vergleich und die Einordnung der IQM-Methodik, da es sich ebenfalls an messbaren Ergebnissen orientiert. Sowohl in der systematischen Vorgehensweise, als auch in den organisatorischen Voraussetzungen stimmen beide Methoden in weiten Bereichen überein. Die vorliegende Arbeit stellt auf Basis dieses Vergleichs dar, wie die IQM-Methodik im Krankenhaus angewandt und umgesetzt werden muss, um bezüglich der Vorgaben der DIN EN ISO 9000:2005 ein qualifiziertes und vollwertiges internes Qualitätsmanagementsystem eines Krankenhauses darzustellen

Die Bedeutung des Sphingolipidstoffwechsels für die Generierung von inflammatorischen und fibrotischen Mediatoren in renalen Mesangiumzellen

Sphingolipide wie Ceramid, Sphingosin und Sphingosin-1-Phosphat (S1P) werden in jüngster Zeit neben ihrer Funktion als reine Membranbestandteile zunehmend als bioaktive Signalmoleküle verstanden. Im Fokus der derzeitigen Forschung steht S1P, da es vielfältige physiologische und pathophysiologische Prozesse wie die Organisation des Zytoskelettes, die Regulation des Ca2+-Haushaltes sowie Proliferation, Migration und Apoptose reguliert (Meyer zu Heringdorf et al., 2007; Rivera et al., 2008). Zudem wird eine Beeinflussung der Sphingolipid-metabolisierenden Enzyme sowie eine daraus resultierende Verschiebung des S1P-Metabolismus mit einer Vielzahl verschiedener Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Arteriosklerose, Asthma oder Diabetes (Takabe et al., 2008; Pyne et al., 2010). Im Rahmen dieser Arbeit sollten daher verschiedene intra- und extrazelluläre Wirkmechanismen von S1P auf den Sphingolipid- und Eicosanoidmetabolismus in Mesangiumzellen untersucht werden um wertvolle und neue Erkenntnisse für die zukünftige Behandlung von fibrotischen und entzündlichen Nierenerkrankungen zu erhalten. Ein Schlüsselfaktor von Fibroseprozessen ist der Wachstumsfaktor transforming growth factor-β (TGF-β), der die Expression des pro-fibrotischen Bindegewebswachstumsfaktors connective tissue growth factor (CTGF) induzieren kann (Ren et al., 2009). Aus diesem Grund zählen CTGF und TGF-β zu attraktiven therapeutischen Ansatzpunkten bei der Behandlung von fibrotischen Erkrankungen (Boor et al., 2007). Allerdings können Thiazolidindione (TZDs) wie Troglitazon (TRO) oder Rosiglitazon (RSG) seit einiger Zeit neben ihrem Einsatz als antidiabetische Medikamente auch als potentielle Therapeutika zur Behandlung von chronischen, sowohl diabetisch als auch nicht-diabetisch induzierten Nierenerkrankungen und fibrotischen Prozessen zunehmend in Betracht gezogen werden (Lefebvre et al., 2006). Aus diesem Grund wurde in einem ersten Teilprojekt dieser Arbeit der Einfluss von TZDs als Agonisten von Peroxisome proliferator activated receptor (PPARγ) auf den intrazellulären Sphingolipidstoffwechsel und die Rolle von intrazellulär generiertem S1P für die Synthese von pro-fibrotischem CTGF untersucht um weitere Erklärungsansätze für die bekannten reno-protektiven Effekte von TZDs zu erhalten. Zudem wurde im Hinblick auf die Entstehung von Nierenerkrankungen der durch die PPARγ-Agonisten TRO und RSG aktivierte S1P-Rezeptorsubtyp in Rattenmesangiumzellen analysiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die funktionelle Rolle von extra- und intrazellulärem S1P auf die Expression und Aktivität der pro-inflammatorischen Cyclooxygenase-2 (COX-2) und die daran beteiligten Signalwege in renalen Mesangiumzellen untersucht

Experimentelle Untersuchungen methodischer Alternativen im Schnellkrafttraining mit VolleyballspielerInnen (erste Bundesliga)

Der Leistungssport unterliegt einer zunehmenden Professionalisierung, in deren Folge eine Weiterentwicklung der bestehenden Trainingsmethoden dringend notwendig ist, um den steigenden Ansprüchen zu genügen. Zur Prüfung methodischer Alternativen für das Schnellkrafttraining wurden zunächst theoretische Hintergründe der Schnellkraftfähigkeiten betrachtet. Anschließend wurden Ermüdungs- und Potenzierungsprozesse als ausgewählte Reaktionen in Folge akuter Belastungen thematisiert und verschiedene Trainingsmethoden zur Steigerung der Schnellkraft gegenübergestellt. Zudem erfolgte eine Problemeingrenzung in Bezug auf kombinierte Trainingsmethoden sowie den Belastungsfaktor „Pausenzeit“. Der Hauptteil dieser Arbeit umfasste zwei Studien. Mit diesen Untersuchungen sollte herausgefunden werden, 1. ob und wann eine optimale Pausenzeit zwischen einer Vorbelastung und möglichen Leistungssteigerungen im vertikalen Sprung ermittelbar ist. 2. Da wiederholt wirkende Belastungsreize in Trainingsadaptationen münden, wurde eine mehrwöchige Trainingsstudie durchgeführt, um die Frage nach dem Auftreten und der Höhe von Schnellkraftsteigerungen im Vergleich zweier kombinierter Trainingsmethoden zu beantworten. Anhand der vorgestellten Studienergebnisse und der diskutierten Literatur wird die „EMS+Plyo“ Trainingsmethode empfohlen, um Steigerungen von Schnellkraftleistungen mit DVZ der unteren Extremitäten zu erreichen, und die „Kraft+Plyo“-Methode, um Verbesserungen der Maximal- und Schnellkraftleistungen ohne und mit DVZ zu erlangen. In der aktuellen Studie wurden in einer Probandengruppe von volleyballspielenden Leistungssportlern erstmals diese beiden spezifischen Methodenkombinationen in dieser Form miteinander verglichen und führten zu den beschriebenen spezifischen Wirkungen

The association between thyroid function biomarkers and attention deficit hyperactivity disorder

The relation between thyroid function biomarkers and attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) in children and adolescents is currently unclear. Cross-sectional data from the German Health Interview and Examination Survey for Children and Adolescents (KiGGS Baseline) was analyzed to assess the association between thyroid function biomarkers and ADHD in a population-based, nationally representative sample. The study cohort included 11,588 children and adolescents with 572 and 559 having an ADHD diagnosis or symptoms, respectively. ADHD symptoms were assessed through the Inattention/Hyperactivity subscale of the Strength and Difficulties Questionnaire. ADHD diagnosis was determined by a physician or psychologist. Serum thyroid stimulating hormone (TSH), free triiodothyronine (fT3), and free thyroxine (fT4) concentrations were determined enzymatically. Adjusted regression models were used to relate serum TSH, fT3, and fT4 with risk for ADHD diagnosis or symptoms. In children, a 1 mIU/l higher TSH was related to a 10% lower risk (odds ratio [OR] 0.90; 95% confidence interval [CI] 0.81–1.00) of ADHD diagnosis. We found a significant positive association between fT3 and continuously assessed ADHD symptoms in children (β 0.08; 95% CI 0.03–0.14). Our results suggest that physical maturity may influence the association between thyroid function biomarkers and risk for ADHD