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Molecular Mechanisms of Bortezomib Action: Novel Evidence for the miRNA−mRNA Interaction Involvement
(2020)
Bortezomib is an anti-tumor agent, which inhibits 26S proteasome degrading ubiquitinated
proteins. While apoptotic transcription-associated activation in response to bortezomib has been
suggested, mechanisms related to its influence on post-transcriptional gene silencing mediated
regulation by non-coding RNAs remain not fully elucidated. In the present study, we examined
changes in global gene and miRNA expression and analyzed the identified miRNA–mRNA interactions
after bortezomib exposure in human neuroblastoma cells to define pathways affected by this agent in
this type of cells. Cell viability assays were performed to assess cytotoxicity of bortezomib. Global gene
and miRNA expression profiles of neuroblastoma cells after 24-h incubation with bortezomib were
determined using genome-wide RNA and miRNA microarray technology. Obtained results were
then confirmed by qRT-PCR and Western blot. Further bioinformatical analysis was performed
to identify affected biological processes and pathways. In total, 719 genes and 28 miRNAs were
downregulated, and 319 genes and 61 miRNAs were upregulated in neuroblastoma cells treated with
bortezomib. Possible interactions between dysregulated miRNA/mRNA, which could be linked to
bortezomib-induced neurotoxicity, affect neurogenesis, cellular calcium transport, and neuron death.
Bortezomib might exert toxic effects on neuroblastoma cells and regulate miRNA–mRNA interactions
influencing vital cellular functions. Further studies on the role of specific miRNA–mRNA interactions
are needed to elucidate mechanisms of bortezomib action.
Ausgewählte Lyrik
(2022)
Microglia are the resident immune cells of the central nervous system (CNS) and play a major role in the regulation of brain homeostasis. To maintain their cellular protein homeostasis, microglia express standard proteasomes and immunoproteasomes (IP), a proteasome isoform that preserves protein homeostasis also in non-immune cells under challenging conditions. The impact of IP on microglia function in innate immunity of the CNS is however not well described. Here, we establish that IP impairment leads to proteotoxic stress and triggers the unfolded and integrated stress responses in mouse and human microglia models. Using proteomic analysis, we demonstrate that IP deficiency in microglia results in profound alterations of the ubiquitin-modified proteome among which proteins involved in the regulation of stress and immune responses. In line with this, molecular analysis revealed chronic activation of NF-κB signaling in IP-deficient microglia without further stimulus. In addition, we show that IP impairment alters microglial function based on markers for phagocytosis and motility. At the molecular level IP impairment activates interferon signaling promoted by the activation of the cytosolic stress response protein kinase R. The presented data highlight the importance of IP function for the proteostatic potential as well as for precision proteolysis to control stress and immune signaling in microglia function.
Impact of proteostasis and the ubiquitin proteasome system on myeloid cell function in the CNS
(2023)
Cellular protein homeostasis (proteostasis) maintains a functional proteome and thus proper cell function. Proteostasis is facilitated by the ubiquitin-proteasome system (UPS), an intracellular protein turnover machinery ensuring clearance of damaged, misfolded, old and/or unneeded regulatory proteins. This is particularly important in the central nervous system (CNS), where it is linked to neurodegeneration. Disruptions of the proteostasis systems cause the accumulation of misfolded proteins which are commonly seen in progressive neurodegenerative diseases also linked to neuroinflammation. Proper UPS function can protect cells from the accumulation of defective proteins, neurodegeneration and neuroinflammation. Furthermore, it has been found that loss of function mutations in the genes encoding UPS components are linked to systemic inflammation including neuroinflammation and/or neurodevelopmental disorders. Proteasome defects in patients suffering from these disorders cause decreased proteasome activity, accumulation of proteins, activation of proteotoxic stress responses and systemic inflammation. However, the molecular link between proteotoxic stress and the initiation of inflammatory signalling remained unclear. In Article 2, we summarized the importance of the UPS in immune cell proteostasis and function including activation of innate and adaptive immune responses. Although UPS function is notably important in innate immune signalling, the current understanding of the role of UPS in myeloid cell function in the CNS is limited. We also indicated the involvement of impaired UPS function in sterile systemic inflammation including neuroinflammation as well as tumour diseases and pathogen manipulation of immune cells.
To investigate the molecular link behind proteasome impairment and systemic inflammation in the brain, we focused on microglia cells as the only immune residents of the CNS. In Article 1, we used a pharmacological inhibitor called bortezomib which targets β5 and β5i/LMP7 subunit activities in standard proteasome (SP) and immunoproteasome (IP), respectively. We showed for the first time on the molecular level that inhibition of proteasome activity by bortezomib triggers the accumulation of ubiquitylated proteins, proteotoxic stress responses and innate immune signalling activation depending on the induced proteotoxic stress response called unfolded protein response (UPR) in murine microglia. In particular, activation of the inositol-requiring protein 1α arm of UPR upon bortezomib treatment leads to systemic inflammation as indicated by type I interferon (IFN) response.
IP enhance the proteolytic capacity of UPS by rapid clearance of proteins upon immune signalling activation. Microglia, like other immune cells, exhibit constitutive expression of IP as well as SP to maintain their cellular proteostasis. In Manuscript 3, we studied the particular impact of IP impairment on microglial cellular function. We showed accumulation of ubiquitin-modified proteins and activation of proteotoxic stress responses in IP-impaired mouse and human microglia models. Moreover, we identified possible IP substrates in microglia using β5i/LMP7 knockout mice as an IP deficiency model and, examined how IP deficiency affects microglia function. IP deficient microglia affected the ubiquitylation levels of proteins involved in multiple pathways such as immune responses, energy metabolism, cytoskeleton organisation, cell cycle and ribosome function. Based on the molecular analysis, we confirmed sterile activation of innate immune signalling mechanisms in IP impaired microglia. This is driven by the proteotoxic stress sensor protein kinase R (PKR). In addition, we were able to show that IP impairment altered levels of the microglial activation markers, which are also involved in motility, adhesion and phagocytosis of microglia.
In this thesis, we highlight that UPS function is necessary to maintain microglial proteostasis and, that impairment of proteasome activities triggers sterile inflammation in microglia via activation of proteotoxic stress responses. The described activation of innate immune signalling mechanisms in microglia upon proteasome impairment may be considered as new therapeutic targets for patients suffering from rare protesomapathies or other disorders linked to dysregulated immune signalling.
Der Replikationszyklus der Herpesviren ist sehr komplex und im Detail unzureichend verstanden. Die Funktionen und Eigenschaften einiger viraler Proteine sind bisher kaum charakterisiert. Folglich gibt es wenige Strukturmodelle dieser Proteine, wodurch beispielsweise eine rationale Medikamentenentwicklung kaum möglich war. Die Zielstellung dieser Arbeit war, neun dieser Proteine (pUL4, -7, -11, -16, -21, -26, -26.5, -32 und -33) aus dem pseudorabies virus (PrV) zu charakterisieren und nach Möglichkeit deren Struktur aufzuklären. Hierzu wurden die zur Verfügung gestellten Gensequenzen in geeignete bakterielle Expressionsvektoren umkloniert und in E. coli exprimiert. Lösliche Proteine wurden gereinigt und anschließend Kristallisationsexperimenten unterzogen, während unlösliche Proteine zum Teil auf ihre Renaturierbarkeit getestet wurden. Die Strukturen des kristallisierten N-terminalen Teils von pUL26 (Assemblin) wurden mittels Röntgenkristallographie aufgeklärt. Außerdem wurden alle Proteine in silico auf Signalsequenzen, Phosphorylierungen und Sequenzmuster untersucht. Von der N-terminalen Serinproteasedomäne (Assemblin) von pUL26 wurden drei Strukturen durch Röntgenkristallographie bestimmt: eine native dimere, eine inhibierte dimere, sowie eine native monomere Struktur. Letztere ist das erste bekannte Strukturmodell der monomeren Form eines Assemblins. In Verbindung mit den dimeren Strukturen konnte experimentell bestätigt werden, dass die Aktivierung der Assembline über die Verschiebung eines loop bei der Dimerisierung erfolgt. Die Umlagerung dieses loop basiert darauf, dass sich der in der monomeren Form teilweise flexible Dimerisierungsbereich durch die Dimerisierung etwas verändert und eine weitestgehend starre Konformation einnimmt. Die Helix α8 wird etwas verkürzt und die Helix α7 etwas verlängert und begradigt, wodurch sich der Oxyanionenloch-Loop vom Dimerisierungsbereich entfernt und ein ausgedehntes Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk aufbaut. In dieser Konformation stabilisiert der loop das Oxyanionenloch, wodurch die Protease aktiviert wird. Weiterhin wurde durch small-angle X-ray scattering bestätigt, dass der Dimerisierungsgrad von der Assemblin- und Mg²+;-Ionenkonzentration abhängig ist. Diese Informationen zur Dimerisierung des PrV-Assemblins können dazu beitragen, rationale Medikamentenentwicklung zu betreiben. Daraus resultierende Wirkstoffe können die Dimerisierung und somit die Aktivierung dieses Schlüsselproteins verhindern. Durch die hohe Ähnlichkeit der Assembline in anderen Herpesviren, kann die nun bekannte monomere Struktur des PrV-Assemblins als Modell für die monomere Struktur anderer, zum Teil humanpathogener Herpesviren genutzt werden. Demzufolge könnte dieses Modell auch die Entwicklung von Medikamenten beispielsweise gegen das Epstein-Barr virus oder das herpes simplex virus 1 ermöglichen. Es stellte sich zudem heraus, dass die bisher für das PrV-pUL26 bzw. -pUL26.5 vorhergesagte zweite Assemblinschnittstelle (M-site) vermutlich nicht korrekt ist. Es wurde eine andere M-site vorgeschlagen, welche ebenfalls infrage kommt. Eine Charakterisierung in vitro war bei fünf der neun zu untersuchenden Proteine möglich. Die anderen vier Proteine (pUL7, -16, -21 und -32) konnten aus verschiedenen Gründen nicht erfolgreich exprimiert werden. Die Proteine pUL4, pUL26.5 und pUL33 wurden unlöslich exprimiert, wobei pUL33 renaturiert werden konnte. Der Membrananker pUL11 und die N-terminale Serinproteasedomäne von pUL26 konnten löslich exprimiert werden. Untersuchungen in silico ergaben, dass der Membrananker pUL11 aus dem pseudorabies virus wahrscheinlich ein nukleäres Exportsignal trägt, was bisher nicht bekannt war. Es ist zudem wahrscheinlich, dass pUL11 selbst keine definierte Struktur hat, da es mit 63 Aminosäuren ein sehr kleines Protein ist und über Sequenzmuster mit anderen Proteinen interagiert.
Kunststoffe durchdringen nahezu jeden Bereich unseres alltäglichen Lebens. Zur Herstellung bestimmter Plastikmaterialien (Epoxidharze und Polycarbonate) werden Bisphenole als Grundbaustein benötigt, deren Grundstruktur sich aus zwei Phenolringen zusammensetzt, die über eine substituierte Kohlstoffbrücke miteinander verbunden sind. Die einzelnen Bisphenole unterscheiden sich jeweils durch verschiedene Substituenten an der Kohlenstoffbrücke oder an den aromatischen Ringsystemen. Dabei gehen die großmaßstäbliche Produktion der Bisphenole sowie unser permanenter Kontakt mit bisphenolhaltigen Materialien mit einer verstärkten Nachweisbarkeit dieser Chemikalien in Umweltproben bzw. in menschlichen Geweben und Körperflüssigkeiten einher. Gleichzeitig stehen Bisphenole im Verdacht, aufgrund ihrer Toxizität und hormonähnlichen Wirkung eine Vielzahl von Erkrankungen zu begünstigen. Vor allem die Interaktion mit dem Östrogenrezeptor alpha ist gut verstanden. Daher wurde in dieser Arbeit die bakterielle Transformation von acht verschiedenen Bisphenolen (Bisphenol A, AP, B, C, E, F, PH und Z) durch die Umweltisolate Cupriavidus basilensis SBUG 290 und Bacillus amyloliquefaciens SBUG 1837 untersucht und näher charakterisiert. Beide Bakterienstämme waren in der Lage, alle eingesetzten Bisphenole zu transformieren. Dabei war die Transformation auf die Phenolringe oder daran befindliche Substituenten beschränkt. Ein mikrobieller Angriff an der ringverbindenden Kohlenstoffbrücke wurde nicht nachgewiesen. Während B. amyloliquefaciens die Schadstoffe ungeachtet ihrer Struktur jeweils phosphorylierte, transformierte C. basilensis die Bisphenole in Abhängigkeit von ihrer Struktur zu hydroxylierten Derivaten, Ringspaltungsprodukten, Produkten mit Acetamidstruktur oder zu Dimeren. Neben der Strukturaufklärung der mikrobiell gebildeten Produkte wurden die einzelnen Transformationswege für beide Bakterienstämme näher charakterisiert. Hierfür wurden u.a. die Produkte als Transformationssubstrate eingesetzt, der Einfluss der Kultivierung und Inkubationsmedien auf die Biotransformation untersucht sowie Proteomanalysen durchgeführt. Die Bildung von hydrophileren Transformationsprodukten durch die Bakterienstämme führte zur Detoxifizierung und Reduktion der östrogenen Aktivität der hydrophoben Bisphenole.
Protamine (PRT) is a positively charged protein, which is widely used in medicine as an adjunct to certain preparations of insulin and as a rapidly-acting antidote for heparin, particularly to neutralize the effects of high heparin concentrations needed for anticoagulation during cardiac surgical procedures using cardiopulmonary bypass. It has been demonstrated that PRT and heparin form multimolecular complexes and that these complexes have high immunogenicity in a mouse model. Studies in this thesis provide new insights into the pathophysiology of anti-PRT/heparin antibodies. The results of study I showed that the administration of PRT combined with heparin is responsible for high immunoglobulin G (IgG) immunization after cardiac surgery. A subset of these antibodies was able to induce platelet activation in a way similar to that observed by heparin-induced thrombocytopenia (HIT). Using an animal model, we demonstrated that anti-PRT/heparin antibodies are capable of platelet destruction in the presence of PRT and heparin. Moreover, our data suggests that platelet-activating anti-PRT/heparin antibodies at surgery are potentially associated with postoperative thrombocytopenia and an increased risk for thromboembolic events. In study II, the immune response against PRT/heparin complexes was investigated. This study showed a relatively fast development of IgG with no general preceding IgM formation. In addition, patients undergoing liver transplantation developed anti-PRT/heparin antibodies without previous exposure to PRT. These results suggest that a previous contact with the antigen(s) itself or other antigens with molecular mimicry induced this immune response. In fact, we were able to identify Neutral Protamine Hagedorn (NPH) insulin and core histones (DNA-binding proteins) as potentially antigenic candidates for a previous immunization. Furthermore, the findings of study III demonstrate the ability of anti-PRT/heparin antibodies to activate platelets in the presence of NPH insulin in a heparin-dependent way suggesting that diabetic patients may have an enhanced risk for thromboembolic complications if treated with NPH insulin and possibly while receiving prophylactic heparin. These observations justify further clinical investigations to assess the impact of the interaction between anti-PRT/heparin antibodies and PRT-mimicking antigens, such as NPH insulin or histones.
Chemerin ist ein Adipokin, welches unter anderem vom Fettgewebe exprimiert wird und wichtige Funktionen im Rahmen des Fettstoffwechsels übernimmt. Verschiedene klinische Studien konnten Korrelationen zwischen der Chemerinkonzentration im Blut und diversen metabolischen, renalen sowie kardiovaskulären Phänotypen identifizieren. Aufgrund der Verwendung von sehr unterschiedlichen Patientenpopulationen mit häufig kleinen Kollektiven ist die derzeitige Befundlage insgesamt allerdings noch recht widersprüchlich. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, den Zusammenhang zwischen Chemerin und einem breiten Spektrum von inflammatorischen, metabolischen, renalen sowie kardiovaskulären Parametern in einer großen, gut charakterisierten, populationsbasierten Studie zu analysieren und dabei den Einfluss der Fettmasse und anderer Störfaktoren angemessen zu berücksichtigen.
Unter Zuhilfenahme von Methoden der multivariablen linearen und logistischen Regressionsanalyse wurden in dieser Arbeit Daten von 4420 Probanden der SHIP-TREND-Population ausgewertet. Die Analysen zeigten positive Assoziationen zwischen Chemerin und den Inflammationsparametern hsCRP und Fibrinogen. Darüber hinaus konnten positive Zusammenhänge mit dem HbA1c-Wert, dem Nüchterninsulinwert und dem HOMA-IR identifiziert werden. Für den Glukosespiegel ließ sich dagegen kein Zusammenhang mit Chemerin nachweisen. Die Ergebnisse zeigten weiterhin, dass ein hoher Chemerinspiegel mit einem unvorteilhaften Lipid-Profil assoziiert ist. Während eine glockenförmige Assoziation zwischen Chemerin und dem diastolischen Blutdruck vorlag, wurde kein Zusammenhang mit dem systolischen Blutdruck beobachtet. Alle beschriebenen Zusammenhänge waren unabhängig von Unterschieden der Probanden in der individuellen Fettmasse sichtbar. Die Analysen zeigten darüber hinaus, dass ein hoher Chemerinspiegel signifikant mit einer schlechteren Nierenfunktion einhergeht und dass sich dieser Effekt mit zunehmender Fettmasse noch verstärkt. Bezüglich der verschiedenen subklinischen Parameter der Atherosklerose konnte nach vollständiger Modelladjustierung eine inverse Assoziation von Chemerin mit dem ABI sowie eine positive Assoziation mit dem Vorliegen einer Karotisstenose beobachtet werden.
Zusammenfassend zeigen die dargestellten Ergebnisse, dass Chemerin unabhängig von individuellen Unterschieden in der Fettmasse mit einer ganzen Reihe von verschiedenen inflammatorischen, metabolischen, renalen und kardiovaskulären Parametern assoziiert ist. Dementsprechend kann vermutet werden, dass Chemerin auch abseits seiner Funktionen im Fettgewebe wichtige pathophysiologische Prozesse im Körper steuert. Existierende experimentelle Arbeiten liefern erste Hinweise auf die zugrundeliegenden Mechanismen. Das gesamte Funktionsspektrum von Chemerin ist zum jetzigen Zeitpunkt allerdings nicht vollständig geklärt. Die vorliegende Arbeit liefert einen umfassenden Überblick über die epidemiologischen Zusammenhänge der genannten Parameter in einer allgemeinen Bevölkerung und stellt damit eine wichtige Grundlage für weitere Forschungsarbeiten dar. Langfristig ist denkbar, dass Chemerin als diagnostischer Biomarker oder Therapeutikum im klinischen Alltag eingesetzt wird.
Hintergrund International findet die Bedeutung psychischer Störungen seit vielen Jahren zunehmendpolitische und wissenschaftliche Aufmerksamkeit. Depressionen führen nicht nur zu einer Belastung des psychosozialen Befindens, sondern haben auch große Einschränkungen in der Lebensqualität und Arbeitsproduktivität zur Folge [7]. Eine Identifikation von Prädiktoren für die Remission depressiver Symptomatik erscheint aus diesem Grunde besonders wichtig. Material und Methoden Remittierte und Nicht-Remittierte Patienten wurden anhand des in der Literatur verwendeten Cut-off-Wertes 7 in der Hamilton-Depressionsskala in verschiedenen soziodemographischen, klinischen und weiteren Variablen gegenübergestellt. Insgesamt handelt es sich um eine Stichprobe mit 388 Patienten, von denen 205 an der Katamneseuntersuchung teilnahmen. Eingeschlossen wurden Patienten, die die Diagnose einer einzelnen oder rezidivierenden depressiven Episode (F32.x / F33.x / F38.x) oder einer Dysthymie (F34.1) nach ICD-10 erhalten haben. Ausgeschlossen wurden jene, die als komorbide Diagnosen eine Schizophrenie (F2x.x), eine organisch bedingte Störung (F0x.x) oder eine Intelligenzminderung (F7x.x) nach ICD-10 aufwiesen. Es wurden folgende Skalen verwendet: Beck-Depressions-Inventar (BDI), ein Fragebogen zur gesundheitlichen Lebensqualität(WHOQOL-BREF), die Hamilton-Depressionsskala (HAM-D), die globale Erfassung des Funktionsniveaus (GAF) sowie die Clinical Global Scale (CGI). Ein eigens kreierter Fragebogen fand zur Erfassung anamnestischer und weiterer Daten ebenfalls Anwendung. Ergebnisse und Diskussion Insgesamt remittierte die depressive Symptomatik bei 93 (= 45 %) Patienten. Die nicht-remittierte Gruppe war durchschnittlich 49.82 Jahre alt und damit jünger als die remittierten Patienten (55.17 Jahre alt). Fast doppelt so viel remittierte Patienten hatten einen Abschluss am Gymnasium. Dieses spiegelte sich auch in der derzeitigen beruflichen Situation wider: 75.5% der Arbeitslosen oder erwerbs- bzw. berufsunfähigen Patienten waren nicht-remittiert (p= .00, d= 2.578). Es erhielten signifikant (p≤ .0001) häufiger nicht-remittierte Patienten die Diagnose einer rezidivierenden Depression in Verbindung mit einer Komorbidität. Im Vergleich der Medikamentenverordnung wurden signifikant mehr trizyklische Antidepressiva in der nicht-remittierten Gruppe verschrieben. Dies deutet darauf hin, dass diese ältere Generation der Antidepressiva besonders bei einer therapieresistenten Depression als Mittel 2. Wahl zum Einsatz kommt. Hinsichtlich der Psychotherapie kam es zu einem überraschenden Ergebnis, da signifikant (p≤ .0001) häufiger die nicht-remittierten Patienten diese abgeschlossen hatten oder sich noch in einer laufenden Therapie befanden. Einerseits könnte es auf eine selektive Zuweisung in Psychotherapien hindeuten, wenn sich eine auf Medikamente nur unzulänglich ansprechende Symptomatik zeigt. Andererseits könnte man auch von einer Selbstselektion von Patienten ausgehen, welche sich subjektiv besser fühlten und deshalb eine Psychotherapie nicht beanspruchen wollten. Der hohe Stellenwert sozialer Beziehungen wurde anhand der Variablen Freizeitverhalten, sportliche Aktivitäten, Kontakt mit Freunden und Verwandten, Art der Kontakte sowie dem Vorhandensein eines Ansprechpartners bei Problemen deutlich. In der zusammenfassenden binären logistischen Regressionsanalyse wurden die bedeutsamsten Prädiktorvariablen extrahiert. Eine Nicht-Remission demzufolge erhöht die Chance auf die Zuführung in eine Psychotherapie um den Faktor 2.72, was vermuten lässt, dass gerade schwer behandelbare Patienten, wie es auch die Leitlinie [10] empfiehlt, neben der medikamentösen Therapie eine zusätzliche Psychotherapie benötigen. Des Weiteren erhöht eine Nicht-Remission die Chance auf eine höhere Anzahl an stationären Aufenthalten wegen einer Depression um den Faktor 1.34. Es konnten keine Studien gefunden werden, die die Anzahl an stationären Aufenthalten wegen einer Depression als negativen Prädiktor ansah. Es ist jedoch zu vermuten, dass Patienten zwar nicht schwerer erkrankt sind im Sinne der Symptomschwere, aber vielleicht spezifische Bewältigungsmuster zeigen, die immer wieder zu einer Dekompensation und anschließenden Rehospitalisierung führen. Eine stabile berufliche Situation geht mit einer erhöhten Chance auf eine Remission um 4.19 einher und beeinflusst die Remissionswahrscheinlichkeit positiv. Beides erbringt ein gesichertes Einkommen und damit wahrscheinlich auch eine bessere bzw. leichtere soziale Integration. Dass diese Integration eine wichtige Rolle spielt, zeichnete sich auch im Prädiktor „Vorhandensein eines Ansprechpartners bei Problemen“ ab. Die Chance zu remittieren erhöhte sich um 3.58, wenn man bei Problemen einen Ansprechpartner hatte.