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Electromagnetic Drift Waves
(2010)
In the rf-plasma of the linear magnetized VINETA experiment, different types of low-frequency waves are observed. The emphasis in this work is on the interaction mechanism between drift waves on the one and kinetic Alfven waves on the other hand. In the peaked density profile of the plasma column drift waves occur as modulation of the plasma density. As gradient driven instability, they draw their energy from the radial density gradients. Alfven waves as magnetic field fluctuations are stable in the present configuration. They are launched by a magnetic excitation antenna. Parallel conduction currents in the plasma are common to both wave phenoma. A B-dot probe as standard diagnostic tool is used to detect the fluctuating magnetic fields of both wave types. The challenge are the small induced voltages due to the low wave frequency. The probe design with an integrated amplifier close to the probe head takes this into acount. The developed B-dot probe is mounted to different positioning systems to characterize both wave phenomena. For Alfven waves, the dispersion relation is recorded experimentally. It is found to be in good agreement with the prediction of the Hall-MHD theory with included resistive term, accounting for the cold collisional plasma. The fluctuating magnetic field pattern is recorded with azimuthal scans. The current density is obained by Amperes law. It is concentrated in helically twisted current filaments. For the unstable drift waves, similar investigations are done with simultaneously recorded density fluctuations. In the azimuthal plane, the locations of the parallel current filaments and the fluctuating density are found to be in phase, supporting the predicted drive of parallel currents by pressure gradients. A mutual influence of the two wave types is observed in an interaction experiment. Assuming parallel currents as coupling quantity, an interpretation of the experimental findings is given based on the linear theory of drift waves.
Die initiale Integration von Implantaten ist von hoher Bedeutung für die spätere Stabilität und
Standzeit von beispielsweise Endoprothesen im Körper. Mit Hinblick auf die steigende Zahl
von Patienten, die ein Implantat benötigen, ist es von großer Bedeutung unterschiedliche
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifizierungen bezüglich ihrer Eigenschaften und
Interaktionen mit dem Implantatlager zu untersuchen, um diese verbessern zu können.
Ziel der vorgestellten Arbeit war die Entwicklung und Etablierung eines Screeningmodells zur
Analyse der Auswirkung von verschiedenen Metallimplantaten auf die Mikrozirkulation in
unmittelbarer Nähe des Implantats.
Dazu wurde ein neues in vivo Modell an der Chorioallantoismembran des Hühnerembryos
entwickelt, angewendet und etabliert. Dieses stellt eine Modifikation des seit Jahrzehnten
etablierten HET-CAM (Hühnereitest an der Chorioallantoismembran) dar und ermöglicht
quantitative und qualitative intravitalmikroskopische Aussagen über die Funktionelle
Gefäßdichte (FGD) und die Leukozyten-Endothel-Interaktion (LEI).
Zunächst wurden im Zuge der Modellanwendung Nickel- und Titan-Implantate verglichen, um
die mögliche Reaktionsbreite des Modells zu untersuchen. Es folgte eine Etablierung des
Modells, indem die Oberfläche der Implantate kurz vor der Applikation mit kaltem
Atmosphärendruckplasma (CAP) behandelt wurde. Die intravitalmikroskopische
Untersuchung erfolgte jeweils 24 h nach Applikation.
Die Chorioallantoismembran der mit Nickel-Implantaten behandelten Hühnerembryonen
zeigte im Vergleich zur Titan- und der internen Kontrollgruppe eine signifikante Reduktion der
FGD sowie eine signifikante Erhöhung der LEI gegenüber der Kontrollgruppe. Durch
Vorbehandlung der Nickel-Implantate mit CAP konnte der Negativeffekt auf das Gefäßsystem
signifikant reduziert werden. Für Titanimplantate konnte mit Hinblick auf die FGD kein
zusätzlicher Effekt nach der Behandlung mit CAP detektiert werden.
Die vorgestellte Arbeit zeigt, dass sich das neue Modell als Screeningmodell dazu eignet, neue
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifikationen an der Schwelle zwischen in vitro
Zellkultur und in vivo Tiermodellen zu untersuchen. Somit könnte es dabei helfen,
Tierversuche gezielter einzusetzen. Vorteile und Einschränkungen des Modells werden
diskutiert.
In dieser Arbeit sollte die Möglichkeit der Anwendung von kaltem atmosphärischen Plasma (CAP) bei der Therapie von Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereichs (HNSCC) evaluiert werden. Dazu wurden in vitro HNO97- und HNO41-Karzinomzellen mit Argon-CAP bzw. Helium-CAP durch den kINPen 09 bzw. einen Prototyp behandelt und einer Epithelzelllinie gegenübergestellt, um quellgasbedingte Unterschiede herauszuarbeiten. Durch die Verwendung von fetalem Kälberserum (FCS) und Panexin NTA (NTA) konnten zwei unterschiedliche Mediumzusätze verglichen werden.
In Wachstumskinetiken wurde eine Reduktion der Zellzahl von Karzinom- und Epithelzellen nach CAP-Behandlung erzielt. Daran schloss sich eine Proteomanalyse durch 2D-DIGE mit mas- senspektrometrischer Identifikation von in ihrer Menge veränderten Proteinen im Vergleich zu korrespondierenden Gaskontrollen an. Durch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) regu- lierter Proteine konnten die behandelten Proben in Cluster aufgeteilt werden. Die Auftrennung war in absteigender Effektgröße abhängig vom verwendeten Serum, Quellgas und der CAP-Behandlung. Mit Hilfe von Ingenuity Pathway Analysen (IPA) wurden Regulatorproteine und molekulare Funktionen identifiziert. So ließ sich die Regulation von p53, HSF1 und TGF-b und eine damit verbundene Beeinflussung der Stressantwort auf ungefaltete Proteine, der mitochondrialen Membranpermeabilität und der Apoptose nachweisen. Durch Darstellung der regulierten Proteine in Netzwerken konnte der Einfluss von CAP auf den MAPK-ERK-Pathway als zentraler Bestandteil der Wirkung identifiziert werden.
Nach Analyse der Proteinveränderungen wurde explizit eine mögliche Beeinflussung von Hit- zeschockprotein 27 (HSP27) und Glycerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) mittels Immunoblotassay untersucht. HSP27 dient u.a. der Reduktion von oxidativem Stress. GAPDH ist in Abhängigkeit vom Oxidationsstatus Bestandteil der Glykolyse oder an der Apoptose beteiligt. Es zeigte sich eine Reduktion der Proteinmenge von HSP27 durch CAP in Karzinomzellen, die unter Verwendung von NTA größer ausfiel als unter FCS. Die Proteinmenge von GAPDH änderte sich nicht, es ließ sich lediglich eine Modifikation des Proteins vermuten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Karzinomzellen an oxidativen Stress nur bedingt anpassungsfähig sind und CAP somit eine geeignete Therapieoption darstellt. Die Effektivität des CAP wird dabei durch das Quellgas, die Behandlungsdauer sowie extra- und intrazelluläre Scavengersysteme beeinflusst.
Ex vivo- und in vivo-Untersuchungen der Anwendung von nicht-thermischem Plasma zur Blutkoagulation
(2021)
Die steigende Inzidenz und Prävalenz von Vorhofflimmern mit dem gleichzeitig erhöhten Risiko thrombembolischer Ereignisse macht eine Antikoagulation in einer immer größer werdenden Population nötig [1-3]. Das intraoperative Blutungsmanagement stellt bei Patienten, welche eine Antikoagulation erhalten, eine Schwierigkeit dar [4, 5]. Insbesondere für die direkten oralen Antikoagulantien sind Antidote häufig nicht verfügbar oder kostenintensiv [6, 7]. Die aktuell verwendete elektrische Kauterisation geht mit dem Risiko der Bildung von Nekrosen einher, welche unter Umständen zu Nachblutungen, Strikturen oder Perforationen führen können [8, 9]. Dies untermauert den Bedarf an neuen sicheren Techniken zur intraoperativen Hämostase. Eine mögliche Alternative scheint nicht-thermisches Plasma darzustellen [10]. Dies ist ein energiereiches Gas, welches eine Reihe reaktiver Komponenten enthält und eine gewebeschonende Anwendung am Menschen ermöglicht [11].
In der vorliegenden Arbeit wurde demonstriert, dass nicht-thermisches Plasma des gut charakterisierten kINPen MEDs [11] ex vivo eine Blutkoagulation im murinen Blut induzieren kann. Hierbei spielt vor allem die direkte Aktivierung der Thrombozyten eine Rolle. Nachweise der plasmatischen Gerinnung konnten ex vivo nicht gezeigt werden. Während einer murinen Leberteilresektion wurde in der vorliegenden Arbeit in nativen und Rivaroxaban-antikoagulierten Tieren eine suffiziente Blutungskontrolle durch nicht-thermisches Plasma erzielt, welche mit der elektrischen Kauterisation vergleichbar war. Weiterhin war das nicht-thermische Plasma der elektrischen Kauterisation dahingehend überlegen, als dass es zu keiner akuten Schädigung des umliegenden Gewebes und keiner zeitversetzten Nachblutung geführt hat. Die histologischen Analysen der mit nicht-thermischem Plasma behandelten Wunden zeigten die Ausbildung eines Blutkoagulums, welches am ehesten der natürlichen Koagulation entsprach. Nach Inhibition der Thrombozyten-Funktion durch Clopidogrel war das nicht-thermische Plasma in vivo nicht in der Lage, eine suffiziente Hämostase zu induzieren. Daher konnten die Thrombozyten auch in vivo als wichtige Regulatoren der durch nicht-thermisches Plasma vermittelten Hämostase herausgearbeitet werden.
Auf der Basis einer ausführlichen Literaturrecherche wurde weiterhin die Hypothese aufgestellt, dass vor allem Reduktions-Oxidations-Reaktionen an der durch nicht-thermisches Plasma induzierten Blutkoagulation beteiligt sind. In folgenden Arbeiten sollte darauf hingearbeitet werden, den Mechanismus weiter zu verstehen und effizienter zu gestalten, um dieser Methode einen Einsatz in der Zukunft der Medizin zu ermöglichen.
Die Anwendung von Niedrigtemperatur-Atmosphärendruckplasmen im Bereich der
Wundversorgung gewinnt stetig an Bedeutung und so steigt das Interesse an den damit
ausgelösten biologischen Vorgängen im Organismus. Es bestehen zahlreiche Studien zum
Einfluss von Plasma auf verschiedene Zellen in Kultur. In der vorliegenden Arbeit wurde die
Wirkung von Plasma auf einen intakten Zellverband, der menschlichen Haut, umfangreich
molekularbiologisch untersucht.
Es wurde der Atmosphärendruck-Plasmajet kINPen® MED verwendet, um ex-vivo
Hautproben von insgesamt 9 Patienten zu behandeln. Mittels Fluoreszenzmikroskopie wurden die Hautbiopsien hinsichtlich Differenzierung, Proliferation, Apoptose und DNA 24 Stunden nach Plasmaexposition beurteilt. Weiterhin wurde die Sekretion von Zytokinen mittels ELISA erforscht. Die Dauer der punktuellen Plasmabehandlungen betrug 1 Minute, 3 Minuten und 5 Minuten.
Die größten Limitationen im Studiendesign waren der geringe Probenumfang sowie die
Inhomogenität der Versuchsgruppen. Es konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen
behandelter und unbehandelter Hautprobe nachgewiesen werden. Trotz allem wurden
wichtige Tendenzen beobachtet. Die Anwendung des Plasmas scheint das grundsätzliche
Differenzierungsmuster der Epidermis kaum zu beeinflussen. Bei längerer Behandlung bis 5
Minuten stieg die Anzahl basaler apoptotischer Zellen, während es kaum Änderungen im
Auftreten von DNA Doppelstrangbrüchen sowie der Sekretion von IL6 oder IL8 gab. Die
Anzahl proliferativer basaler Zellen stieg bis zu einer Plasmaexposition von 3 Minuten.
Möglicherweise wirken kurzzeitige Plasmabehandlungen proliferationsfördernd auf
Keratinozyten. Dies könnte eine weitere Erklärung für den positiven Einfluss von Plasma auf
die Heilung von Wunden sein. Längere Behandlungen lösen womöglich Apoptosen aus,
jedoch ohne DNA Schäden herbeizuführen.
Um Nebenwirkungen zu minimieren, bedeutet dies für die klinische Praxis, möglichst kurze
Expositionszeiten einzuhalten. Um eine optimale therapeutische Anwendung
unterschiedlicher Plasmaquellen, die sich in Zusammensetzung und Intensität unterscheiden,
zu ermöglichen, sind weitere Studien bezüglich Behandlungszeit und entsprechender
biologischer Wirkung notwendig.
Wichtige Ergebnisse dieser Arbeit sind in die Publikation von Hasse et al. eingeflossen
(Hasse et al. 2016).
Two main aspects concerning drift wave dynamics in linear, magnetized plasma devices are addressed in the work: In part I of the thesis, drift waves are studied in a helicon plasma. The plasma parameter regime is characterized by comparably high collision frequencies and comparably high plasma-p exceeding the electron-ion mass ratio. Single Langmuir probes and a poloidal probe array are used for spatiotemporal studies of drift waves as well as for characterization of background plasma parameters. The main goals are the identification of a low-frequency instability and its major destabilization mechanisms. All experimentally observed features of the instability were found to be consistent with drift waves. A new code, based on a non-local cylindrical linear model for the drift wave dispersion, was used to gain more insight into the dominating destabilzation mechanisms, and also into dependencies of mode frequencies and growth rates on different parameters. In the experiment and in the numerical model, poloidal mode structures were found to be sheared. Part II of the thesis reports about mode-selective spatiotemporal synchronization of drift wave dynamics in a low-P plasma. Active control of the fluctuations is achieved by driving a preselected drift mode to the expense of other modes and broadband turbulence. It is demonstrated that only if a resonance between the driver signal and the drift waves in both space and time is reached, the driver has a strong influence on the drift wave dynamics. The synchronization effect is qualitatively well reproduced in a numerical simulation based on a Hasegawa-Wakatani model.
During the past decade, various physical properties of the Yukawa ball, like structure and energy states, were unraveled using experiments. However, the dynamical features served further attention. Therefore, the main aim of my thesis was to investigate and understand how a finite system-represented by Yukawa clusters-evolves from a solid, crystalline structure to a liquid-like system, how it behaves in this phase and in what manner the reordering back into the solid state can be described. As a method of choice to reach this goal, laser heating has been proven successful. Moreover, the special importance of wakefields for dust clusters confined at low neutral gas pressure was addressed. Melting of finite dust clouds can be induced in two ways, either by altering the properties of the ambient plasma or by laser heating. The latter was shown to be a generic melting scenario, allowing to estimate a critical coupling parameter at the melting point. Moreover, the melting transition of finite 3D dust systems was found to be a two-step process where angular order is lost before the radial order starts to diminish at higher energies. Next, the mode dynamics of finite 3D dust ensembles in the solid and the liquid phase was studied. Crystal and fluid modes revealed the main spectral properties of the system. The normal modes are mainly suited to describe crystalline states. Fluid modes were excited naturally and via laser heating, with excitation frequencies almost independent of the coupling parameter in the solid and the liquid-like regime. Tuning the plasma parameters can be used to vary the particle-particle interaction via the ion focus. Both methods, even though assuming equilibrium situations, allowed to hint at these wakefields. The corresponding peaks in the fluid and normal mode spectra were no eigenmodes, confirming the nonequilibrium character of the ion focusing effect. First steps to extend the normal mode theory to achieve the dynamics of wake-affected nonequilibrium dust clusters were presented. Statistical quantities were obtained evaluating long-run experiments and transport coeffcients for finite dust systems were calculated via the instantaneous normal mode technique. Diffusion was found considerably higher for 3D than for 2D dust clusters. Using the configurational entropy, we have shown that in 2D and 3D disorder increases with increasing size of the system, in agreement with simulations. The temperature dependence of the configurational entropy differs for 2D and 3D dust clouds, with a threshold behavior found for finite 2D ensembles only. Finally, using instantaneous normal modes to reveal the total fraction of unstable modes, the predictive connection of Keyes (Phys Rev E 62, p7905, 2000), between transport and disorder was tested and verified for 2D, but not for 3D clusters. The reason for this has to be left open. Finally, laser-mediated recrystallization processes of finite 3D dust clouds were investigated. First, the temporal evolution of the Coulomb coupling parameter was traced during heating and recrystallization. A cooling rate has been determined from the initial phase of recrystallization. This cooling rate is lower than damping by the neutral gas, in agreement with simulations. We have observed a large fraction of metastable states for the final cluster configurations. Further, we have revealed that the time scale for the correlation buildup in the finite 3D ensemble was on even slower scales than cooling. Thus, different time scales can be attributed to the fast emergence of the shells and to the slower individual ordering within the shells.
Magnetic reconnection is a fundamental plasma process where a change in field line connectivity occurs in a current sheet at the boundary between regions of opposing magnetic fields. In this process, energy stored in the magnetic field is converted into kinetic and thermal energy, which provides a source of plasma heating and energetic particles. Magnetic reconnection plays a key role in many space and laboratory plasma phenomena, e.g. solar flares, Earth’s magnetopause dynamics and instabilities in tokamaks. A new linear device (VINETAII) has been designed for the study of the fundamental physical processes involved in magnetic reconnection. The plasma parameters are such that magnetic reconnection occurs in a collision-dominated regime. A plasma gun creates a localized current sheet, and magnetic reconnection is driven by modulating the plasma current and the magnetic field structure. The plasma current is shown to flow in response to a combination of an externally induced electric field and electrostatic fields in the plasma, and is highly affected by axial sheath boundary conditions. Further, the current is changed by an additional axial magnetic field (guide field), and the current sheet geometry was demonstrated to be set by a combination of magnetic mapping and cross-field plasma diffusion. With increasing distance from the plasma gun, magnetic mapping results in an increase of the current sheet length and a decrease of the width. The control parameter is the ratio of the guide field to the reconnection magnetic field strength. Cross-field plasma diffusion leads to a radial expansion of the current sheet at low guide fields. Plasma currents are also observed in the azimuthal plane and were found to originate from a combination of the field-aligned current component and the diamagnetic current generated by steep in-plane pressure gradients in combination with the guide field. The reconnection rate, defined via the inductive electric field, is shown to be directly linked to the time-derivative of the plasma current. The reconnection rate decreases with increasing ratio of the guide field to the reconnection magnetic field strength, which is attributed to the plasma current dependency on axial boundary conditions and the plasma gun discharge. The above outlined results offer insights into the complex interaction between magnetic fields, electric fields, and the localized current flows during reconnection.
There is a growing interest in the application of non-thermal atmospheric pressure plasma for the treatment of wounds. Due to the generation of various ROS and RNS, UV radiation and electric fields plasma is a very promising tool which can stimulate skin and immune cells. However, not much is known about the mammalian cell responses after plasma treatments on a molecular level. The present work focusses on the impact of plasma on cell signaling in the human keratinocyte cell line HaCaT by using the methods DNA microarray, qPCR, ELISA and flow cytometry. Here, cell signaling mediators such as cytokines and growth factors which could promote wound healing by enhancing angiogenesis, reepithelization, migration and proliferation were of major interest. Additionally, the crosstalk between keratinocytes and monocytes was studied using a co-culture. For the first time extensive investigations on the impact of plasma on cell signaling in human keratinocytes were conducted. The most prominent cytokines and growth factors which were regulated by plasma at gene and protein level were VEGF-A, GM-CSF, HB-EGF, IL-8, and IL-6. The latter was not activated due to the JAK/STAT-pathway but probably by a combined activation of MAPK- and PI3K/Akt-pathways. By the use of conditioned medium it was found out that ROS and RNS generated directly after plasma treatment induced larger effects on cell signaling in keratinocytes than the subsequently secreted growth factors and cytokines. Furthermore, monocytes and keratinocytes hardly altered their secretion profiles in co-culture. From these results it is deduced that the plasma generated reactive species are the main actors during cell signaling. In order to differentiate the impact of ROS and RNS on the cellular response the ambience of the plasma effluent was controlled, varying the ambient gas composition from pure nitrogen to pure oxygen. Thereby a first step towards the attribution of the cellular response to specific plasma generated reactive species was achieved. While IL-6 expression correlated with ROS generated by the plasma source, the cell signaling mediators VEGF-A, GM-CSF and HB-EGF were significantly changed by RONS. Above all hydrogen peroxide was found to play a dominant role for observed cell responses. In summary, plasma activates wound healing related cell signaling mediators as cytokines and growth factors in keratinocytes. It was also shown that the generated reactive species mainly induced cell signaling. For the first time cell responses can be correlated to ROS and RONS in plasma treated cells. These results underline the potential of non-thermal atmospheric pressure plasma sources for their applications in wound treatment.
Das fortgeschrittene, metastasierte Pankreaskarzinom stellt allen Fortschritten innerhalb der Onkologie zum Trotz weiterhin eine Diagnose mit infauster Prognose dar, deren palliative Therapiemöglichkeiten ebenfalls nicht zufriedenstellend sind. Seit einigen Jahren besteht die Hoffnung den vierten Aggregatzustand in Form von ‚nicht-thermischem Plasma' (NTP) in der modernen Tumortherapie einzusetzen. Dies beruht auf der Generierung zahlreicher reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies, die in der Balance aus Wachstum und Apoptose von Tumoren eine entscheidende Rolle einnehmen. In Zusammenschau aller im Rahmen dieser Arbeit erhobenen in vitro Ergebnisse und der hierzu einsehbaren Literatur lässt sich eine selektive, anti-tumoröse Wirkung von NTP festhalten, die sich in reduzierter Zellviabilität und -proliferation, sowie effektiver Apoptoseinduktion ohne Bildung von Nekrosen äußert. Diese Effekte werden vorrangig über im Medium gelöste reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies vermittelt, sodass auch zellfreie, NTP-behandelte Flüssigkeit diese Wirkung erzielt. In einem syngenen Mausmodell einer Peritonealkarzinose des Pankreaskarzinoms konnten die antiproliferativen und proapototischen Effekte dieser indirekten NTP-Behandlung nachgestellt werden. Die repetitive intraperitoneale Applikation resultierte in einer signifikanten Reduktion der Tumoren hinsichtlich Anzahl, Größe und Gewicht. Dabei zeigte sich eine beachtliche effektive Eindringtiefe innerhalb der Tumorläsionen. Lokale oder systemische Nebenwirkungen konnten unter der Therapie nicht beobachtet werden, insbesondere wiesen die übrigen aufgearbeiteten intraperitonealen Gewebe keine makro- oder mikroskopisch sichtbaren Veränderungen auf und auch die Blutzusammensetzung zeigte sich unverändert gegenüber der Kontrollgruppe. In dieser Arbeit wurde zudem - nach Kenntnisstand des Autors - erstmals der Einfluss einer indirekten NTP-Behandlung auf das Überleben immunkompetenter, Tumor-tragender Mäuse untersucht und hierbei ein signifikanter Überlebensvorteil demonstriert.
Die präsentierte Arbeit stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung neuer Therapieoptionen des metastasierten Pankreaskarzinoms dar, als dass die selektive in vitro Wirksamkeit von NTP nun auch in vivo in einem komplexen Organismus wie der immunkompetenten Maus nachgestellt werden konnte. Künftige Arbeiten zu den NTP-Regulationsmöglichkeiten durch Flüssigkeits- und Plasmamodifikationen werden mutmaßlich das vollständige Potential dieses neuartigen Therapieansatzes offenbaren.