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Chronic kidney disease is a major public health burden associated with a drastically reduced quality of living and life span that lacks suitable, individualized therapeutic strategies. Here we present a human induced pluripotent stem cell line (iPSC, UMGACBi001-A) reprogrammed from urine cells of an acute septic dialysis patient suffering from chronic kidney disease using non-integrating administration of RNAs. The generated iPSCs were positively characterized for typical morphology, pluripotency marker expression, directed differentiation potential, non-contamination, chromosomal consistency and donor identity. This iPSC-line can be a useful source for in vitro disease modelling and individualized therapeutic approaches.
SLC35F1 is a member of the sugar-like carrier (SLC) superfamily that is expressed in the mammalian brain. Malfunction of SLC35F1 in humans is associated with neurodevelopmental disorders. To get insight into the possible roles of Slc35f1 in the brain, we generated Slc35f1-deficient mice. The Slc35f1-deficient mice are viable and survive into adulthood, which allowed examining adult Slc35f1-deficient mice on the anatomical as well as behavioral level. In humans, mutation in the SLC35F1 gene can induce a Rett syndrome-like phenotype accompanied by intellectual disability (Fede et al. Am J Med Genet A 185:2238–2240, 2021). The Slc35f1-deficient mice, however, display only a very mild phenotype and no obvious deficits in learning and memory as, e.g., monitored with the novel object recognition test or the Morris water maze test. Moreover, neuroanatomical parameters of neuronal plasticity (as dendritic spines and adult hippocampal neurogenesis) are also unaltered. Thus, Slc35f1-deficient mice display no major alterations that resemble a neurodevelopmental phenotype.
Study of the effect of the podocyte-specific palladin knockout in mice with a 129 genetic background
(2023)
Worldwide, chronic kidney disease is one of the leading public health problems. Podocytes, highly specialized postmitotic cells in the filtration unit of the kidney glomerulus, are essential for the size selectivity of the filtration barrier. Loss of the complex 3D morphology of their interdigitating foot processes, effacement and detachment of the cells from the capillaries lead to proteinuria and often loss of kidney function.
Since the morphology of podocyte foot processes is highly dependent on an intact actin cytoskeleton and actin-binding proteins, we investigated the role of the actin-binding protein palladin in podocytes from mice with a 129 genetic background, that is more susceptible to kidney injury. PodoPalld129-/- mice were examined at 6 and 12 months of age using immunofluorescence staining, electron and 3D super-resolution microscopy as well as qRT-PCR.
Our analysis of PodoPalld129-/- mice at 6 and 12 months of age showed that podocyte- specific knockout of palladin results in dilation of the capillary tuft accompanied by loss of mesangial cells, indicating the influence of palladin on glomerular tuft formation. Besides, we observed morphological abnormalities such as an enlarged sub-podocyte space, cyst formations and an increased number of cell-cell contacts between podocytes and parietal epithelial cells in PodoPalld129-/- mice compared to controls. Moreover, palladin knockout resulted in downregulation of the slit diaphragm protein nephrin as well as an age-dependent significant increase in podocyte foot process effacement. Although there was a significant change in foot process morphology, we did not detect albuminuria in PodoPalld129-/- mice of both age groups. However, we found an increase of trefoil factor 1 (Tff1) in the urine of the mice, indicating an altered, more permeable filtration barrier.
Considering that palladin has several binding sites for important actin-binding and regulatory proteins, we studied the expression of Lasp-1, Pdlim2, VASP and Klotho in dependence on palladin. We found a remarkable reduction in, for example, phosphorylated Lasp-1 as well as Klotho, which could influence the morphology of podocyte foot processes.
Compared with PodoPalldBL/6-/- mice, PodoPalld129-/- mice showed stronger glomerular tuft dilation and developed podocytes with increased morphological abnormalities, underlining the importance of the genetic background.
In conclusion, these results demonstrate the essential role of palladin for podocyte morphology in mice with a 129 genetic background.
Increasing the information depth of single kidney biopsies can improve diagnostic precision, personalized medicine and accelerate basic kidney research. Until now, information on mRNA abundance and morphologic analysis has been obtained from different samples, missing out on the spatial context and single-cell correlation of findings. Herein, we present scoMorphoFISH, a modular toolbox to obtain spatial single-cell single-mRNA expression data from routinely generated kidney biopsies. Deep learning was used to virtually dissect tissue sections in tissue compartments and cell types to which single-cell expression data were assigned. Furthermore, we show correlative and spatial single-cell expression quantification with super-resolved podocyte foot process morphometry. In contrast to bulk analysis methods, this approach will help to identify local transcription changes even in less frequent kidney cell types on a spatial single-cell level with single-mRNA resolution. Using this method, we demonstrate that ACE2 can be locally upregulated in podocytes upon injury. In a patient suffering from COVID-19-associated collapsing FSGS, ACE2 expression levels were correlated with intracellular SARS-CoV-2 abundance. As this method performs well with standard formalin-fixed paraffin-embedded samples and we provide pretrained deep learning networks embedded in a comprehensive image analysis workflow, this method can be applied immediately in a variety of settings.
Die vorliegende Studie befasst sich mit der Lage und der Ausrichtung des Foramen rotundum beim Menschen und nicht-menschlichen Primaten. Letztere umfasste sowohl Strepsirrhini als auch Platyrrhini und Catarrhini. Die Untersuchungen basieren auf insgesamt 94 computertomographischen Datensätzen von Schädeln unterschiedlicher Gattungen von Primaten, einschließlich menschlicher Schädel beiden Geschlechts. Mit Hilfe der Software RadiAnt DICOM Viewer (v4.6.9 ©) wurden zunächst geeignete Grund- und Messebenen definiert. Dabei galt es zu berücksichtigen, dass es sich beim Foramen rotundum nicht um eine einfache Öffnung der Schädelbasis handelt, sondern um einen Knochenkanal mit einer bestimmten Ausrichtung. Basierend auf diesen vorab definierten Grund- und Messebenen wurden verschiedene Strecken-, Winkel- als auch Flächenmessungen vorgenommen, um die Lage sowie den Verlauf des Foramen rotundum zu bestimmen. Weiterhin wurde die anatomische Lage des Foramen rotundum zu umliegenden Strukturen untersucht. Speziell erstellte Indizes erlaubten einen artenübergreifenden Vergleich der Maße des Foramen rotundum. Die vielfältigen statischen Beziehungen zwischen den Maßen des Foramen rotundum und des Gesichtsschädels wurden zunächst mit Hilfe einer Korrelationsanalyse untersucht. Basierend auf diesen Ergebnissen erfolgten für ausgewählte signifikante Korrelationen weitere Untersuchungen mit Hilfe einer einfachen linearen Regression.
Das Foramen rotundum zeigte sich als rundlicher bis ovaler, geschlossener Knochenkanal. Lediglich innerhalb der Loriformes wies der knöcherne Kanal eine partielle Öffnung innerhalb der Fissura orbitalis superior auf. In Bezug zu den vorab definierten Grundebenen läuft das Foramen rotundum beim Menschen, ausgehend von seiner Öffnung in der Fossa cranii media, nach kranio-lateral. Es befindet sich beim Menschen vorranging lateral des Sinus sphenoidalis sowie kaudal der Fissura orbitals superior und kranio-lateral des Canalis pterygoideus. Eine ähnliche räumliche Beziehung zu umliegenden Strukturen zeigte das Foramen rotundum auch bei Orang-Utan und Cepus apella. Auch bei Schimpansen und Gorillas stellten sich dem Menschen sehr ähnliche anatomische Beziehungen des Foramen rotundum dar. Im Gegensatz zur Situation beim Menschen ist das Foramen rotundum der afrikanischen Menschenaffen jedoch am oberen Rand des Sinus sphenoidalis lokalisiert und wird von diesem an drei Seiten umgeben. Bei Gibbons und Mantelaffen befand sich das Foramen rotundum stets medial vom Canalis pterygoideus.
Die durchschnittliche Fläche des Foramen rotundum beim Menschen beträgt ca. 7,76 mm². In Bezug zum Gesichtsschädelvolumen hat das Foramen rotundum des Menschen die zweitgrößte Fläche aller untersuchten Primaten. Als einziger Primat war die Fläche des Foramen rotundum der Loriformes in Bezug zu dessen Gesichtsschädelvolumen etwa 17-fach größer als beim Menschen. Im artenübergreifenden Vergleich zeigten die Gorillas die kleinste Flächen-Gesichtsschädel-Relation des Foramen rotundum. Diese war ca. 33-fach kleiner gegenüber dem Menschen. In Bezug zur Schädelbasislänge sind die Kanallängen des Foramen rotundum beim Menschen, Orang-Utan, Mantelaffen sowie den Lemuriformes in etwa gleich lang. Mit einem in Bezug zur Schädelbasislänge etwa 3,5-fach längeren Foramen rotundum, als es der Mensch besitzt, wiesen die gehaupten Kapuziner zugleich das längste Foramen rotundum der untersuchten Primaten auf. Die Gorillas, Brüllaffen und Schimpansen ordneten sich bezüglich der Kanallänge in absteigender Reihenfolge zwischen den Cebus apella und den Menschen ein. Ein im Vergleich zum Menschen relativ kürzeres Foramen rotundum fand sich bei den Gibbons sowie den Loriformes.
Im Ergebnis der Korrelationsanalyse konnten signifikante Zusammenhänge zwischen dem Foramen rotundum und den Schädelmaßen Gesichtsschädelvolumen, Gesichtsschädellänge sowie Schädelbasislänge bei Mantel- und Brüllaffen sowie den Loriformes beobachtet werden. Beim Menschen korreliert die Länge des Foramen rotundum signifikant mit dem Gesichtsschädelvolumen, der Obergesichtshöhe sowie der Mittelgesichtsbreite. Darüber hinaus korreliert die Fläche des Foramen rotundum signifikant mit der Gaumenlänge.
Diese Studie ermöglicht einen detaillierten Vergleich zwischen der Morphologie des Foramen rotundum des Menschen und nicht-menschlichen Primaten. Die im Rahmen dieser Arbeit erhobenen biometrischen Daten sowie anatomischen Einordnungen können als Grundlage zur weiteren Erforschung der menschlichen, aber auch nicht-menschliche Strukturen der Schädelbasis sowie evolutionärer Anpassungsprozesse dienen. Die herausgearbeiteten Erkenntnisse über die Topographie des Foramen rotundum können sowohl für die Grundlagenforschung, als auch für verschiedene klinische Fachgebiete wie Neurochirurgie, Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Mund-Kiefer-Gesichts-Chirurgie, Radiologie und Forensische Medizin von Interesse sein.
Staufen2 ist ein mRNA-bindendes Protein (RBP), das in Säugetieren vor allem cerebral exprimiert wird und an der neuronalen Plastizität innerhalb des Hippocampus beteiligt ist. RBPs spielen dabei eine wichtige Rolle in der strengen örtlichen und zeitlichen Regulation der neuroplastischen Vorgänge.
Ziel dieser Arbeit war es, die Auswirkungen eines Knockdowns von Staufen2 auf die Morphologie von Dendriten und dendritischen Dornen im Hippocampus der Ratte erstmalig in-vivo zu untersuchen. Als Grundlage dienten transgene Ratten, in denen durch Tamoxifen-Injektion ein RNA-Interferenz-Mechanismus zum Knockdown von Staufen2 aktiviert werden konnte. Die maximale Wirkung zeigte sich in der CA1-Region des Hippocampus, die in der Folge zum Gegenstand der weiteren Untersuchungen genutzt wurde. Mithilfe der Golgi-Cox-Silberimprägnierung konnte gezeigt werden, dass die Spinelänge und die Spinedichte in der apikalen CA1-Region in den Knockout-Tieren signifikant geringer waren. In den basalen Anteilen sowie bei der Morphologie des Dendritenbaums waren keine signifikanten Unterschiede nachweisbar. Andere Arbeitsgruppen konnten zeigen, dass diese Tiere Defizite im räumlichen Arbeitsgedächtnis sowie im räumlichen und zeitlichen Assoziationsgedächtnis haben. Der Grund hierfür könnte darin liegen, dass das normalerweise ausgewogene Verhältnis zwischen LTP und LTD zugunsten der LTP verschoben erscheint.
Mit seiner Funktion als RBP und einer Assoziation der LTD scheint Staufen2 eine Rolle in der späten, proteinsynthese-abgängigen Phase der LTD zu spielen, wobei die genauen Funktionsweisen des Proteins weiterhin nicht vollständig verstanden sind. Neben Staufen2 gibt es einer Reihe weitere RBPs mit wichtigen Funktionen innerhalb der neuronalen Plastizität. Einige davon sind mit schweren neurologischen Krankheitsbildern wie dem Fragilen-X-Syndrom, AutismusSpektrum-Störungen, amyotropher Lateralsklerose und frontotemporaler Demenz assoziiert. Ein besseres Verständnis der RBPs im Allgemeinen und von Staufen2 im Besonderen kann somit zukünftig zu einem besseren Verständnis von Lernen und Gedächtnis sowie der Pathogenese schwerer neurologischer Erkrankungen beitragen und möglicherweise auch zu neuen Therapiemöglichkeiten führen.
Die Prävalenz der chronischen Nierenerkrankung (CKD) nahm in den letzten Jahren
global stetig zu. Die häufigsten Ursachen für die CKD, arterielle Hypertonie und
Diabetes mellitus, sind oftmals mit einer glomerulären Hypertonie assoziiert, die eine
erhöhte mechanische Belastung der hochspezialisierten und postmitotischen
Podozyten verursachen kann. Dies führt zum sogenannten Effacement, einer
Verbreiterung und Abflachung der durch ein komplexes Aktin-Zytoskelett gestützten
Podozytenfußfortsätze und schließlich zum Ablösen von Podozyten von der
glomerulären Basalmembran. Auch kultivierte Podozyten reagieren auf mechanische
Dehnung mit Veränderungen ihres Aktin-Zytoskeletts. Über welchen Mechanosensor
die Podozyten mechanische Dehnung wahrnehmen, ist jedoch nicht geklärt.
Filamine bilden mit F-Aktin stabile Netzwerke und können bei mechanischer Veränderung
der Netzwerke durch Freilegung von Proteinbindestellen als Mechanosensor
fungieren. Die Herunterregulation von Filamin A in kultivierten Mauspodozyten führte
zu einem deutlichen Verlust der Aktin-Stressfasern. Zudem zeigten wir zum ersten
Mal, dass die Synaptopodin-Expression kultivierter Podozyten abhängig von der
Filamin A-Expression war. Ferner konnten wir Filamin A als neuen Interaktionspartner
von Synaptopodin, einem podozytenspezifischen Aktin-bindenden Protein, aufzeigen.
Da Filamine in mechanisch gedehnten kultivierten Mauspodozyten vermehrt exprimiert
wurden und der Verlust von Filamin A darüber hinaus zu einer reduzierten Expression
von Fokaladhäsionsproteinen führte, gingen wir von einer geringeren Adhäsivität
mechanisch gedehnter Filamin A Knockout-Podozyten aus. Interessanterweise war
die Adhäsivität erst nach gemeinsamem Verlust von Filamin A und B reduziert, was
wir auf einen Rescue-Mechanismus zwischen den Isoformen zurückführten. Auf Basis
dieser Ergebnisse nahmen wir auch eine erhöhte Expression von Filamin A in Podozyten
unter mechanischer Belastung in vivo an. In der Tat exprimierten Podozyten in
einem Mausschadensmodell glomerulärer Hypertonie sowie in Glomeruli von Patienten
mit diabetischer Nephropathie vermehrt Filamin A in den Podozytenfußfortsätzen.
Zusammenfassend legen die Ergebnisse nahe, dass Filamine entscheidende Funktionen
hinsichtlich der Aktin-Organisation sowie der Adhäsivität von mechanisch gedehnten
Podozyten ausüben und sogar möglicherweise als Mechanosensor in
Podozyten fungieren können, was in weiterführenden Studien untersucht werden wird.
Das Ziel der vorliegenden Studie bestand darin, die Morphologie der Nasenhöhle und insbesondere der Conchae nasales zweier Primatenspezies, die unterschiedlichen Unterfamilien der geschwänzten Altweltaffen (Cercopithecoidea) angehören, morphometrisch zu untersuchen und zu vergleichen. Die Untersuchungen erfolgten an mazerierten adulten Schädeln beiderlei Geschlechts von Japanischen Makaken (10 Präparate) und Mantelaffen (13 Präparate). Während die Japanischen Makaken (Macaca fuscata) typischerweise einen Sinus maxillaris aufweisen, sind bei den Mantelaffen (Colobus guereza) keine Nasennebenhöhlen nachweisbar. Vor diesem Hintergrund sollte weiterhin geprüft werden, inwiefern das Vorhandensein eines Sinus maxillaris die Morphologie der Nasenhöhle und der Conchae nasales beeinflusst.
Die Messungen erfolgten an definierten koronaren DVT- bzw. CT-Schichtaufnahmen der Schädelpräparate. Dazu wurden die Datensätze mit der 3D MPR-Funktion des Programms RadiAnt® Dicom Viewer (Vers. 5.5.0, Medixant) so ausgerichtet, dass die Horizontalebene durch die Messpunkte Prosthion und Spina nasalis posterior verlief. Diese Ebene wurde nachfolgend als Nasenbodenebene bezeichnet. Senkrecht zur Nasenbodenebene wurden koronare Messebenen definiert, die entsprechend der palatinalen Wurzeln der Oberkieferzähne des zweiten Prämolaren bis zum dritten Molaren positioniert wurden. Die so definierten koronaren Schichtaufnahmen bildeten die Grundlage für Erhebung der Breiten- und Höhenmaße der Nasenhöhle sowie Flächenmaße des Meatus nasi inferior. Für die Erfassung der Conchae nasales wurden die vertikalen Abstände der jeweiligen Grundlamellen in Bezug zur Nasenbodenebene vermessen. Zudem wurden unter der Verwendung der Programme WinSurf (Version 4.0, Lozanoff and Moody) und ImageJ (Version 1.52n, Rasband, National Institutes of Health) 3D-Rekonstruktionen der Nasenmuscheln erstellt und deren Volumina berechnet. Darüber hinaus wurden ausgewählte externe Schädelmaße in den Vergleich mit einbezogen.
Mit Ausnahme der Schädelbasislänge sind die externen Schädelmaße sowie das berechnete Gesichtsschädelvolumen bei Macaca fuscata signifikant größer als bei Colobus guereza. Zugleich wies Macaca fuscata signifikant größere Volumina der Concha nasalis inferior und media auf. Auch die Größenverhältnisse der Conchae nasales innerhalb der jeweiligen Stichproben unterschieden sich zwischen beiden Spezies. Anders als bei Colobus guereza wurde bei Macaca fuscata eine größere Concha nasalis media im Vergleich zur Concha nasalis inferior beobachtet. Die Symmetrieverhältnisse der Nasenmuscheln und ihrer Grundlamellen konnten durch die Berechnung eines Asymmetrie-Index dargestellt werden. Hierbei konnte eine zufällige Verteilung der Asymmetrien bei beiden Spezies festgestellt werden, die als fluktuierende Asymmetrie eingeordnet wurde.
Die Grundlamelle der Concha nasalis inferior wurde bei beiden Primatenspezies in allen vier koronaren Messebenen, vom zweiten Prämolaren bis zum dritten Molaren des Oberkiefers, lokalisiert. Die Grundlamelle der Concha nasalis media lag bei Macaca fuscata auf Höhe der Messebene des dritten Oberkiefermolaren, während sie bei Colobus guereza auf Höhe des zweiten und dritten Oberkiefermolaren beobachtet wurde. Die Grundlamelle der Concha nasalis superior lag bei beiden Primatenspezies vorwiegend im Bereich des zweiten Oberkiefermolaren.
Die Ergebnisse der Breiten- und Höhenmaße der Nasenhöhle zeigten, dass Macaca fuscata in drei von vier koronaren Messebenen eine signifikant höhere Nasenhöhle aufweist. Die Nasenhöhlenbreite ließ hingegen keine Tendenzen in Bezug auf die Größenverhältnisse zugunsten einer Spezies erkennen. Mithilfe eines Breiten-Höhen-Index konnte außerdem das Verhältnis der Breite zur Höhe der Nasenhöhle beschrieben werden. Während dieses Verhältnis im mittleren Bereich der Nasenhöhle bei beiden Spezies annährend gleich ist, besitzt Colobus guereza im anterioren und posterioren Bereich eine breitere Nasenhöhle in Relation zur Gesamthöhe der Cavitas nasi. Es wurden weiterhin signifikante Unterschiede in der Größe des Meatus nasi inferior zwischen beiden Primatenspezies beobachtet.
Mögliche Merkmalszusammenhänge zwischen ausgewählten Maßen der Nasenhöhle sowie externen Schädelmaßen wurden mit der Korrelationsanalyse nach Spearman geprüft. Hierbei wurden bei Colobus guereza keine signifikanten Zusammenhänge zwischen den Volumina der Nasenmuscheln und den externen Schädelmaßen festgestellt. Für Macaca fuscata konnte nur zwischen dem Volumen der rechten Concha nasalis inferior und der Gesichtsschädellänge sowie dem Gesichtsschädelvolumen eine signifikante Korrelation beobachtet werden.
Signifikante Zusammenhänge zwischen den Höhenmaßen der Grundlamellen und den Höhenmaßen der Nasenhöhle wurden bei Macaca fuscata nur für die Concha nasalis inferior im Bereich des zweiten Oberkieferprämolaren sowie bei Colobus guereza für die Concha nasalis media im Bereich des dritten Oberkiefermolaren beobachtet. Die Ergebnisse der Korrelationsanalyse lassen ferner vermuten, dass die Grundlamelle der Concha nasalis inferior eher mit der Nasenhöhlenbreite als mit der Höhe der Nasenhöhle zusammenhängt. Die Ergebnisse der Regressionsanalyse zeigten, dass diejenigen Korrelationen, die bei beiden Primatenspezies gleichermaßen auftraten, keine signifikanten Unterschiede aufweisen.
Die vorliegende Arbeit stellt eine Methodik vor, die es erlaubt, ausgewählte Maße der Nasenhöhle mithilfe von DVT- und CT-Aufnahmen zu erfassen und zwischen verschiedenen menschlichen oder nichtmenschlichen Populationen bzw. unterschiedlichen Primatenspezies zu vergleichen. Die Primatenspezies Macaca fuscata und Colobus guereza wiesen signifikante Unterschiede in verschiedenen Aspekten der Nasenhöhle auf, welche möglicherweise mit den geografischen Lebensräumen sowie der unterschiedlichen Schädelpneumatisation zusammenhängen. Ein Einfluss des Sinus maxillaris auf die Morphologie der Conchae nasales und ihrer Grundlamellen kann nicht ausgeschlossen werden. Weitere Studien sind nötig, um zu prüfen, inwiefern die Anordnung und Größe der Grundlamellen der Conchae nasales artspezifisch sind und in welchem Zusammenhang sie mit anatomischen und physiologischen Charakteristika der Nasenhöhle sowie des Gesichtsschädels stehen. Zudem können die Ergebnisse dieser Studie als Grundlage für weiterführende biometrische Untersuchungen der Nasenhöhle sowie der Conchae nasales dienen.
Until today, more than 17% of the population in Mecklenburg Western-Pomerania suffer from chronic kidney disease (CKD) which was revealed by the SHIP study (Study of Health in Pomerania). 20% of CKD cases can be traced back to glomerulopathies. One common characteristic of glomerulopathies is the morphologic change of the glomerular filtration barrier which consists of endothelial cells, the glomerular basement membrane and podocytes. Under healthy conditions, the foot processes of the podocytes interdigitate with the foot processes of the neighboring podocytes with a filtration slit in between. Apart from the slit membrane protein nephrin, typical adherens junction proteins like occludin or JAM-A are also expressed at this cell-cell junction. This junction is therefore considered to be a specialized type of adherens junction, necessary to maintain the size-selectivity of the filtration barrier. During podocyte injury, podocyte foot processes lose their characteristic morphology and the typical meandering filtration slit becomes linearized, a process which is described as foot process effacement.
Since morphological change is directly linked to change or loss of function, ultrastructural analysis of the foot processes is necessary for diagnostics and research. By using 3D-structured illumination microscopy (3D-SIM), we quantified these morphological changes as well as studied a possible biomarker, the tight junction protein claudin 5 (CLDN5). Our study showed a spatially restricted up-regulation of CLDN5 in effaced filtration slit areas in biopsies of patients suffering from minimal change disease (MCD), focal and segmental glomerulosclerosis (FSGS) as well as in mice after NTS injection and in the uninephrectomy DOCA-salt mouse model. CLDN5/nephrin ratios of biopsies from patients with glomerulopathies and of tissue received from NTS-treated mice were significantly higher compared to controls. We found that in patients the CLDN5/nephrin ratios were negatively correlated with the filtration slit density. Since CLDN5 up-regulation was observed in several areas of high filtration slit density, we hypothesized that CDLN5 upregulation preceded visible foot process effacement. Taken together, we suggest that CLDN5 could be a helpful biomarker to identify an early change of the foot process morphology in addition to filtration slit density measurement. Additionally, correlation analysis of foot process effacement with patient data showed a significant negative correlation of the filtration slit density with proteinuria in MCD patients.
Podocytes are highly specialized kidney cells that are attached to the outer aspect of the glomerular capillaries and are damaged in more than 75% of patients with an impaired renal function. This specific cell type is characterized by a complex 3D morphology which is essential for proper filtration of the blood. Any changes of this unique morphology are directly associated with a deterioration of the size-selectivity of the filtration barrier. Since podocytes are postmitotic, there is no regenerative potential and the loss of these cells is permanent. Therefore, identification of small molecules that are able to protect podocytes is highly important. The aim of this work was to establish an in vivo high-content drug screening in zebrafish larvae. At first, we looked for a reliable podocyte injury model which is fast, reproducible and easy to induce. Since adriamycin is commonly used in rodents to damage podocytes, we administered it to the larvae and analyzed the phenotype by in vivo microscopy, (immuno-) histology and RT-(q)PCR. However, adriamycin did not result in a podocyte-specific injury in zebrafish larvae. Subsequently, we decided to use a genetic ablation model which specifically damages podocytes in zebrafish larvae. Treatment of transgenic zebrafish larvae with 80 µM metronidazole for 48 hours generated an injury resembling focal and segmental glomerulosclerosis which is characterized by podocyte foot process effacement, cell depletion and proteinuria. Following this, we established an in vivo high-content screening system by the use of a specific screening zebrafish strain. This screening strain expresses a circulating 78 kDa eGFP-labeled Vitamin D-binding fusion protein, which passes the filtration barrier only after glomerular injury. Therefore, we had an excellent readout to follow podocyte injury in vivo. We generated a custom image analysis software that measures the fluorescence intensity of podocytes and the vasculature automatically on a large scale. Furthermore, we screened a specific drug library consisting of 138 compounds for protective effects on larval podocytes using this in vivo high-content system. The analysis identified several initial hits and the subsequent validation experiments identified belinostat as a reliable and significant protective agent for podocytes. These results led to a patent request and belinostat is a promising candidate for a clinical use and will be tested in mammalian podocyte injury models.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss von zwei Angiotensin (1-7) Derivaten TXA301 und TXA302 im Vergleich mit einer Placebo behandelten Kontrollgruppe einer Rattenpopulation mit mittels vorübergehendem Verschluss der Arteria cerebri media (tMCAO) herbeigeführtem Schlaganfall auf die adulte Neurogenese durch Immunfluoreszenzfärbungen untersucht. Beide Derivate, TXA301 und TXA 302, und damit Angiotensin (1-7) haben einen Einfluss auf die adulte Neurogenese, was sich anhand der gegenüber der Kontrollgruppe erhöhten Doublecortin Zahlen beweisen lässt. Diese Neurone scheinen im Fall von TXA301 weniger gut zu überleben wie solche, die mit TXA302 behandelt wurden. Ebenfalls besteht ein messbarer Einfluss auf die Zellteilungsrate 21 Tage nach Applikationsende, da mehr phosphorylierte-Histon-H3 positive Zellen gemessen werden konnten. Die Mikroglia Aktivität wurde durch Angiotensin (1-7) ebenfalls beeinflusst, wie sich in der ionisierten-kalziumbindendes-Adaptermolekül-1 Färbung zeigen ließ. Somit ist die Beeinflussung der adulten Neurogenese nach einem ischämischen Schlaganfall durch die Angiotensin (1-7) Derivate anzunehmen und sollte in größeren Studien weiter untersucht werden.
Niemann–Pick type C1 (NPC1) is a lysosomal storage disorder, inherited as an
autosomal-recessive trait. Mutations in the Npc1 gene result in malfunction of the NPC1 protein,
leading to an accumulation of unesterified cholesterol and glycosphingolipids. Beside visceral
symptoms like hepatosplenomegaly, severe neurological symptoms such as ataxia occur. Here,
we analyzed the sphingosine-1-phosphate (S1P)/S1P receptor (S1PR) axis in different brain regions
of Npc1−/− mice and evaluated specific effects of treatment with 2-hydroxypropyl-β-cyclodextrin
(HPβCD) together with the iminosugar miglustat. Using high-performance thin-layer chromatography
(HPTLC), mass spectrometry, quantitative real-time PCR (qRT-PCR) and western blot analyses, we
Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 4502; doi:10.3390/ijms21124502 www.mdpi.com/journal/ijms
Int. J. Mol. Sci. 2020, 21, 4502 2 of 31
studied lipid metabolism in an NPC1 mouse model and human skin fibroblasts. Lipid analyses
showed disrupted S1P metabolism in Npc1−/− mice in all brain regions, together with distinct changes
in S1pr3/S1PR3 and S1pr5/S1PR5 expression. Brains of Npc1−/− mice showed only weak treatment
effects. However, side effects of the treatment were observed in Npc1+/+ mice. The S1P/S1PR axis
seems to be involved in NPC1 pathology, showing only weak treatment effects in mouse brain. S1pr
expression appears to be affected in human fibroblasts, induced pluripotent stem cells (iPSCs)-derived
neural progenitor and neuronal differentiated cells. Nevertheless, treatment-induced side effects
make examination of further treatment strategies indispensable
Simple Summary
Neuronal plasticity refers to the brain’s ability to adapt in response to activity-dependent changes. This process, among others, allows the brain to acquire memory or to compensate for a neurocognitive deficit. We analyzed adult FTSJ1-deficient mice in order to gain insight into the role of FTSJ1 in neuronal plasticity. These mice displayed alterations in the hippocampus (a brain structure that is involved in memory and learning, among other functions) e.g., in the form of changes in dendritic spines. Changes in dendritic spines are considered to represent a morphological hallmark of altered neuronal plasticity, and thus FTSJ1 deficiency might have a direct effect upon the capacity of the brain to adapt to plastic changes. Long-term potentiation (LTP) is an electrophysiological correlate of neuronal plasticity, and is related to learning and to processes attributed to memory. Here we show that LTP in FTSJ1-deficient mice is reduced, hinting at disturbed neuronal plasticity. These findings suggest that FTSJ1 deficiency has an impact on neuronal plasticity not only morphologically but also on the physiological level.
Abstract
The role of the tRNA methyltransferase FTSJ1 in the brain is largely unknown. We analyzed whether FTSJ1-deficient mice (KO) displayed altered neuronal plasticity. We explored open field behavior (10 KO mice (aged 22–25 weeks)) and 11 age-matched control littermates (WT) and examined mean layer thickness (7 KO; 6 WT) and dendritic spines (5 KO; 5 WT) in the hippocampal area CA1 and the dentate gyrus. Furthermore, long-term potentiation (LTP) within area CA1 was investigated (5 KO; 5 WT), and mass spectrometry (MS) using CA1 tissue (2 each) was performed. Compared to controls, KO mice showed a significant reduction in the mean thickness of apical CA1 layers. Dendritic spine densities were also altered in KO mice. Stable LTP could be induced in the CA1 area of KO mice and remained stable at for at least 1 h, although at a lower level as compared to WTs, while MS data indicated differential abundance of several proteins, which play a role in neuronal plasticity. FTSJ1 has an impact on neuronal plasticity in the murine hippocampal area CA1 at the morphological and physiological levels, which, in conjunction with comparable changes in other cortical areas, might accumulate in disturbed learning and memory functions.
Chronic kidney disease (CKD) is a major public health burden affecting more than 500 million people worldwide. Podocytopathies are the main cause for the majority of CKD cases due to pathogenic morphological as well as molecular biological alterations of postmitotic podocytes. Podocyte de-differentiation is associated with foot process effacement subsequently leading to proteinuria. Since currently no curative drugs are available, high throughput screening methods using a small number of animals are a promising and essential tool to identify potential drugs against CKD in the near future. Our study presents the implementation of the already established mouse GlomAssay as a semi-automated high-throughput screening method—shGlomAssay—allowing the analysis of several hundreds of FDA-verified compounds in combination with downstream pathway analysis like transcriptomic and proteomic analyses from the same samples, using a small number of animals. In an initial prescreening we have identified vitamin D3 and its analog calcipotriol to be protective on podocytes. Furthermore, by using RT-qPCR, Western blot, and RNA sequencing, we found that mRNA and protein expression of nephrin, the vitamin D receptor and specific podocyte markers were significantly up-regulated due to vitamin D3- and calcipotriol-treatment. In contrast, kidney injury markers were significantly down-regulated. Additionally, we found that vitamin D3 and calcipotriol have had neither influence on the expression of the miR-21 and miR-30a nor on miR-125a/b, a miRNA described to regulate the vitamin D receptor. In summary, we advanced the established mouse GlomAssay to a semi-automated high-throughput assay and combined it with downstream analysis techniques by using only a minimum number of animals. Hereby, we identified the vitamin D signaling pathway as podocyte protective and to be counteracting their de-differentiation.
Chronic alcohol abuse is one of the most common addictions and one of the most substantial public health problems as it affects millions of people physically as well as mentally around the world. Globally more than 3 million deaths are assignable to alcohol intake each year. Chronic alcoholism is a multi-component disease and its development is associated with both environmental as well as genetic factors. However, the key mechanisms underlying an addiction, especially on a cellular and physiological basis, are still unknown. Bio-medically an influence of chronic alcohol consumption on synaptic plasticity in the brain of humans as well as rodents has been proven.
On the dendritic shaft of nervous brain cells, small membrane protrusions called dendritic spines can be found. These spines possess the capacity to change their morphology and quantity and are thought to play an important role in learning and memory forming, and seem to be impaired in multiple neurological disorders. These dynamics are called synaptic plasticity. Most of these studies however, were carried out on the cortex. These previous observations raise the question whether such alterations in synaptic plasticity can also be observed in regions of the brain that contribute to the limbic system and therefore to the processing of emotional responses, learning and decision making. The amygdala is of special interest when trying to understand the neurobiology and pathophysiology that lead to the emergence and up keeping of an alcohol addiction. In this thesis a closer look has been taken at possible alterations in synaptic plasticity within different amygdaloid nuclei by the help of a rat model. These rats were put into the so called postdependent state, one of the most common animal models to investigate excessive ethanol intake in rodents. The postdependent state is a model in which the key driving force to obtain alcohol as part of a preserved addiction cycle is based on negative affect. Studies showed differences in the behavioural outcome of those animals that were exposed to chronic intermittent alcohol consumption compared to a control group, so it was of special interest to see whether those behavioural changes also show on a cellular basis.
In the study, a morphological comparison of the spine length as well as the spine density of alcohol dependent rats with a comparable control group has been made. The medial, the central, the lateral and the basolateral amygdaloid nucleus were of special interest in this research project.
The results showed no significant difference of the spine densities in any of the four amygdaloid regions. When comparing the spine morphology within the ethanol and the control group, differences showed in the lateral amygdaloid nucleus. In this region the spines of the ethanol group were significantly smaller. This leads to the conclusion that chronic alcohol intake can have an influence on the spine morphology and hence alter anatomical brain structures.
In der vorliegenden Studie wurden die in einzelnen Kasuistiken berichteten schwerwiegenden Komplikationen, wie die Perforation des Spinalkanals und dadurch hervorgerufenen Verletzungen der intraspinalen Strukturen (Heyll und Ziegenhagen 2000; Schmittinger et al. 2011) im Rahmen der neuraltherapeutischen Injektion der Tonsilla pharyngea aus morphologischer Sicht einer näheren Betrachtung unterzogen. Zu diesem Zweck wurde der mögliche Stichkanal einer Kanüle virtuell anhand computertomographischer Datensätze von insgesamt 53 adulten Schädeln von sieben unterschiedlichen Populationen verschiedener historischer und geographischer Herkunft rekonstruiert. Dabei wurde der Einfluss einer 8 cm langen und nach 4 cm um 140° nach kranial gebogenen Kanüle entsprechend den Vorgaben von Barop (2015) mit einer 8 cm langen, geraden Kanüle in Anlehnung an Dosch (1995) verglichen. Der knöcherne Treffpunkt der Kanülenspitzen im Epipharynx wurde anschließend mittels linearer Streckenmaße metrisch erfasst. Um den Einfluss der Schädelmorphologie auf die Messergebnisse beurteilen zu können, wurden zusätzlich Zusammenhänge zwischen definierten Parametern am Epipharynx und ausgewählten Schädelparametern statistisch geprüft.
Alle Untersuchungen erfolgten an CT-Datensätzen mittels des Programmes Horos v3.3.5 (© 2019 Horos Project). Dazu wurden Längenmessungen und Winkelberechnungen am Schädel vorgenommen sowie Abstände zu definierten Landmarken an Schädelbasis und Epipharynx vermessen. Die Beziehungen zwischen den erhobenen Parametern wurden bei Vorliegen einer Normalverteilung mit Hilfe parametrischer Tests (u. a. einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA)) untersucht.
Die Untersuchungsergebnisse zeigten für alle Schädel und unabhängig der Verwendung einer geraden oder abgewinkelten Kanüle stets einen knöchernen Treffpunkt im Epipharynx. Die Treffpunkte der gebogenen Kanüle lagen stets weiter anterior als jene der gerade Kanüle. Demzufolge ist hinsichtlich des Risikos, den Spinalkanal zu verletzen, die gebogene Kanüle zu favorisieren.
Mögliche statistische Beziehungen zwischen den Schädelparametern mit den Abständen des knöchernen Treffpunktes der Kanülen zum Basion wurden mittels einer Korrelationsanalyse nach Pearson, einer einfachen linearen Regressionsanalyse sowie mit einer multifaktoriellen ANOVA geprüft. Die Ergebnisse dieser Studie verdeutlichen signifikante Korrelationen zwischen Epipharynx- und Gesichtslänge. Zudem ließ sich ein tendenzieller Zusammenhang zwischen der mittleren Gesichtshöhe bzw. der Epipharynxhöhe zum Abstand des knöchernen Kanülentreffpunktes und dem höchsten Punkt im Epipharynx nachweisen. Im Ergebnis der statistischen Untersuchungen zeigte sich jedoch auch, dass mögliche Populationsunterschiede keinen Einfluss auf den knöchernen Kanülentreffpunkt im Epipharynx haben.
Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine standardisierte Methode vorgestellt, die es ermöglicht, den knöchernen Treffpunkt einer Kanüle an der Schädelbasis zu analysieren und quantitativ zu bestimmen. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten zur Untersuchung der neuraltherapeutischen Injektion an das Rachendach auch unter Berücksichtigung phylogenetischer und populationsbiologischer Aspekte. Derartige Daten sind für die Reduktion schwerwiegender Komplikationen von unmittelbarer klinischer Bedeutung.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den morphologischen Besonderheiten des knöchernen Tränennasenkanals nicht-menschlicher Primaten anhand von 99 computertomographischen Datensätzen und 5 DVT Datensätzen verschiedener Primatenspezies. Für diese Studie wurden adulte Schädel von 25 Feuchtnasenprimaten (Strepsirrhini), 6 Brüllaffen (Alouatta), 15 Mantelaffen (Colobus guereza), 5 Kapuzineraffen (Cebidae) und 36 Schimpansen (Pan troglodytes) verwendet. Letztere lagen in drei postnatalen Altersstufen vor. Zudem wurden Daten von Macaca fuscata aus einer Studie von Drygala (2018) einbezogen. Da für die meisten Schädel das Geschlecht nicht bekannt war, wurde das Geschlecht im weiteren Verlauf der Studie vernachlässigt.
Um die dreidimensionale Morphologie des Canalis nasolacrimalis zu beschreiben, wurden mit dem Programm RadiAnt DICOM Viewer Vers. 4.6.9 mittels dreidimensionaler multiplanarer Rekonstruktion 3D-Rekonstruktionen erstellt und Längen- und Breitenmaße erhoben. Die Vermessung des Volumens des Tränennasenkanals erfolgte mit dem Programm WinSurf Vers. 4.0. Die Winkelmessung wurde mit dem Programm ImageJ Vers 1.52i durchgeführt.
Im ersten Teil dieser Arbeit bestimmten wir Lageparameter, Längenmaße, Winkel und Volumen des Tränennasenkanals adulter Primaten. Im zweiten Teil verglichen wir das Wachstum des Tränennasenkanals von Schimpansen (Pan troglodytes) und Makaken (Macaca fuscata). Im dritten Teil der Arbeit erstellten wir eine Korrelationsanalyse der Messwerte des Tränennasenkanals adulter Primaten. Anschließend führten wir eine lineare Regressionsanalyse von Volumen und Länge des Tränennasenkanals in Bezug zu Gesichtsschädelvolumen und Schädelbasislänge durch.
Der Tränennasenkanal erstreckte sich bei den untersuchten Primaten von seinem orbitalen Eingang an der Fossa sacci lacrimalis nach kaudal bis zu seiner Mündung in den unteren Nasengang. Dabei lag seine Mündung in die Nasenhöhle, mit unterschiedlich starker Ausprägung, bei allen untersuchten Spezies weiter anterior als sein orbitaler Eingang. Insbesondere die Strepsirrhini wiesen einen flachen Verlauf nach anterior auf. In den horizontalen Schnittbildern lag die nasale Mündung des Tränennasenkanals bei allen Spezies, außer den Strepsirrhini, weiter lateral als der orbitale Eingang.
Das Volumen des Tränennasenkanals steigt mit zunehmender Schädelbasislänge und Gesichtsschädelvolumen bei allen untersuchten Primaten. Bei den Platyrrhini ist das Volumen des Tränennasenkanals im Verhältnis zu ihrem Gesichtsschädelvolumen jedoch deutlich kleiner, verglichen mit den Strepsirrhini und Catarrhini. Der Winkel zwischen der Achse des Tränennasenkanals und der Nasenbodenebene ist bei den Platyrrhini und Catarrhini eher steil, wohingegen der Tränennasenkanal der Strepsirrhini deutlich flacher verläuft.
Eine Wachstumsanalyse wurde für Makaken (Macaca fuscata) und Schimpansen (Pan troglodytes) durchgeführt. Das Volumen und die Länge des Tränennasenkanals nehmen für beide Spezies mit zunehmendem Alter zu. Hierbei sind für das Volumen des Tränennasenkanals keine signifikanten Unterschiede zwischen den Spezies nachweisbar. Für die Länge des Tränennasenkanals zeigt sich bei den Makaken eine signifikant größere Zunahme der Länge. Der Winkel des Tränennasenkanals verläuft bei jüngeren Tieren steil und flacht mit zunehmendem Alter bei Schimpansen und Makaken ab. Hierbei zeigen sich keine signifikanten Unterschiede zwischen Makaken und Schimpansen.
Beim Vergleich aller untersuchten Spezies zeigte die Regressionsanalyse für das Volumen und die Länge des Tränennasenkanals eine Zunahme für das Volumen des Tränennasenkanals mit steigender Schädelbasislänge und steigendem Gesichtsschädelvolumen. Hierbei zeigte sich, dass die Platyrrhini ein geringeres Volumen des Tränennasenkanals im Verhältnis zu ihrer Schädelbasislänge und dem Gesichtsschädelvolumen aufweisen, verglichen mit den Strepsirrhini und Catarrhini. Bei der Regressionsanalyse der Länge des Tränennasenkanals mit der Schädelbasislänge und dem Gesichtsschädelvolumen zeigte sich ein gegensätzliches Ergebnis. Die Platyrrhini weisen im Vergleich zu den Strepsirrhini und Catarrhini einen längeren Tränennasenkanal im Verhältnis zu ihrer Schädelbasislänge und dem Gesichtsschädelvolumen auf.
Um weitere denkbare Einflussfaktoren wie das Klima oder den Geschlechtsdimorphismus auf die Morphologie des Tränennasenkanals beurteilen zu können, sind weitere Untersuchungen notwendig. Die vorliegende Studie kann dabei als Grundlage dienen.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie des knöchernen Gaumens
verschiedener Feuchtnasenprimaten, Neuweltaffen und Altweltaffen untersucht und miteinander verglichen. Zudem wurde ein möglicher Zusammenhang zwischen der Morphologie des knöchernen Gaumens und dem Sinus maxillaris überprüft. Die Untersuchung erfolgte anhand von CT- und DVT-Datensätzen an insgesamt 138 verschiedenen Primatenschädeln. Das genaue Alter sowie das Geschlecht einiger Tiere waren nicht bekannt. Mit Hilfe der Software OsiriX Lite Version 10.0.2 (Osman Ratib, Antoine Rosset) wurde die Vermessung der verwendeten Datensätze anhand definierter Gaumenmaße
durchgeführt. Zusätzlich ermöglichte die Software die Bestimmung des
Gaumenvolumens sowie die Erstellung eines Gaumenmodells mittels 3-D Rekonstruktion. Zudem wurden verschiedene Schädelmaße sowie das Volumen des Sinus maxillaris bestimmt.
Die biostatistische Auswertung der Ergebnisse umfasste neben der Untersuchung signifikanter Unterschiede der Gaumenmaße mittels U-Test und H-Test eine Korrelationsanalyse sowie eine einfache lineare Regressionsanalyse. Um den Einfluss möglicher Störvariablen zu eliminieren, wurden die Schädelbasislänge und die Obergesichtshöhe im Rahmen einer partiellen Korrelationsanalyse herausgerechnet. Insgesamt erfolgte die Auswertung sowohl innerhalb einer Primatengruppe als auch
zwischen den jeweiligen Gruppen. Um die Gaumenmorphologie der Primatengruppen
besser vergleichen zu können, wurden Gaumenindizes gebildet.
Bei allen untersuchten Primatengruppen konnte eine Gaumenwölbung nachgewiesen
werden. Dabei unterscheiden sich im koronaren Schnittbild vor allem das Ausmaß und
die Form dieser Wölbung. Grundsätzlich liegt bei allen untersuchten Primaten im
vorderen Abschnitt des Gaumens eine flache Wölbung vor. Diese nimmt im Bereich der
Prämolaren und Molaren zu und flacht im dorsalen Abschnitt des Gaumens wieder ab.
Während bei den Strepsirrhini eine geringe Wölbung des Gaumens vorliegt, ist diese bei den Catarrhini am stärksten ausgeprägt. Bezüglich der Grundform der Gaumenwölbung
weist der Gaumen der Strepsirrhini im Bereich der Molaren eine trianguläre Form auf. Diese ist bei den Platyrrhini elliptisch bis halbkreisförmig. Die Grundform der
Gaumenwölbung der Catarrhini variiert zwischen trapezoid bis rechteckig und einer hohen Bogenform.
Die erhobenen Gaumenindizes ergaben für alle untersuchten Primatengruppen einen
Gaumen, der als leptostaphylin (schmalgaumig) klassifiziert werden kann. Dabei weisen
die Platyrrhini den verhältnismäßig breitesten Gaumen aller untersuchten
Primatenspezies auf. Bezüglich der Gaumenhöhe ist der Gaumen der Strepsirrhini und
Platyrrhini als chamaestaphylin (niedergaumig) zu bezeichnen. Der Gaumen der
Catarrhini ist dagegen als orthostaphylin (mittelhochgaumig) einzustufen.
Bei einigen Präparaten konnte ein Torus palatinus beobachtet werden, wobei die
Ausprägung und Häufigkeit dieser Exostose zwischen den Primatengruppen variierte. Während ein Torus palatinus bei den Catarrhini in 49,4 % der Fälle gefunden wurde,
konnte dieser bei den Strepsirrhini bei 28 % der Präparate festgestellt werden.
Hervorzuheben ist, dass bei keinem der untersuchten Neuweltaffen ein Torus palatinus
gefunden wurde.
Die Korrelationsanalyse ergab für alle untersuchten Primatengruppen eine insgesamt
hohe signifikante Korrelation zwischen den erhobenen Gaumenmaßen und verschiedenen
Längen-, Breiten- und Höhenmaßen des Gesichtsschädels. Bei allen Primatenspezies, die
einen Sinus maxillaris ausgebildet haben, konnten wir einen signifikanten
Zusammenhang zwischen dem Gaumenvolumen und dem Volumen des Sinus maxillaris
feststellen. Im Rahmen einer partiellen Korrelationsanalyse konnte jedoch gezeigt
werden, dass diese Korrelation maßgeblich durch die Schädelgröße determiniert wird.
Lediglich bei den Catarrhini konnten wir nach partieller Korrelationsanalyse eine
signifikante Korrelation zwischen der Gaumenhöhe und dem Sinus maxillaris feststellen.
Inwiefern das Vorhandensein des Sinus maxillaris einen Einfluss auf die
Gaumenmorphologie hat, wurde im Sinne eines natürlichen Experiments durch einen
Speziesvergleich innerhalb der Cercopithecoidea überprüft. Dazu wurde die
Gaumenmorphologie von Colobus guereza, einem Primaten ohne Sinus maxillaris, und
Macaca fuscata, einem Primaten mit Sinus maxillaris, verglichen. Es konnte gezeigt
werden, dass die Ausbildung des Sinus maxillaris keinen signifikanten Einfluss auf die Morphologie des knöchernen Gaumens hat. Für beide Strukturen kann folglich ein
eigenes Wachstumspotenzial angenommen werden.
Bei Primaten, welche einen Sinus maxillaris ausgebildet haben, weisen die Ergebnisse
dieser Studie auf einen Zusammenhang zwischen der Gaumenhöhe und dem Volumen
des Sinus maxillaris hin. Dabei wird der Zusammenhang beider Maße vor allem durch
die Schädelgröße determiniert, obgleich der Einfluss der Schädelgröße bei den Platyrrhini
und Strepsirrhini größer zu sein scheint als bei den Catarrhini. Insgesamt besteht der
Zusammenhang zwischen Sinus maxillaris und Palatum durum unserer Auffassung nach vor allem aufgrund der engen topografischen Beziehung beider Strukturen zueinander,
sodass ein gut ausgebildeter Processus alveolaris einen großen Sinus maxillaris
begünstigt.
Diese Arbeit bietet eine Übersicht über die unterschiedliche Gaumenmorphologie
einzelner Primatenspezies innerhalb der Ordnung der Primaten und leistet so aus
vergleichend-anatomischer Sicht einen Beitrag zum Verständnis einiger Einflussfaktoren
auf die Gaumenmorphologie. Die Ergebnisse dieser Studie tragen Modellcharakter und
lassen aufgrund der engen stammesgeschichtlichen Verwandtschaft zwischen nichtmenschlichen
Primaten und dem Menschen Rückschlüsse auf den Zusammenhang beim
Menschen zu. In Bezug auf den Sinus maxillaris verdeutlicht diese Studie, dass die
Pneumatisationsverhältnisse bei der Beurteilung der Maxilla und des knöchernen
Gaumens künftig stärker berücksichtigt werden sollten.
Zusammenfassung
Die vorliegende Studie befasst sich mit der Morphologie des menschlichen Tuber maxillae unter Berücksichtigung alters- und geschlechtsspezifischer Unterschiede. Grundlage dieser Arbeit waren DVT-Datensätze von 118 erwachsenen Probanden beiderlei Geschlechts. Basierend auf den Rohdatensätzen wurden, mit Hilfe der NewTom 3G Software (QR NNT Version 2.11 Professional ©), Axialschnitte parallel zur Ebene des Nasenhöhlenbodens angefertigt. Die Schichtstärke der Axialschnitte betrug 3,0 mm. Die daraus resultierenden axialen DVT-Schichtaufnahmen waren die Basis für alle weiteren Untersuchungen. Im Folgenden konnte auf der Grundlage definierter Messpunkte und Hilfslinien, Streckenmessungen am Tuber maxillae vorgenommen werden. Diese Streckenmessungen waren Ausgangspunkt für die Definition unterschiedlicher Formentypen des Tuber maxillae.
Um geschlechts- und altersspezifische Unterschiede zwischen den gewonnenen Messdaten und Formtypen des Tuber maxillae beurteilen zu können, wurde zunächst eine deskriptive Statistik erstellt. Darauf aufbauend erfolgte ein t-Test, durch den Geschlechtsunterschiede dargestellt werden konnten. Mit Hilfe einer einfaktoriellen Varianzanalyse (ANOVA) untersuchten wir die gewonnenen Daten in Bezug zu den drei Altersgruppen der erwachsenen Probanden. Des Weiteren nahmen wir eine Korrelations- und Regressionsanalyse unter Berücksichtigung verschiedener Gesichtsschädelmaße vor. Mit Hilfe der Bestimmung eines Symmetriequotienten erfolgte die Beurteilung von Seitenunterschieden.
Anhand der Streckenmessungen des Tuber maxillae zeigte sich, dass der Tuber maxillae bei den Männern höher ist als bei den Frauen. Breite und Länge des Tuber maxillae sind jedoch geschlechtsunabhängig. Obgleich keine signifikanten Altersunterschiede in Bezug auf die Höhe des Tuber maxillae nachgewiesen werden konnten, wurden Unterschiede zwischen den Altersgruppen 2 und 3 beobachtet. So nahm die Höhe des Tuber maxillae bis zur Altersgruppe 2 zunächst zu, um bei den älteren Probanden in der Altersgruppe 3 wieder leicht abzunehmen. Das Symmetrieverhalten des Tuber maxillae zeigte im Bezug zur Höhe symmetrische Höhenmaße. Anders verhielt es sich bei der Breite und Länge des Tuber maxillae. Sowohl für die Breite als auch für die Länge zeigten sich bei über der
Hälfte der Probanden Symmetrieunterschiede zwischen dem rechten und linken Tuber maxillae. Weiterhin konnte diese Studie verschiedene Korrelationen zwischen den Maßen des Tuber maxillae und verschiedenen Schädelmaßen aufzeigen. Eine weiterführende Regressionsanalyse bestätigte einen signifikanten Zusammenhang, insbesondere zwischen der Höhe des linken Tuber maxillae und dem Volumen des linken Sinus maxillaris.
Basierend auf den in dieser Studie ermittelten Maßen des Tuber maxillae konnten dem Tuber maxillae sowohl in der Norma lateralis als auch in der Norma horizontalis drei verschiedene Formtypen zugeordnet werden. Für die Formbestimmung in der Norma lateralis wurden jeweils die größten Längen des Tuber maxillae von kranial nach kaudal auf Millimeterpapier übertragen und an der anterioren Begrenzung des Tuber maxillae ausgerichtet. Mit Hilfe der so gewonnen Skizzen definierten wir die Formtypen I, II und III. Beim Typ I beschreibt die Dorsalfläche des Tuber maxillae einen annährend geraden Verlauf von kranial nach kaudal. Der Typ II hingegen ist gekennzeichnet durch eine tendenzielle Zunahme der Dorsalfläche von kranial nach kaudal. Beim Typ III zeigt sich ein konkaver Verlauf der Dorsalfläche des Tuber maxillae. Unsere Untersuchungen zeigten, dass in der Norma lateralis der Typ III bei den Männern am häufigsten vorkam. Bei den weiblichen Probanden zeigte sich dagegen häufiger der Typ II.
Die Formbestimmung des Tuber maxillae in der Norma horizontalis erfolgte an drei definierten Horizontalschnitten. Der erste Horizontalschnitt befindet sich auf Höhe des mittleren Nasenganges, der zweite Horizontalschnitt auf Höhe des Foramen palatinum majus und der dritte Horizontalschnitt in Höhe der Wurzelspitzen der Oberkiefermolaren. Die Einteilung in die Formen erfolgte in ähnlicher Weise wie in der Norma lateralis. Die größten Längen des Tuber maxillae wurden von lateral nach medial auf Millimeterpapier übertragen und wieder an der anterioren Begrenzung des Tuber maxillae ausgerichtet. Anhand der gewonnenen Skizzen definierten wir die Formtypen a, b und c für die Norma horizontalis. Beim Typ a befindet sich die stärkste Ausprägung der Dorsalfläche im medialen Drittel des Tuber maxillae. Der Typ b zeigt seine stärkste Ausprägung im mittleren Drittel des Tuber maxillae. Beim Typ c befindet sich die stärkste Ausprägung im lateralen Drittel des Tuber maxillae. Es zeigte sich, dass in Höhe des mittleren Nasenganges bei den Männern der Typ a am häufigsten auftrat. In Höhe des Foramen palatinum majus und auf Höhe der Wurzelspitzen der oberen Molaren ermittelten wir den Typ b am häufigsten. Bei den Frauen zeigte sich auf Höhe des mittleren Nasenganges der
Typ a am häufigsten. Gleiches war auf Höhe des Foramen palatinum majus zu beobachten. In der Ebene der Wurzelspitzen der oberen Molaren zeigte sich häufiger der Typ b. Anhand der hier gewonnenen Daten ist es möglich, die Form des Tuber maxillae zu quantifizieren. Die Untersuchungsergebnisse können für verschiedene klinische Fachgebiete, wie die Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie (MKG), die Prothetik und die Kieferorthopädie, von Interesse sein. In der MKG beispielweise können sie von Bedeutung bei der Wahl des passenden dentalen Implantatsystems in der Tuberregion sein. Aber auch bei der Gewinnung von Knochen aus der Tuberregion kann die Kenntnis über Form und Größe des Tuber maxillae von Nutzen sein. Die hier vorliegende Studie gibt Aufschluss über die Morphologie des Tuber maxillae beim Menschen. Weiterhin liefert sie Grundlagen für weiterführende Studien an anderen menschlichen Populationen.