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Background: Published estimates on age-dependent frequency of diabetes in cystic fibrosis (CF) vary widely, and are based mostly on older data. However, CF treatment and prevention of comorbidities changed over recent years. In many studies, definition of cystic fibrosis-related diabetes (CFRD) is not in line with current guideline recommendations. Therefore, we evaluated age-dependent occurrence of glucose abnormalities and associated risk factors in CF patients who participated in a multicenter screening program using oral glucose tolerance tests (OGTT).
Methods: Between 2001 and 2010, 43 specialized CF centers from Germany and Austria serially performed 5,179 standardized OGTTs in 1,658 clinically stable, non-pregnant CF patients with no prior steroid medication or lung transplantation. Age-dependent occurrence of impaired fasting glucose (IFG), impaired glucose tolerance (IGT), IFG+IGT, one (DGT) or two consecutive (CFRD) diabetic OGTTs was analyzed, using Kaplan Meier curves. Cox proportional-hazards models were created to elucidate the influence of sex or underweight.
Results: At baseline/last OGTT, median age was 15.9 years/18.2 years and 30.6%/31.8% of patients were underweight. 25% of patients showed IFG at age 14.3 years; IGT at age 16.3 years; IFG+IGT combined at age 17.7 years. DGT was observed in 25% of patients at age 22.6 years; CFRD at age 34.5 years. Females had a 3.54 [95% CI 1.23–10.18] times higher risk for CFRD; risk for DGT was 2.21 [1.22–3.98] times higher. Underweight was a risk factor for IGT (HR [95% CI]: 1.38 [1.11–1.71]) and IFG+IGT (1.43 [1.11–1.83]), and in males also for DGT (1.49 [1.09–2.04]).
Conclusions/Significance: If confirmation of diabetes by a second test is required, as recommended in current guidelines, age at CFRD diagnosis was higher compared to most previous studies. However, known risk factors for glucose abnormalities in CF were confirmed. Confirmation of diabetic OGT by a repeat test is important for a consistent diagnosis of CFRD.
ATP synthases are multi-subunit membrane enzymes, which utilize the energy stored in a transmembrane electrochemical ion gradient to produce adenosine-5´-triphosphate (ATP), the universal energy carrier in biological systems. Research on these important enzymes goes back more than 50 years and has produced innumerable studies. The F-type ATP synthase consists of two functionally distinct, but tightly coupled subcomplexes, the water-soluble F1 and the membrane-embedded Fo complex. In its simplest form, F1 consists of five different subunits with a stoichiometry of α 3β3γδε, and harbors three catalytic centers in the α 3β3-headpiece, while Fo consists of three different subunits in a stoichiometry of ab2cn, where n varies between 8 to 15 depending on the species. From a mechanistic standpoint, the complex can also be divided into two different units, namely a stator, α3β3δ-ab2, and a rotor, γε-cn. The enzyme utilizes the energy stored in a transmembrane electrochemical gradient of protons, or in some cases Na+, to drive ATP synthesis. In particular, the downhill translocation of these ions across the Fo complex drives rotation of the γε-cn unit, which is then transduced to the active centers, catalyzing the phosphorylation of adenosine-5`-diphosphate (ADP) with inorganic phosphate (Pi), and the release of ATP....
A new type of Na+-driven ATP synthase membrane rotor with a two-carboxylate ion-coupling motif
(2013)
Abstract: The anaerobic bacterium Fusobacterium nucleatum uses glutamate decarboxylation to generate a transmembrane gradient of Na+. Here, we demonstrate that this ion-motive force is directly coupled to ATP synthesis, via an F1Fo-ATP synthase with a novel Na+ recognition motif, shared by other human pathogens. Molecular modeling and free-energy simulations of the rotary element of the enzyme, the c-ring, indicate Na+ specificity in physiological settings. Consistently, activity measurements showed Na+ stimulation of the enzyme, either membrane-embedded or isolated, and ATP synthesis was sensitive to the Na+ ionophore monensin. Furthermore, Na+ has a protective effect against inhibitors targeting the ion-binding sites, both in the complete ATP synthase and the isolated c-ring. Definitive evidence of Na+ coupling is provided by two identical crystal structures of the c11 ring, solved by X-ray crystallography at 2.2 and 2.6 Å resolution, at pH 5.3 and 8.7, respectively. Na+ ions occupy all binding sites, each coordinated by four amino acids and a water molecule. Intriguingly, two carboxylates instead of one mediate ion binding. Simulations and experiments demonstrate that this motif implies that a proton is concurrently bound to all sites, although Na+ alone drives the rotary mechanism. The structure thus reveals a new mode of ion coupling in ATP synthases and provides a basis for drug-design efforts against this opportunistic pathogen.
Author Summary: Essential cellular processes such as biosynthesis, transport, and motility are sustained by the energy released in the hydrolysis of ATP, the universal energy carrier in living cells. Most ATP in the cell is produced by a membrane-bound enzyme, the ATP synthase, through a rotary mechanism that is coupled to the translocation of ions across the membrane. The majority of ATP synthases are energized by transmembrane electrochemical gradients of protons (proton-motive force), but a number of organisms, including some important human pathogens, use gradients of sodium ions instead (sodium-motive force). The ion specificity of ATP synthases is determined by a membrane-embedded sub-complex, the c-ring, which is the smallest known biological rotor. The functional mechanism of the rotor ring and its variations among different organisms are of wide interest, because of this enzyme's impact on metabolism and disease, and because of its potential for nanotechnology applications. Here, we characterize a previously unrecognized type of Na+-driven ATP synthase from the opportunistic human pathogen Fusobacterium nucleatum, which is implicated in periodontal diseases. We analyzed this ATP synthase and its rotor ring through a multi-disciplinary approach, combining cell-growth and biochemical assays, X-ray crystallography and computer-simulation methods. Two crystal structures of the membrane rotor were solved, at low and high pH, revealing an atypical ion-recognition motif mediated by two carboxylate side-chains. This motif is shared by other human pathogens, such as Mycobacterium tuberculosis or Streptococcus pneumonia, whose ATP synthases are targets of novel antibiotic drugs. The implications of this ion-recognition mode on the mechanism of the ATP synthase and the cellular bioenergetics of F. nucleatum were thus examined. Our results provide the basis for future pharmacological efforts against this important pathogen.
Bei der Ionenstrahltherapie bestimmt die Energie der Ionen die Eindringtiefe in das Gewebe und damit die Lage des Braggpeaks, in dem der größte Teil der Ionisationsenergie deponiert wird.
Um die gewünschte Dosis möglichst genau im Tumor zu lokalisieren, müssen in den aufeinanderfolgenden Extraktionen die gewünschten unterschiedlichen Energien möglichst genau sein.
In der Beschleunigungsphase werden die Magnetfelder der Magnete im Synchrotron bis zum vorgegebenen Exktraktionswert hochgefahren. Dieser bestimmt zusammen mit der Synchrotronfrequenz die Strahlenergie. Während und insbesondere am Ende dieser Phase, Rampe genannt, sollte das Magnetfeld daher sehr genau dem berechneten Sollwert folgen, um Strahlverluste zu minimieren und die geforderte Strahlqualität zu erreichen.
In der zeitlichen Steuerung der Magnetströme müssen magnetische Effekte, die hauptsächlich im Eisen der Magnete auftreten, wie Wirbelströme und die Hysterese berücksichtigt werden, da sie das Feld verfälschen und damit den Strahl in unerwünschter Weise beeinflussen. Die während der Rampe entstehenden Wirbelströme stören das Magnetfeld, so dass bisher vor der Extraktion des Strahls eine Wartezeit eingeführt wurde, bis die Wirbelströme abgeklungen waren.
Bei beliebig wählbaren Abfolgen der vordefinierten Zyklen kommt es durch die Hysterese des Eisens zu unterschiedlichen Remanenzfeldern, die das Magnetfeld verändern. Um dem vorzubeugen, durchliefen die Magnete eine vordefinierte Hystereseschleife. Ist die geforderte Energie des Strahls erreicht, wird das Magnetfeld konstant gehalten und die Teilchen aus dem Synchrotron extrahiert. Der Rest der Hystereseschleife wurde am Ende des Zyklus durchlaufen.
Die im Rahmen dieser Dissertation entwickelte dynamische Magnetfeldregelung misst das integrale Magnetfeld sehr genau und korrigiert die Feldfehler. Das integrale Magnetfeld folgt damit jederzeit seiner Vorgabe, unabhängig von den dynamischen Störeffekten. Die Wirbelströme und die Hysterese sind zwar immer noch vorhanden, die dadurch verursachten Feldfehler können aber durch eine Rückkopplung auf den Strom des Magneten korrigiert werden.
Es werden verschiedene Verfahren zur Messung der Magnetfelder untersucht. Am besten eignet sich für die dynamische Magnetfeldregelung die Kombination aus einer Hallsonden- und einer Induktionsspulenmessung. Die Messung muss das integrale Magnetfeld des Magneten BL, also das gesamte Feld entlang des Strahlwegs, bestimmen. Die Induktionsspule, oder Pickupspule, liegt deshalb entlang des Strahlrohrs im Magneten und liefert eine Spannung in Abhängigkeit von der Änderung des magnetischen Flusses. Durch die Integration dieser Spannung erhält man das integrale Feld des Magneten. Die Messung wird mit einer Hallsondenmessung zu Beginn des Beschleunigerzyklus auf einen absoluten Messwert geeicht.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung des sogenannten HIT Integrators, der die Integration der Pickupspulenspannung übernimmt. Bisher verfügbare Integratoren konnten die notwendigen Anforderungen an Genauigkeit, Echtzeitfähigkeit, automatische Kalibrierung, ständige Messbereitschaft, Temperaturunabhängigkeit und hohe Verfügbarkeit nicht erfüllen. Der neu entwickelte HIT Integrator wurde diesen Anforderungen entsprechend entwickelt. Der Integrator mit dem neuartigen Konzept der gleichzeitigen Messung und Kalibrierung in Echtzeit ist als Patent angemeldet worden. Neben der Entwicklung und Verwirklichung des Gesamtkonzepts war die numerische Integration des stark verrauschten Pickupspulensignals und die sofortige Umsetzung des integralen Werts in ein Steuersignal für die Dipolmagnetstromgeräte eine besondere technische Herausforderung.
Die elektronischen Schaltungen für die dynamische Magnetfeldregelung sind in der Baugruppe des HIT Integrators zusammengefasst. Die Ansteuerung der Hallsonde mit einer temperaturkompensierten Stromquelle, der Signalaufbereitung und Analog-Digital-Wandlung, sowie der Integrator und der Regler bilden eine technische Einheit.
Der HIT Integrator ist speziell für den Einsatz im bestehenden Beschleunigerkontrollsystem und den Magnetnetzgeräten entwickelt worden.
Die Regler der Magnetnetzgeräte wurden so verändert, dass sie einen Zusatzsollwert verarbeiten können, der auf den berechneten Sollwert der Datenversorgung addiert wird.
Die Magnetfeldregelung wurde in den Therapiebeschleuniger integriert, dazu wurde die Datenversorgung und das Kontrollsystem angepasst. Die Magnetfeldregelung stellt ein neues Gerät im Beschleuniger dar, das in die Netzgeräte der Synchrotronmagnete eingebaut worden ist. Die Datenversorgung dieser Geräte beinhaltet u.a. eine neue Methode der Kalibrierung.
Es konnte durch Messungen gezeigt werden, dass die Magnetfeldregelung mit hoher Genauigkeit funktioniert. Es wird eine Genauigkeit von besser als 10^{-4} des maximalen Feldes von 1.5 T erreicht, also weniger als 150uT, der dreifachen Stärke des Erdmagnetfelds. Vor allem die Bestrahlungszeit mit Protonen und die Bestrahlung bei niedrigen Energien profitiert von der Magnetfeldregelung, da hier das Extraktionsniveau der Magnete relativ gering ist und das Durchlaufen der vordefinierten Hystereseschleife prozentual mehr Zeit im Zyklus in Anspruch nimmt. Durch den Wegfall dieser Phase wird daher pro Zyklus mehr Zeit eingespart. Die Messungen zeigen, dass im Beschleunigerzyklus trotz der fehlenden Wartezeiten, die bis zu 24% betragen, eine gleichbleibend gute Strahlqualität erreicht wird. Dies wurde mit Vergleichsmessungen gezeigt, bei denen der Strahl mit und ohne Feldregelung vermessen wurde. Untersucht wurde eine große Stichprobenmenge aus dem Parameterraum, gegeben durch zwei Ionensorten mit jeweils 255 Strahlenergien, 10 verschiedenen Teilchenraten und 4 Strahlbreiten. Außerdem wurde die Energie des Strahls nachgemessen.
Für die Einführung in den Therapiebetrieb musste eine Impactanalyse gemacht werden, die mögliche Auswirkungen des neuen Verfahrens behandelt. Das Risiko für Patienten, Mitarbeiter und Dritte darf durch die Magnetfeldregelung nicht erhöht werden. Daraus entstand auch die Forderung nach einem redundanten System, das Fehler erkennt und die Bestrahlung abbricht.
Die mittlere Leistungsaufnahme des Beschleunigers des Heidelberger Ionenstrahltherapiezentrums liegt bei etwa 1 MW, bei einem Jahresenergieverbrauch von 8 GWh mit Kosten von etwa 1 Million Euro. Dies entspricht einer deutschen Kleinstadt mit 10000 Einwohnern. Die Verkürzung der Zykluszeiten wirkt sich direkt auf die Bestrahlungszeit und auf die Energiekosten aus. Würde man die Anlage durch die Zeiteinsparungen kürzer betreiben, würde man etwa 2 GWh pro Jahr sparen, was die Stromkosten um etwa 250000 Euro reduziert.
Zusätzlich zu den eingesparten Kosten wird auch die Bestrahlungszeit kürzer und damit auch die Zeit, die der Patient bei der Behandlung fixiert wird. Die Behandlung für die Patienten wird angenehmer. Man kann aber auch durch die eingesparte Bestrahlungszeit pro Patient entsprechend mehr Patienten behandeln. Das heißt man kann an Stelle von 700 Patienten im Jahr 910 Patienten mit einem Tumor behandeln. Dieser für die Patienten willkommene Effekt bedeutet auf der anderen Seite für HIT aber auch Mehreinnahmen von 4.2 Millionen Euro im Jahr.
Das Konzept der Magnetfeldregelung kann auch an anderen Beschleunigeranlagen zum Einsatz kommen. Dazu müssen die Magnete mit den Sonden bestückt werden und die Magnetnetzgeräte einen Eingang für einen Zusatzsollwert bekommen. Das Beschleunigerkontrollsystem kann erweitert werden, damit es einen Sollwert mit allen notwendigen Kalibrierungen berechnen kann. Der HIT Integrator wird dann als eigenständiges Gerät in das Kontrollsystem eingebunden.
Das CEDEFOP koordiniert ab dem 1. Januar 2008 bis 2013 im Auftrag der Kommission die Studienbesuche für Bildungs- und Berufsbildungsfachleute und Entscheidungsträger. Ein Studienbesuch verläuft folgendermaßen: eine kleine Gruppe von Experten und Entscheidungsträgern, die verschiedene Bildungs- und Berufsbildungsgruppen vertreten, besuchen drei bis fünf Tage einen Mitgliedstaat der EU, um dort einen bestimmten Aspekt des lebenslangen Lernens zu untersuchen.
The first reports of the multicolored Asian lady beetle Harmonia axyridis (Pallas, 1773) (Coleoptera: Coccinellidae) in Colombia appeared in 2011. However, based on museum insect specimens, the introduction of H. axyridis in Colombia occurred in 1989 or earlier, making it the second oldest record of the species in South America after the deliberate releases of the species in Argentina in 1986. Currently in Colombia, H. axyridis is well established and is here recorded from the States of Antioquia, Caldas, Cauca, Cundinamarca, Nariño, Tolima and Valle del Cauca.