In-vivo-Tumorbiologie mittels 68 Ga-PET: Beurteilung der p-Glykoprotein-Aktivität in Weichgewebe-Tumoren sowie Diagnose und Therapie von Knochenmetastasen

Krebs ist eine der häufigsten Krankheiten und stellt eine der wichtigsten medizinischen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar. Eine frühzeitige Diagnose ist dabei essentiell für eine individuell angepasste Therapie zur Verbesserung der Lebensqualität und -erwartung der Patienten. Hierbei kommen der 68Ge/68Ga-Generator und das daraus resultierende PET-Nuklid 68Ga immer stärker in den Fokus von Wissenschaft und Medizin. rnrnFür eine erfolgreiche Therapie stellt die Chemoresistenz (Multi-Drug-Resistance) zahlreicher Tumore eine schwerwiegende Komplikation dar. Für das Therapieversagen ist die Aktivierung des Transportproteins p-Glykoprotein (pGP) maßgeblich mit verantwortlich. Mit Hilfe der Schiff’schen Base [68Ga]MFL6.MZ konnte die Aktivitätsänderung von pGP unter verschiedener Beeinflussung erstmals in vivo beobachtet werden. So zeigte sich, dass sich unter azidotischen Bedingungen in Tumoren die Aktivität des pGP erhöht und somit vermehrt auch Zytostatika, die pGP-Substrate sind, aus den Tumoren transportiert werden. Durch Aufklärung der Abhängigkeit der pGP-Aktivität von dessen Signalkaskade konnte gezeigt werden, dass durch eine Blockade der MAP-Kinase p38 eine Erniedrigung der pGP-Aktivität zu verzeichnen ist. Die ebenfalls in der Signalkaskade eingebundene MAP-Kinase ERK1/2 hingegen spielt hier nur eine untergeordnete Rolle.rnrnNeben dem Versagen der Chemotherapie stellt auch die Metastasierung eines Malignoms massive Einschnitte in die Lebensqualität von Erkrankten dar. Befallen die Metastasen das Skelett eines Menschen, wird dies zumeist erst spät registriert. 68Ga-markierte Bisphosphonate bieten nun die Möglichkeit, Patienten quantitativ auf Knochenmetastasen hin untersuchen zu können. So konnten zu Beginn einfache Phosphonate wie EDTMP und DOTP nicht die nötige in vivo Stabilität bzw. hohe radiochemische Ausbeuten liefern und sind damit für die Anwendung am Menschen uninteressant. Jedoch die DOTA-basierten Bisphosphonate allen voran der Ligand BPAMD zeigen ein großes Potential. In vivo-Versuche an Ratten mit Knochenmetastasen zeigten, dass sich [68Ga]BPAMD an den Metastasen anreichert und einen sehr guten Kontrast zum gesunden Knochen darstellt. Der Tracer konnte erstmals am Menschen angewendet werden und zeigte in ausgewählten Regionen eine höhere Anreicherung als eine zuvor durchgeführte PET-Aufnahme mit [18F]Fluorid. Der Ligand BPAMD bietet außerdem den Vorteil, neben 68Ga auch andere dreiwertige Radionuklide wie das therapeutische 177Lu komplexieren zu können. Durch Studien zur Komplexbildung und Stabilität konnte auch [177Lu]BPAMD in der klinischen Anwendung erprobt werden und zeigte eine Anreicherung an den Knochenmetastasen. So ist es nun möglich, Knochenmetastasen mittels 68Ga-PET zu diagnostizieren, eine entsprechende Dosisberechnung anzustellen und anschließend mit dem gleichen Liganden eine Therapie mit [177Lu]BPAMD durchzuführen.

Synthese von polymergebundenen Sialyl-Lewis x-Strukturen und deren Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-, L- und P-Selektin

Kohlenhydrate dienen nicht nur der Ernährung oder der Stabilisierung von Zellwänden, sondern sie sind auch von essentieller Bedeutung für Zell-Zell-Wechselwirkungen im Organismus. Damit sind sie von besonderem Interesse für die Behandlung von Entzündungen sowie tumorösen Erkrankungen, die auf Wechselwirkungen zwischen bestimmten Kohlenhydraten und Rezeptoren, Selektine genannt, basieren. Die vorliegende Dissertation mit dem Titel „Synthese von polymergebundenen Sialyl-Lewis x-Strukturen und deren Mimetika als Zelladhäsionsinhibitoren für E-, L- und P-Selektin“ befasst sich mit der Synthese und der Modifizierung des natürlich vorkommenden Selektin-Liganden Sialyl-Lewisx und seinen potentiell mimetischen Strukturen auf Basis von Gemischen der an der Bindung beteiligten Kohlenhydrate sowie von sulfatierten Einheiten. Um im Organismus eine verstärkte Bindung an die zu adressierenden Rezeptoren und eine erhöhte Zirkulationsdauer zu erreichen, wurden die geeignet funktionalisierten Liganden mittels reaktiver Polymere auf Basis von Pentafluorphenyl-Reaktivestern im Rahmen einer polymeranalogen Umsetzung an ein definiertes Methacrylamid-Polymer gebunden.Um die biologische Wirksamkeit der synthetisierten Polymere zu überprüfen, wurden Oberflächenplasmonenresonanz-Messungen (SPR-Messungen) durchgeführt. Dabei zeigte sich bei den verschiedenen Selektinen eine unterschiedlich hohe Affinität der Sialyl-Lewis x sowie der mimetischen Polymere. Es konnten bei E-Selektin die geringsten, bei L-Selektin mittlere und bei P-Selektin die höchsten Affinitäten im unteren nanomolaren Bereich festgestellt werden.

Cytotoxicity and P-glycoprotein inhibition by cardiotonic steroids

Herzwirksame Glykoside sind in der Natur sowohl im Tier- als auch im Pflanzenreich zu finden und werden regelmäßig zur Therpaie von Herzinsuffizienz eingesetzt. In letzter Zeit belegten viele Studien, dass herzwirksame Glykoside vielversprechende Substanzen für die Behandlung von Krebs darstellen. Ihr Wirkmechanismus basiert auf der Hemmung der Na+/K+-ATPase. Die Na+/K+-ATPase spielt neuerdings eine wichtige Rolle in der Krebsbiologie, da sie viele relevante Signalwege beeinflusst. Multiresistenzen gegen Arzneimittel sind oftmals verantwortlich für das Scheitern einer Chemotherapie. Bei multi-drug-resistenten Tumoren erfolgt ein Transport der Chemotherapeutika aus der Krebszelle hinaus durch das Membranprotein P-Glykoprotein. In der vorliegenden Arbeit wurde die Zytotoxizität von 66 herzwirksamen Glykosiden und ihren Derivaten in sensitiven und resistenten Leukämie-Zellen getestet. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Naturstoffe die Zell-Linien in verschiedenen molaren Bereichen abtöten. Allerdings waren die Resistenz-Indizes niedrig (d. h. die IC50 Werte waren in beiden Zell-Linien ähnlich). Die untersuchten 66 Substanzen besitzen eine große Vielfalt an chemischen Substituenten. Die Wirkung dieser Substituenten auf die Zytotoxizität wurde daher durch Struktur-Aktivitäts-Beziehung (SAR) erforscht. Des Weiteren wiesen quantitative Struktur-Aktivitäts-Beziehung (QSAR) und molekulares Docking darauf hin, dass die Na+/K+-ATPase in sensitiven und resistenten Zellen unterschiedlich stark exprimiert wird. Eine Herunterregulation der Na+/K+-ATPase in multi-drug-resistenten Zellen wurde durch Western Blot bestätigt und die Wirkung dieser auf relevante Signalwege durch Next-Generation-Sequenzierung weiter verfolgt. Dadurch konnte eine Verbindung zwischen der Überexpression von P-Glykoprotein und der Herunterregulation der Na+/K+-ATPase hergestellt werden. Der zweite Aspekt der Arbeit war die Hemmung von P-Glykoprotein durch herzwirksame Glykoside, welche durch Hochdurchsatz-Durchflusszytometrie getestet wurde. Sechs wirksame Glykoside konnten den P-Glykoprotein-vermittelten Transport von Doxorubicin inhibieren. Zudem konnte die Zytotoxität von Doxorubicin in multi-drug-resistenten Zellen teilweise wieder zurück erlangt werden. Unabhängig von herzwirksamen Glykosiden war die Bewertung der Anwendung von molekularem Docking in der P-Glykoprotein Forschung ein weiterer Aspekt der Arbeit. Es ließ sich schlussfolgern, dass molekulares Docking fähig ist, zwischen den verschiedenen Molekülen zu unterscheiden, die mit P-Glykoprotein interagieren. Die Anwendbarkeit von molekularem Docking in Bezug auf die Bestimmung der Bindestelle einer Substanz wurde ebenfalls untersucht.

ABCtoolbox: a versatile toolkit for approximate Bayesian computations

Background The estimation of demographic parameters from genetic data often requires the computation of likelihoods. However, the likelihood function is computationally intractable for many realistic evolutionary models, and the use of Bayesian inference has therefore been limited to very simple models. The situation changed recently with the advent of Approximate Bayesian Computation (ABC) algorithms allowing one to obtain parameter posterior distributions based on simulations not requiring likelihood computations. Results Here we present ABCtoolbox, a series of open source programs to perform Approximate Bayesian Computations (ABC). It implements various ABC algorithms including rejection sampling, MCMC without likelihood, a Particle-based sampler and ABC-GLM. ABCtoolbox is bundled with, but not limited to, a program that allows parameter inference in a population genetics context and the simultaneous use of different types of markers with different ploidy levels. In addition, ABCtoolbox can also interact with most simulation and summary statistics computation programs. The usability of the ABCtoolbox is demonstrated by inferring the evolutionary history of two evolutionary lineages of Microtus arvalis. Using nuclear microsatellites and mitochondrial sequence data in the same estimation procedure enabled us to infer sex-specific population sizes and migration rates and to find that males show smaller population sizes but much higher levels of migration than females. Conclusion ABCtoolbox allows a user to perform all the necessary steps of a full ABC analysis, from parameter sampling from prior distributions, data simulations, computation of summary statistics, estimation of posterior distributions, model choice, validation of the estimation procedure, and visualization of the results.

Heritability, determinants and reference values of renal length: a family-based population study

OBJECTIVES: In this population-based study, reference values were generated for renal length, and the heritability and factors associated with kidney length were assessed. METHODS: Anthropometric parameters and renal ultrasound measurements were assessed in randomly selected nuclear families of European ancestry (Switzerland). The adjusted narrow sense heritability of kidney size parameters was estimated by maximum likelihood assuming multivariate normality after power transformation. Gender-specific reference centiles were generated for renal length according to body height in the subset of non-diabetic non-obese participants with normal renal function. RESULTS: We included 374 men and 419 women (mean ± SD, age 47 ± 18 and 48 ± 17 years, BMI 26.2 ± 4 and 24.5 ± 5 kg/m(2), respectively) from 205 families. Renal length was 11.4 ± 0.8 cm in men and 10.7 ± 0.8 cm in women; there was no difference between right and left renal length. Body height, weight and estimated glomerular filtration rate (eGFR) were positively associated with renal length, kidney function negatively, age quadratically, whereas gender and hypertension were not. The adjusted heritability estimates of renal length and volume were 47.3 ± 8.5 % and 45.5 ± 8.8 %, respectively (P < 0.001). CONCLUSION: The significant heritability of renal length and volume highlights the familial aggregation of this trait, independently of age and body size. Population-based references for renal length provide a useful guide for clinicians. KEY POINTS: • Renal length and volume are heritable traits, independent of age and size. • Based on a European population, gender-specific reference values/percentiles are provided for renal length. • Renal length correlates positively with body length and weight. • There was no difference between right and left renal lengths in this study. • This negates general teaching that the left kidney is larger and longer.

Capillary electrophoretic investigation of the enantioselective metabolism of propafenone by human cytochrome P-450 SUPERSOMES: Evidence for atypical kinetics by CYP2D6 and CYP3A4

An enantioselective CE method was used to identify the ability of CYP450 enzymes and their stereoselectivity in catalyzing the transformation of propafenone (PPF) to 5-hydroxy-propafenone (5OH-PPF) and N-despropyl-propafenone (NOR-PPF). Using in vitro incubations with single CYP450 enzymes (SUPERSOMES), 5OH-PPF is shown to be selectively produced by CYP2D6 and N-dealkylation is demonstrated to be mediated by CYP2D6, CYP3A4, CYP1A2, and CYP1A1. For the elucidation of kinetic aspects of the metabolism with CYP2D6 and CYP3A4, incubations with individual PPF enantiomers and racemic PPF were investigated. With the exception of the dealkylation in presence of R-PPF only, which can be described by the Michaelis-Menten model, all CYP2D6-induced reactions were found to follow autoactivation kinetics. For CYP3A4, all NOR-PPF enantiomer formation rates as function of PPF enantiomer concentration were determined to follow substrate inhibition kinetics. The formation of NOR-PPF by the different enzymes is stereoselective and is reduced significantly when racemic PPF is incubated. Clearance values obtained for CYP3A4 dealkylation are stereoselective whereas those of CYP2D6 hydroxylation are not. This paper reports the first investigation of the PPF hydroxylation and dealkylation kinetics by the CYP2D6 enzyme and represents the first report in which enantioselective CE data provide the complete in vitro kinetics of metabolic steps of a drug.

Influence of different storage methods on laser fluorescence values: a two-year study

The aim of this study was to assess the influence on the infrared laser fluorescence response of some storage methods commonly used in dental research. Forty extracted permanent teeth, selected from a pool of frozen teeth, were divided into four groups of 10. Three groups were stored at 4 degrees C in 1% chloramine, 10% formalin or 0.02% thymol solution. The fourth group was stored at -20 degrees C (no storage solution added). Fluorescence measurements were performed at 14, 77, 113, 168, 232, 486 and 737 days. After 2 years, significant decreases in fluorescence (p<0.01) for the samples in formalin (-60%), chloramine (-72%) and thymol (-54%) were observed. The frozen teeth showed a slight but non-significant increase in fluorescence of 5% (p>0.01). Storing solutions have a significant influence on the fluorescence yield. Samples used for in vitro purposes stored frozen do not significantly change their fluorescence response. Thus, cut-off values obtained under the latter conditions could be extrapolated to the in vivo situation.

Bayesian Geostatistical Design

This paper describes the use of model-based geostatistics for choosing the optimal set of sampling locations, collectively called the design, for a geostatistical analysis. Two types of design situations are considered. These are retrospective design, which concerns the addition of sampling locations to, or deletion of locations from, an existing design, and prospective design, which consists of choosing optimal positions for a new set of sampling locations. We propose a Bayesian design criterion which focuses on the goal of efficient spatial prediction whilst allowing for the fact that model parameter values are unknown. The results show that in this situation a wide range of inter-point distances should be included in the design, and the widely used regular design is therefore not the optimal choice.

T2 mapping in the knee after microfracture at 3.0 T: correlation of global T2 values and clinical outcome - preliminary results

OBJECTIVE: The aim of our study was to correlate global T2 values of microfracture repair tissue (RT) with clinical outcome in the knee joint. METHODS: We assessed 24 patients treated with microfracture in the knee joint. Magnetic resonance (MR) examinations were performed on a 3T MR unit, T2 relaxation times were obtained with a multi-echo spin-echo technique. T2 maps were obtained using a pixel wise, mono-exponential non-negative least squares fit analysis. Slices covering the cartilage RT were selected and region of interest analysis was done. An individual T2 index was calculated with global mean T2 of the RT and global mean T2 of normal, hyaline cartilage. The Lysholm score and the International Knee Documentation Committee (IKDC) knee evaluation forms were used for the assessment of clinical outcome. Bivariate correlation analysis and a paired, two tailed t test were used for statistics. RESULTS: Global T2 values of the RT [mean 49.8ms, standards deviation (SD) 7.5] differed significantly (P<0.001) from global T2 values of normal, hyaline cartilage (mean 58.5ms, SD 7.0). The T2 index ranged from 61.3 to 101.5. We found the T2 index to correlate with outcome of the Lysholm score (r(s)=0.641, P<0.001) and the IKDC subjective knee evaluation form (r(s)=0.549, P=0.005), whereas there was no correlation with the IKDC knee form (r(s)=-0.284, P=0.179). CONCLUSION: These findings indicate that T2 mapping is sensitive to assess RT function and provides additional information to morphologic MRI in the monitoring of microfracture.

Diffusion-weighted imaging of the parotid gland: Influence of the choice of b-values on the apparent diffusion coefficient value

PURPOSE: To determine how the ADC value of parotid glands is influenced by the choice of b-values. MATERIALS AND METHODS: In eight healthy volunteers, diffusion-weighted echo-planar imaging (DW-EPI) was performed on a 1.5 T system, with b-values (in seconds/mm2) of 0, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 500, 750, and 1000. ADC values were calculated by two alternative methods (exponential vs. logarithmic fit) from five different sets of b-values: (A) all b-values; (B) b=0, 50, and 100; (C) b=0 and 750; (D) b=0, 500, and 1000; and (E) b=500, 750, and 1000. RESULTS: The mean ADC values for the different settings were (in 10(-3) mm2/second, exponential fit): (A) 0.732+/-0.019, (B) 2.074+/-0.084, (C) 0.947+/-0.020, (D) 0.890+/-0.023, and (E) 0.581+/-0.021. ADC values were significantly (P <0.001) different for all pairwise comparisons of settings (A-E) of b-values, except for A vs. D (P=0.172) and C vs. D (P=0.380). The ADC(B) was significantly higher than ADC(C) or ADC(D), which was significantly higher than ADC(E). ADC values from exponential vs. logarithmic fit (P=0.542), as well as left vs. right parotid gland (P=0.962), were indistinguishable. CONCLUSION: The ADC values calculated from low b-value settings were significantly higher than those calculated from high b-value settings. These results suggest that not only true diffusion but also perfusion and saliva flow may contribute to the ADC.

Evaluation of a Bayesian MCMC Random Effects Inference Methodology for Capture-Mark-Recapture Data

Monte Carlo simulation was used to evaluate properties of a simple Bayesian MCMC analysis of the random effects model for single group Cormack-Jolly-Seber capture-recapture data. The MCMC method is applied to the model via a logit link, so parameters p, S are on a logit scale, where logit(S) is assumed to have, and is generated from, a normal distribution with mean μ and variance σ2 . Marginal prior distributions on logit(p) and μ were independent normal with mean zero and standard deviation 1.75 for logit(p) and 100 for μ ; hence minimally informative. Marginal prior distribution on σ2 was placed on τ2=1/σ2 as a gamma distribution with α=β=0.001 . The study design has 432 points spread over 5 factors: occasions (t) , new releases per occasion (u), p, μ , and σ . At each design point 100 independent trials were completed (hence 43,200 trials in total), each with sample size n=10,000 from the parameter posterior distribution. At 128 of these design points comparisons are made to previously reported results from a method of moments procedure. We looked at properties of point and interval inference on μ , and σ based on the posterior mean, median, and mode and equal-tailed 95% credibility interval. Bayesian inference did very well for the parameter μ , but under the conditions used here, MCMC inference performance for σ was mixed: poor for sparse data (i.e., only 7 occasions) or σ=0 , but good when there were sufficient data and not small σ .

Ruminal Microbial Protein Synthesis in Sheep Fed Forages of Varying Nutritive Values

Six wethers, fitted with ruminal and duodenal cannulae, were utilized in a 6 x 6 Latin Square metabolism trial to determine efficiency of microbial protein synthesis in the rumen of sheep fed forages with varying nutritional quality. Ground alfalfa hay, oat-berseem clover hay, and baled corn crop residues were fed at an ad libitum or limited intake level. Chromium-mordanted fiber, cobalt- EDTA, and purines were used to determine digesta flow and solid passage rate, dilution rate, and microbial protein production, respectively. Sheep fed alfalfa hay had greater organic matter (OM) intakes, and amounts of OM apparently and truly ruminally digested (g/d; P < .05) than sheep fed either oat-berseem clover or corn crop residues at the ad libitum intake level. Rates of slow solid and liquid passage, and postfeeding ruminal ammonia-nitrogen (N) and volatile fatty acids (VFA) concentrations were lower (P < .05) in sheep fed corn crop residues than those fed alfalfa or oat-berseem clover hay. Total duodenal flows (g/d) and efficiencies of ruminal synthesis (g crude protein/100 g of OM truly digested; P < .05) of microbial protein were less in sheep fed corn crop residues than in sheep fed alfalfa, and oatberseem clover ad libitum. Whereas total duodenal microbial-N flow was related to organic matter intake (OMI; r2 = .97) and OM truly digested in the rumen (OMTDR; r2 = .97), microbial efficiency was related to g of nitroge truly digested in the rumen (NTDR)/100 g of OMTDR (r2 = .82) and slow solid passage rate (r2 = .91).