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Die Wandreliefs aus dem Nordwest-Palast Aššurnasirpals II. (883-859 v. Chr.) in Nimrud zählen zu den forschungsgeschichtlich frühesten und bedeutendsten Funden des Alten Orients. Sie befinden sich heutzutage in zahlreichen Sammlungen weltweit und bieten durch ihre Darstellungen einen tiefgreifenden Einblick in die assyrische Kultur. Insbesondere Kontext und Position der Reliefs bieten Hinweise zur Bedeutung der dort angebrachten Figuren. Zwar ist eine "Schutzfunktion" vergleichbarer Repräsentationen textlich bezeugt – jedoch bisher nur unter Vorbehalt auf die Reliefdarstellungen zu übertragen. An dieser Stelle kann die Systematisierung ikonographischer Details in Abhängigkeit von ihrem Anbringungsort konzeptionelle Aspekte erkennbar machen.
Durch eine relationale Datenbank und dreidimensionale Visualisierungstechniken wird geprüft, ob die stilistische Variationsbreite ikonographischer Details eine potentielle Systematik aufweist; ebenso, bis zu welchem Grad die jeweilige Form eines bestimmten Zeichnungsdetails einem intentionalen Anbringungskonzept entspricht. Als Teil dieser Vorgehensweise fungiert die in diesem Zusammenhang generierte 3D-Rekonstruktion als methodisch unterstützende Maßnahme. Sie ermöglicht sowohl eine moderne Zusammenführung ehemals benachbarter Reliefplatten unabhängig ihres gegenwärtigen Aufbewahrungsortes als auch die Wiederherstellung heute kaum noch sichtbarer Gewandverzierungen und Pigmentreste. Anhand der Ergebnisse wird deutlich, dass eine Systematisierung der Reliefdetails mittels 3D-Modell einen erweiterten Erkenntnisfortschritt impliziert und – nicht zuletzt aufgrund der zurückliegenden Zerstörungen der Palastruine und der damit verbundenen unwiederbringlichen Verluste – auch weitere Untersuchungen unterstützen können.
Research in cell and developmental biology requires the application of three-dimensional model systems that reproduce the natural environment of cells. Processes in developmental biology are therefore studied in entire systems like insects or plants. In cell biology, three-dimensional cell cultures (e.g. spheroids or organoids) model the physiology and pathology of cells, tissues or organs. In all systems, the cellular neighborhood and interactions, but also physicochemical influences, are realistically presented. The production and handling of these model systems is rather simple and allows for reproducible characterization.
Confocal and light sheet-based fluorescence microscopy (LSFM) enable the observation of these systems while maintaining their three-dimensional integrity. LSFM is applicable to imaging live samples at high spatio-temporal resolution over long periods of time. The quality of the acquired datasets enables the extraction of quantitative features about morphology, functionality and dynamics in the context of the complete system. This approach is referred to as image-based systems biology. Exploiting the potential of the generated datasets requires an image analysis pipeline for data management, visualization and the retrieval of biologically meaningful values.
The goal of this thesis was to identify, develop and optimize modules of the image analysis pipeline. The modules cover data management and reduction, visualization, reconstruction of multiview image datasets, the segmentation and tracking of cell nuclei and the extraction of quantitative features. The modules were developed in an application-driven manner to test and ensure their applicability to real datasets from three-dimensional fluorescence microscopy. The underlying datasets were taken from research projects in developmental biology in insects and plants, as well as from cell biology.
The datasets acquired in fluorescence microscopy are typically complex and require common image processing steps in order to manage, visualize, and analyze the datasets. The first module accomplishes automatic structuring of large image datasets, reduces the data amount by image cropping and compression and computes maximum projection images along different spatial directions. The second module corrects for intensity variations in the generated maximum projection images that occur as a function of time. The program was published as a part of an article in Nature Protocols. Another developed module named BugCube provides a web-based platform to visualize and share the processed image datasets.
In LSFM, samples can be rotated in-between two acquisitions enabling the generation of multiview image datasets. Prior to my work, Frederic Strobl and Alexander Ross acquired the complete embryogenesis of the red flour beetle, Tribolium castaneum, and the field cricket, Gryllus bimaculatus, with LSFM. I evaluated a plugin for the software FIJI as a module for the reconstruction of such datasets. The plugin was optimized for automation and efficiency. We obtained the first high quality three-dimensional reconstructions of Tribolium and Gryllus datasets.
Optical clearing increases the penetration depth into samples, thus providing endpoint images of entire three-dimensional objects with cellular detail. This work contributes a quantitative characterization module that was applied to endpoint images of optically cleared spheroids. A program for the generation of ground truth datasets was developed in order to evaluate the cell nuclei segmentation performance. The program was part of a paper that was published in BMC Bioinformatics. Using the program, I could show that the cell nuclei segmentation is robust and accurate. Approaches from computational topology and graph theory complete the segmentation of cell nuclei. Thus, the developed module provides a comprehensive quantitative characterization of spheroids on the level of the individual cell, the cell neighborhood and the whole cell aggregate. The module was employed in four applications to analyze the influence of different stress conditions on the morphology and cellular arrangement of cells in spheroids. The module was accepted for publication in Scientific Reports along with the results for one application. The cell nuclei segmentation further provided a data source for simulation models that used correlation functions to identify structural zones in spheroids. These results were published in Royal Society Interface.
The final part of this work presents a module for cell tracking and lineage reconstruction. In collaboration with Dr. Alexis Maizel, Dr. Jens Fangerau and Dr. Daniel von Wangenheim, I developed a module to track the positions of all cells involved in lateral root formation in Arabidopsis thaliana and used the extracted positions for extensive data analysis. We reconstructed the cell lineages and established the first atlas of all founder cells that contribute to the formation. The analysis of the retrieved data allowed us to study conserved and individual patterns in lateral root formation. The atlas and parts of the analysis presented in this thesis were published in Current Biology.
In this thesis, I developed modules for an image analysis pipeline in three-dimensional fluorescence microscopy and applied them in interdisciplinary research projects. The modules enabled the organization, processing, visualization and analysis of the datasets. The perspective of the image analysis pipeline is not restricted to image-based systems biology. With ongoing development of the image analysis pipeline, it can also be a valuable tool for medical diagnostics or industrial high-throughput approaches.
Einführung: Die höchste Offenheitsrate in der arteriellen Bypasschirurgie der unteren Extremitäten wird mit einem Segment der Vena saphena magna (VSM) von ausreichender Länge und Durchmesser erreicht. Dabei ist der Venendurchmesser der einzige signifikant korrelierende Faktor für das Auftreten einer Transplantatsstenose und damit der beste Prädiktor für die primäre und die sekundäre 2-Jahre-Durchgängigkeitsrates. In 20-40% der Patienten fehlt ein bzgl. des Lumens geeignetes Segment der Vena saphena magna zur Herstellung eines Bypasses bei der primären Operation. Daher wurde eine Technik entwickelt, kleinlumige Vena saphena magna Segmente mittels einer Valvulotomie zu erweitern.
Ziel: Eine zu kleinlumige Vena saphena magna soll VSM für eine spätere Verwendung als autologes Bypassmaterial der unteren Extremität konditioniert werden. Die häufigsten Indikationen für eine derartige Konditionierung sind die Bypassverwendung bei der operativen Therapie der peripheren arteriellen Verschlusskrankheit (pAVK) und beim Aneurysma der Arteria poplitea (PA).
Methoden: Diese prospektive Pilotstudie würde zwischen Juni 2007 und November 2011 durchgeführt. 25 Patienten (26 Fälle) mit einem VSM Durchmesser zwischen 2 und 3mm erhielten eine in situ VSM-Valvulotomie. Die Zerstörung der suffizienten Venenklappen ermöglicht einen retrograden Blutstrom in die Vena saphena magna. Der hierdurch erzeugte Wachstumsreiz soll zu einer Durchmesserzunahme der Vene führen. Nach Erreichen eines Durchmessers von > 3mm für infragenuale Rekonstruktionen und von > 3,5 mm für supragenuale Rekonstruktion wurden die konditionierten Venensegmente als Bypass implantiert. Bei 23 Patienten war die Bypassindikation eine nicht kritische pAVK. Bei 2 Patienten war ein Aneurysma der Arteria poplitea die Indikation. Einschlusskriterium für Teilnahme an der Studie war eine nicht variköse VSM mit einem Querdurchmesser zwischen 2 und 3 mm. Die Venenevaluation erfolgte duplexsonografisch im Stehen durch eine Beurteilung der epifaszialen Vena saphena magna von der Leiste bis zum Innenknöchel. Messpunkte waren: 10 cm unterhalb des Hiatus saphenus, 10 cm oberhalb des Knies, 10 cm unterhalb des Knies und 10 cm oberhalb des Innenknöchels. Um das Venenwachstum zu ermitteln, diente als Messpunkt der kleinste ermittelte Durchmesser über einem Messbereich von 10 mm.
Drei Patienten, bei denen ein femoropoplitealer Bypass oberhalb des Kniegelenkes implantiert wurde, hatten bei der Implantation einen Durchmesser der konditionierten VSM > 3.5 mm. Bei 13 Patienten mit Bypassimplantation unterhalb des Kniegelenkes war die konditionierte VSM > 3mm. Eine Wiederholung der Valvulotomie war in keinem der Patienten nötwendig. Die valvulotomierte VSM wurde bei allen Bypassoperationen offen chirurgisch entnommen. Zur postoperativen Kontrolle erfolgten eine Duplexuntersuchung und eine ABI-Messung 1,3,6,12,18 und 24 Monate nach der Implantation.
Ergebnisse: Durchschnittlich vergrößerte sich der VSM-Durchmesser von initial 2,5±0,18 mm vor Valvulotomie auf 2,8±0,2 mm, 3,0±0,3mm und 3,2±0,4 mm jeweils 30, 60 und 90 Tage nach Valvolutomie. Bei der Entnahme betrug der durchschnittliche Bypassdurchmesser 3.7±0.6 mm. Die primäre 1-Jahres-Offenheitsrate mit der valvulotomierten VSM war 81±9,8% im Vergleich zu in der Literatur publizierten 58,0%±8,4% für alloplastische Transplantate, 51% für kleinkalibrige VSM und 81,6%±3,6% für Armvenentransplantate. Die sekundäre 1-Jahres-Offenheitsrate mit der Valvulotomietechnik betrug 87%±8,3% verglichen mit 82,6% für in der Literatur angegebene Transplantationen mit kleinkalibriger VSM. Die primäre 2-Jahres-Offenheitsrate mit der Valvulotomietechnik betrug 69%±11,8%, verglichen mit 50% in der Literatur angegebener Transplantationen von kleinkalibrige VSM benutzt wurden und 72%, falls Armvenentransplantate benutzt wurden. Die sekundäre 2-Jahres-Offenheitsrate mit der Valvulotomietechnik lag bei 75%±11%.
Fazit: Die Valvulotomie kann zur Zunahme des Venendurchmessers vor Anlage eines femoro-distalen Bypasses verwendet werden, weil sie regelhaft zum Reflux in der valvulotomierten Vene führt und dadurch ein relevantes Venenwachstum verursacht. Zwischen 60 und 90 Tagen nach Valvulotomie wird ein Venenduchmesser > 3.5 mm erreicht und die valvulotomierte VSM kann als femoropoplitealer Bypass oberhalb des Kniegelenkes implantiert werden. Für eine Anastomose unterhalb des Kniegelenkes genügt ein Wachstum bis > 3 mm. Wenn die valvulotomierte Vene einen entsprechenden Durchmesser erreicht, kann die konditionierte VSM benutzt werden, um einen Bypass mit guter Offenheitsprognose zu konstruieren oder einen nicht funktionierenden Bypass zu ersetzen.
Fossile Rohstoffe dienen in unserer heutigen Gesellschaft als Energiequelle und als Rohstofflieferant für Grund-, Feinchemikalien und Pharmazeutika. Sie tragen jedoch zum Klimawandel und Umweltverschmutzung bei. Lignocellulosische Biomasse ist eine erneuerbare und nachhaltige Alternative, die durch biotechnologische Prozesse erschlossen werden kann. Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae ist ein sehr gut untersuchter Modellorganismus, für den es zahlreiche genetische Werkzeuge und Analysemethoden gibt. Zudem wird S. cerevisiae häufig in biotechnologischen Prozessen eingesetzt, da diese Hefe robust gegenüber industriellen Bedingungen wie niedrigen pH-Werten, toxischen Chemikalien, osmotischem und mechanischem Stress ist. Die Pentose D-Xylose ist ein wesentlicher Bestandteil von lignocellulosischer Biomasse, die aber nicht natürlicherweise von der Bäckerhefe verwerten werden kann. Für eine kommerzielle Herstellung von Produkten aus lignocellulosischer Biomasse muss S. cerevisiae D-Xylose effektiv verwerten. Für die Bäckerhefe konnten heterologe Stoffwechselwege etabliert werden, damit diese D-Xylose verwerten kann. Für eine effiziente Xyloseverwertung bleiben dennoch zahlreiche Herausforderungen bestehen. Unter anderem nehmen die Zellen D-Xylose über ihre endogenen Hexosetransporter nur langsam auf. Die heterologe Xylose-Isomerase (XI) besitzt in S. cerevisiae eine geringe Aktivität für die Isomerisierung von D-Xylose. Unspezifische Aldosereduktasen konkurrieren mit der Xylose-Isomerase um das gleiche Substrat und produzieren Xylitol, ein starker Inhibitor der Xylose-Isomerase. Eine Möglichkeit die Umsatzrate von Enzymen zu steigern und Substrate vor Nebenreaktionen zu schützen, ist die Anwendung von Substrate Channeling Strategien. Bei Substrate Channeling befinden sich die beteiligten Enzyme in einem Komplex, wodurch die Substrate lokal angereichert werden und von einem aktiven Zentrum zum nächsten weitergeleitet werden, ohne Diffusion in den restlichen Reaktionsraum. In dieser Arbeit wurde untersucht, ob ein Komplex zwischen einem membranständigen Transporter und einem löslichen Enzym konstruiert werden kann, um durch Substrate Channeling eine verbesserte Substrat-Verwertung zu erreichen. Die Xylose-Isomerase aus C. phytofermentans und die endogene Hexose-Permease Gal2 sollten in dieser Arbeit als Modellproteine in S. cerevisiae-Zellen mit Hilfe von Protein-Protein-Interaktionsmodulen (PPIM) in räumliche Nähe zueinander gebracht werden.
Die Expression verschiedener PPIM konnte in S. cerevisiae mittels Western Blot nachgewiesen werden. Auch Fusionsproteine aus unterschiedlichen PPIM wurden in dieser Hefe exprimiert. Die PPIM binden komplementäre PPIM oder kurze Peptidliganden, welche an die Xylose-Isomerase und an den Gal2-Transporter fusioniert wurden. Die Funktionalität beider Proteine wurde mittels in vivo und in vitro Tests untersucht. Die Xylose-Isomerase mit N-terminalen Liganden des WH1-Protein-Protein-Interaktionsmoduls (WH1L-XI) und der Gal2-Transporter mit N-terminalen SYNZIP2-Protein-Protein-Interaktionsmodul (SZ2-Gal2) erwiesen sich als geeignete Kandidaten für weitere Untersuchungen. Mittels indirekter Immunfluoreszenz konnte die Ko-Lokalisierung von SZ2-Gal2 und WH1L-XI, die einander über ein Scaffold-Protein binden, nachgewiesen werden.
Transformanten, in denen ein Komplex aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gebildet wurde, zeigten bessere Fermentationseigenschaften gegenüber der Scaffold-freien Kontrolle und dem Wildtyp: Sie verwerteten Xylose schneller, bildeten weniger vom unerwünschten Nebenprodukt Xylitol, produzierten mehr Ethanol und wiesen eine höhere Ethanolausbeute auf. Der beobachtete Substrate Channeling Effekt kompensierte die geringere Enzymaktivität der WH1L-XI im Vergleich zum Wildtyp-Protein. Die Wirksamkeit des Substrate Channeling wurde verringert, wenn die Bildung des Komplexes aus Transporter, Scaffold-Protein und Xylose-Isomerase gestört wurde, indem ein getaggtes GFP mit dem Scaffold-Protein um die Bindungsstelle an Gal2 konkurrierte. Dies zeigt, dass die positive Wirkung auf die Komplex-Bildung zwischen XI und Gal2 zurück zu führen ist. Die Fermentationseigenschaften konnten gesteigert werden, indem der zuvor zwischen SZ2-Zipper und Gal2-Transporter verwendete Linker, der aus zehn Aminosäuren von Glycin, Arginin und Prolin (GRP10) bestand, durch einen aus Glycin und Alanin (GA10) ersetzt wurde. Die verbesserten Fermentationseigenschaften beruhten auf einem Substrate Channeling Effekt und einer gesteigerten Aufnahmerate des SZ2-GA10-Gal2-Transporters. Ein Vergleich der Strukturvorhersagen von SZ2-GRP10-Gal2 und SZ2-GA10-Gal2 zeigte, dass der GRP10-Linker einen unstrukturierten, flexiblen Linker ausbildet, während der GA10-Linker eine starre α-Helix ausbildet. Die Struktur und der Transportprozess von Gal2 sind nicht aufgeklärt. Bei verwandten Transportern geht man davon aus, dass Substrate durch Konformationsänderungen ins Innere der Zelle transportiert werden, indem die beiden Domänen gegeneinander klappen. Die α-Helix könnte die Geschwindigkeit der Konformationsänderungen begünstigen.
Durch Kontrollexperimente konnte ausgeschlossen werden, dass die gesteigerten Fermentationseigenschaften eine Folge der Stabilisierung der XI- und Gal2-Fusionsproteine durch das Anfügen des Liganden oder durch Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein waren. Substrate Channeling zwischen Gal2 und XI entsteht durch die Komplexbildung mit dem Scaffold-Protein, wodurch sich Gal2 und XI in räumlicher Nähe zueinander befinden. Dieser Effekt beruht möglicherweise zusätzlich aufgrund einer hohen örtlichen Ansammlung dieser Proteine, da die tetramere XI weitere Scaffold-Proteine binden könnte, welche weitere Gal2-Transporter binden könnte. Darüber hinaus sammeln sich Transporter an bestimmten Orten der Membran an und Transporter mit ähnlicher oder gleicher Transmembransequenz tendieren dazu zu ko-lokalisieren. Hierdurch könnten Gal2-XI-Agglomerate entstehen und Xylose wird mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer der vielen Xylose-Isomerasen umgesetzt.
Algae as primary producers are highly important in aquatic ecosystems and provide a variety of environmental and anthropogenic services. In small lotic ecosystems in agriculturally influenced landscapes, algae are often the main constituent of the base of the food web and they contribute considerably to biodiversity. Within these small lotic ecosystems, algae are influenced by both natural stressors, such as flow regime and dry-out events, and anthropogenic factors. Agricultural practices especially influence algal communities by introducing plant protection products (PPP) and fertilizers into the water. The impacts of these exposures and how they affect planktonic algae in particular are not yet well studied in small lotic ecosystems. However, the protection of algae as primary producers is of high relevance and was thus included in official biomonitoring programs such as the European Water Framework Directive (WFD) or in risk assessment of e.g. PPPs. Hence, this thesis addresses this knowledge gap and links new information on algal communities in small lotic ecosystems with biomonitoring and risk assessment.
Data was gathered from small ditches and streams in central Germany as well as from laboratory algal assays. A technique to rapidly classify and quantify planktonic and benthic algae based on their photopigment concentration (measured via delayed fluorescence - DF) in ecological and ecotoxicological studies was assessed, both in the laboratory and in the field. This research provides insight into planktonic and benthic algal communities in small streams and ditches in order to improve management and protection strategies in the face of increased agricultural chemical input. ...
Polytraumatisierte Patienten erleiden in ca. 40% der Fälle eine Verletzung des Thorax. Die Verletzung des Thorax erhöht die Dauer der Beatmungszeit, das Pneumonie-Risiko, die Intensiv- und Krankenhausverweildauer sowie das Letalitätsrisiko. Seit 2003 wurde im Universitätsklinikum Frankfurt am Main ein standardisiertes Behandlungsverfahren zur intensivmedizinischen Behandlung nach Polytrauma implementiert und weiterentwickelt. Eckpunkte des Konzeptes sind eine kinetische Therapie im Rotorest®Bett, eine initiale Beatmung mit einem PEEP von 15mbar, eine frühzeitige assistierte Spontanatmung und frühzeitige enterale Ernährung. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen der Weiterentwicklung des Behandlungsprotokolls, insbesondere die Auswirkungen der Ernährung und Sedierung auf die Leberfunktion und die Entwicklung einer Pneumonie, untersucht. Das Behandlungsprotokoll sah folgende Behandlungsstandards vor: 2003: Kontrollierte Beatmung und Therapie im Rotorest®Bett in den ersten Tagen, PEEP-Einstellung entsprechend der Oxygenierung, individuelle Entwöhnung von der Beatmung und der Rotorest®-Therapie. Der Kostaufbau überwiegend parenteral, Sedierung mit Propofol und Midazolam. 2006: 72h Beatmung mit einem PEEP von 15mbar, Rotorest®-Bett, zügige assistierte Beatmungsform. Individuelle Entwöhnung von der Beatmung und der Rotorest®-Therapie, der Kostaufbau parenteral und enteral, Sedierung überwiegend mit Midazolam. 2009: Reduktion der Rotorest®-Therapie mit einem PEEP von 15mbar auf 40 bis 48h, PEEP-Reduktionsprotokoll. Der Kostaufbau erfolgte primär enteral, die Sedierung mit vorwiegend Propofol und z. T. Midazolam.
Es konnten retrospektiv 108 Patienten (ISS 37+13) eingeschlossen werden. Bei 38,3% der Patienten lagen unvollständige Akten vor, oder die Rotorest® Therapie wurde erst nach 48h begonnen. Durch das Konzept konnten die Beatmungszeit von 17±15 auf 8±8 Tage und die intensivstationäre Verweildauer von 17±9 auf 10±9 Tage signifikant reduziert werden (p<0,001), die Krankenhausverweildauer blieb gleich. Die Pneumonierate fiel nicht signifikant von 25% in 2003 nach einem Anstieg auf 37% in 2006 auf 17% in 2009. Das Pneumonierisiko stieg mit der Höhe der aufgenommenen kcal/kgKG, der Gesamt-kcal/d bis Tag 7 sowie der Summe der kcal bis Tag 5 signifikant (p<0,05). Eine Leberdysfunktion erhöhte das Letalitätsrisiko signifikant (Rs 0,267; p<0,01). Die Rate an Leberdysfunktionen binnen der ersten 14 Tage fiel von 34,7% in 2003 nach einem Anstieg auf 43,4% im Jahr 2006 auf 22,1% in 2009 (p<0,001). Eine Leberdysfunktion korrelierte, bei Auftreten bis Tag 7, sowohl mit einer überwiegend parenteralen Ernährung bis Tag 5 (p=0,021) als auch der Höhe der parenteralen kcal (Rs 0,248; p=0,02) und der Höhe der Gesamt-kcal (Rs 0,201; p=0,038). Der Anteil an Patienten mit parenteraler Ernährung konnte von 92,2% (bis Tag 5) in 2003 und 97,5% in 2006 auf 65% in 2009 signifikant reduziert werden, ebenso wie die Gesamtmenge an verabreichten Kalorien bis Tag 7 (von 1210kcal/d auf 1113kcal/d und 2009 auf 851kcal/d; p<0,001). Keine Korrelation bestand zwischen der Entstehung einer Leberdysfunktion und der Beatmung, der Höhe des PEEP oder der Entwicklung einer Pneumonie. Im Gegensatz dazu erhöhte die verabreichte Menge von Midazolam in den ersten 7 Tagen (mg/kg/d) das Pneumonie-Risiko signifikant (p=0,024). Als unabhängige Risikofaktoren für die Entwicklung einer Pneumonie stellten sich die Transfusion von EKs (OR 3,646 95%CI 1,074-12,383), die Höhe der verabreichten Gesamtkalorien (>5000kcal) binnen der ersten fünf Tage (OR 3,219 95%Cl 1,033-10,034) und die Höhe des Beatmungsspitzendruckes (OR 1,135 95%Cl 1,010-1,275) dar.
Die Daten der vorliegenden Arbeit bestätigen den kritisch abzuwägenden Einsatz von Midazolam in der Intensivtherapie. Weiterhin zeigte sich ein signifikanter Einfluss der Ernährung auf die Morbidität der Patienten entsprechend der Literatur. Die vorliegenden Ergebnisse weisen weiter darauf hin, dass bei schwerverletzten Patienten auch die Gesamtkalorienzufuhr gering zu halten ist, um die Rate an Pneumonien zu reduzieren. Die Beatmung mit einem PEEP von 15mbar in den ersten Behandlungstagen unter PiCCO-Monitoring erscheint hierbei keine negativen Auswirkungen auf die Entwicklung einer Leberdysfunktion zu haben.
Zusammenfassend kann durch ein vorwiegend enterales Ernährungsschema, mit unter den Empfehlungen der AWMF liegenden Gesamtkalorien, das Auftreten von Leberdysfunktionen und die Rate an Pneumonien signifikant reduziert, durch ein strukturiertes Therapiekonzept mit u.a. reduziertem Einsatz von Midazolam eine signifikante Reduktion der Beatmungszeit sowie der Intensivverweildauer erreicht und eine Reduktion der Pneumonierate unterstützt werden.
Es existieren keine Vergleichsstudien, die den Einfluss eines periodisierten Maximalkrafttrainings in der tiefen Frontkniebeuge, tiefen Nackenkniebeuge und in der maschinengeführten Viertel-Nackenkniebeuge bis zu einem Kniegelenkwinkel von 120 ° auf die Entwicklung der Schnellkraftleistung, die Technikausführung, den Beschleunigungsablauf und die willkürliche neuromuskuläre Aktivierungsfähigkeit im Countermovement Jump (CMJ) sowie die winkelspezifische Entwicklung des isometrischen Maximal- und Explosivkraftvermögens der Beinextensoren untersucht haben. Aus diesem Grund wurden in zwei Forschungsprojekten an 23 weiblichen und 36 männlichen Sportstudierenden (24,11 ± 2,88 Jahre) die Auswirkungen eines periodisierten Maximalkrafttrainings in der tiefen Frontkniebeuge (Gruppe FKB, n = 20), tiefen Nackenkniebeuge (Gruppe NKB, n = 20) und der Viertel-Nackenkniebeuge bis 120-Grad-Kniegelenkwinkel (Gruppe NKB¼, n = 19) auf die Schnellkraftleistung im Squat Jump (SJ) und CMJ untersucht. Die Ausführung des CMJ wurde mit einer Digitalkamera aufgenommen, um die jeweils fünf besten Sprünge aus den Eingangs- und Ausgangstests einer Bewegungsanalyse zu unterziehen. Zu diesem Zweck erfolgte die Analyse und Auswertung der Hüft- und Kniegelenkwinkel im Umkehrpunkt des CMJ von insgesamt 740 Sprüngen. Des Weiteren wurden elektromyographische (EMG-)Ableitungen von Vastus medialis, Vastus lateralis,Rectus femoris, Biceps femoris und Erector spinae während der Ausführung des CMJ vorgenommen. Die Parallelisierung der drei Versuchsgruppen erfolgte auf Basis der Sprunghöhen im CMJ. Zusätzlich wurde eine Kontrollgruppe (K, n = 16) gebildet (Alter: 24,38 ± 0,50 Jahre)...
Ziel dieser Dissertation war es, die biologische Rolle der Autophagie für die Entwicklung, Alterung und mitochondriale Qualitätskontrolle in dem Ascomyceten Podospora anserina zu untersuchen. Folgende Ergebnisse wurden dabei erzielt:
1. Der Verlust einer funktionalen Autophagie-Maschinerie ist in P. anserina mit einem Defekt der Sporen-Entwicklung bzw. -Keimung charakterisiert.
2. Es konnten drei Methoden zur Untersuchung der Autophagie in P. anserina etabliert werden: 1) Die Verwendung eines Gfp::PaAtg8-Stamms ermöglicht die Fluoreszenzmikroskopische Bestimmung der Autophagosomen-Anzahl; 2) Die phänotypische Charakterisierung des PaAtg1-Deletionsstamms unter verschiedenen Stressbedingungen (z. B. Stickstoffmangel, Rapamycin) liefert Hinweise auf eine mögliche Autophagie-abhängige Stressadaption; 3) Die Verwendung des „GFPcleavage assays“ ermöglicht einen quantitativen Nachweis genereller und selektiver Autophagie (hier: Mitophagie).
3. In zwei voneinander unabhängigen Experimenten wurde ein altersabhängiger Anstieg der Autophagie für P. anserina demonstriert: Das Autophagie-Niveau nimmt in gealterten P. anserina-Kulturen zu. Gleichzeitig resultiert der Verlust der Autophagie in ∆PaAtg1 in eine reduzierte Lebensspanne. Unter Stressbedingungen (hier: Stickstoffmangel) wird dieser positive Einfluss der Autophagie auf die Lebensspanne im Wildtyp sogar noch verstärkt.
4. Der unerwartet „gesunde“ Phänotyp der PaSod3-Deletionsmutante ist abhängig von einer funktionalen Autophagie-Maschinerie. Der Mitophagie wurde eine besondere Rolle als Kompensationsmechanismus für den Verlust von PaSOD3 zugeteilt, da das Mitophagie-Niveau in dieser Mutante erhöht ist. Am Beispiel dieser Mutante, für die ein erhöhter Superoxid-Ausstoß nachgewiesen wurde, konnte eine Dosis-abhängige Wirkung von ROS in P. anserina identifiziert werden. Eine geringe zelluläre ROSMenge verursacht eine mitohormetische Reaktion, die eine Induktion der Mitophagie zur Folge hat und sich positiv auf den Organismus auswirkt. Übersteigt die zelluläre ROS-Dosis einen kritischen Punkt, kommt es zur Induktion des autophagischen Zelltods und damit zum vorzeitigen Tod des Individuums.
5. Der Verlust der PaCLPXP-Protease führt zu Beeinträchtigungen in der Funktion und Zusammensetzung der mitochondrialen Atmungskette. Dieses Defizit im Energiemetabolismus wird über eine Induktion der AOX, vor allem aber über eine ZUSAMMENFASSUNG 127 gesteigerte Autophagie kompensiert. Die deutlich verlängerte Lebensspanne der verschiedenen PaClpXP-Deletionsmutanten (∆PaClpX, ∆PaClpP und ∆PaClpXP) ist abhängig von einer funktionalen Autophagie-Maschinerie. Interessanterweise konnte keine kompensatorische Funktion der Autophagie oder Mitophagie für den Verlust der mitochondrialen i-AAA-Protease PaIAP in P. anserina nachgewiesen werden.
Autophagie/Mitophagie stellt einen übergeordneten Qualitätskontrollmechanismus in P. anserina dar, der den Organismus sehr effektiv vor zellulären Schäden und Dysfunktionen bewahrt und einen positiven Einfluss auf die Alterung, Entwicklung und Energieversorgung einnimmt.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein integrativer Netzwerkmodellierungsansatz gewählt, um die Rolle des Endothels im Kontext der Arteriosklerose zu untersuchen. Hierbei wurden bioinformatische Analysen, laborexperimentelle Versuche und klinische Daten vereinigt und aus dieser Synthese neue klinisch relevante Gene identifiziert und beschrieben.
Das Endothel trägt maßgeblich zur Homöostase des vaskulären Systems bei und eine Dysfunktion des Endothels fördert die Entstehung der Arteriosklerose. Im Zuge der Atherogenese entstehen vermehrt reaktive Sauerstoffspezies, die Lipide in der Membran von Plasma-Lipoprotein-Partikeln und in der zellulären Plasmamembran oxidieren. Eine Gruppe solcher oxidierter Membranlipide ist oxPAPC, das in erhöhter Konzentration in arteriosklerotischen Plaques und lokal an Orten chronischer Entzündung im vaskulären System vorkommt. Weitherhin findet sich diese Gruppe von oxidierten Phospholipiden in oxidierten LDL-Partikeln, in denen oxPAPC die Bindung an Makrophagen vermittelt und hierdurch maßgeblich zur Bildung der Schaumzellen und damit zum arteriosklerotischen Prozess beiträgt. Die durch oxPAPC verursachte Veränderung der Endothelzelle ist bisher wenig erforscht. Es ist jedoch bekannt, dass oxPAPC die Transkriptionslandschaft in Endothelzellen tiefgreifend verändert. Um der Komplexität der Endothelzellveränderung gerecht zu werden, wurde ein bayesscher Ansatz angewendet.
In einem ersten Schritt wurden Expressionsprofile von humanen Aortenendothelzellen (HAEC) aus 147 Herztransplantatspendern verwendet. Diese Expressionprofile enthalten Transkriptionsinformationen der 147 HAEC, die mit oxPAPC oder Kontrollmedium behandelt worden waren. Es wurden signifikant koexprimierte Gene identifiziert und hiervon Gen-Paare berechnet, die einen differentiellen Vernetzungsgrad zwischen Kontroll- and oxPAPC-Status aufweisen. Dieses Netzwerkmodell gibt darüber Aufschluss, welche Gene miteinander in Verbindung stehen. 26759 Gene-Paare, die differentiell verbunden und signifkant koexprimiert waren, wurden hierarchisch gruppiert. Es wurden neun Gen-Gruppen mit einer erhöhten und elf Gen-Gruppen mit einer verminderten Konnektivität nach oxPAPC identifiziert. Gruppe 6 der erhöhten Konnektvitäts-Gruppen wies hierbei die höchste kohärente Konnektivität von allen Gruppen auf. Eine Analyse signifikant überrepräsentierter kanonischer Gensätze ergab, dass diese Gruppe insbesondere Serin-Glycin-Aminosäuremetabolismus, tRNA- und mTOR-Aktivierung wiederspiegelte. Der hier gewählte Netzwerkmodellierungsansatz zeigte auf, dass der Aminosäuremetabolismus durch oxidizerte Phospholipide massiven Veränderungen unterworfen ist.
Um den Mechanismus der Veränderung des Aminosäuremetabolismus näher zu untersuchen, wurden bayessche Netzwerkmodelle verwendet. Dieses Netzwerkmodell enthält im Gegensatz zum differentiellen Koexpresssionsmodell gerichtete Informationen innerhalb des Netzwerkgraphes. Die Gen-Gen Verbindungen sind kausal, wodurch sich eine Hierarchie bildet und Schlüsselfaktoren innerhalb des Netzwerks bestimmt werden können. Durch die Integrierung von Expressionsprofilen und Genomprofilen derselben HAEC-Kohorte und der Inferenz von kausalen Gen-Gen-Verbindungen ergaben sich zwei bayessche Netze: Kontroll- und oxPAPC-Netzwerk. Permutationsuntersuchungen und systematische Beurteilung im Vergleich zu Gen-Gen-Verbindungen in Online-Datenbanken zeigten eine erhöhte Prognosefähigkeit der beiden HAEC bayesschen Netze. Es wurden die Schlüsselfaktoren und deren Teilnetzwerke berechnet und auf biologische Wege hin untersucht. Hierbei wurde das mitochondriale Protein MTHFD2 als ein Schlüsselfaktor für ein Teilnetzwerk des oxPAPC bayesschen Netzes identifiziert. Dieses Teilnetz zeigte eine ähnliche Gensatzanreicherung wie GOC-AA und überlappte mit diesem signifikant.
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Der negative Einfluss auf die Abstoßungsrate, die Transplantatfunktion und das Transplantatüberleben bei Nierentransplantationen von Antikörpern, die im Serum von Transplantatempfängern nachgewiesen werden, ist unumstritten. Die Entwicklung immer sensitiverer Methoden zur Antikörperdetektion wie beispielsweise die Luminex-Technologie wirft jedoch neue Fragen auf: Sind die hier nachgewiesenen, zum Teil sehr niedrigtitrigen Antikörper immer noch relevant für das Outcome von Transplantationen? Oder bergen die hier zusätzlich aufgedeckten Antikörper nur die Gefahr in sich, die Organallokation zu erschweren und mögliche komplikationslose Transplantationen zu verhindern? Zur Beantwortung dieser Fragen erfolgte die Durchführung dieser retrospektiven Studie.
In die Studie wurden Seren von 197 Nierentransplantatempfängern eingeschlossen. Diese Seren wurden vor der Transplantation auf Antikörper im Luminex untersucht und anschließend deren Transplantatfunktion und das Transplantatüberleben in Abhängigkeit vom Antikörperstatus ermittelt. Zusätzlich erfolgte eine Gegenüberstellung mit den Ergebnissen aus den im Rahmen der aktuellen Richtlinien zur Transplantationskompatibilität durchgeführten Testmethoden LCT und ELISA.
Bei einem Vergleich der drei unterschiedlichen Techniken zum HLA-Antikörpernachweis zeigte sich, dass der Luminex eine deutlich größere Sensitivität als der ELISA und insbesondere als der LCT besitzt. Außerdem war nachweisbar, dass die mittels Luminex Technology nachgewiesenen HLA-Antikörper ein schlechteres Transplantatüberleben bewirken (Graphik 4). Dies zeigte sich insbesondere, wenn HLA-Klasse I oder gleichzeitig HLA-Klasse I und HLA-Klasse II Antikörper bei Patienten vorhanden sind (Graphik 5). Im Gegensatz dazu fanden sich bei der Betrachtung der Patienten mit im LCT oder im ELISA nachgewiesen HLA-Antikörpern deutlich geringere, klinisch prognostische Hinweise auf das Transplantatüberleben (Graphik 10 und 13).
Das Transplantatüberleben war signifikant besser bei nicht-immunisierten Patienten als bei der Kohorte, die mittels einer der Nachweismethoden HLA-spezifische Antikörper aufwies. Eine Analyse der Transplantatfunktion, die mithilfe der Proteinurie und des Serum-Kreatinins bestimmt wurde, ergab, dass nicht immunisierte Patienten ein besser funktionierendes Transplantat besitzen als antikörperpositive Empfänger. Ein besonders negativer Einfluss donorspezifischer Antikörper konnte hier jedoch nicht nachgewiesen werden.
Im Hinblick auf die klinische Relevanz der nachgewiesenen HLA-Antikörper erfolgte die Auswertung mit unterschiedlichen MFI Kategorien (MFI 1000, 2000, 3000 und 4000). Anhand dieser Arbeit wurde ein MFI-Grenzwert zur Bestimmung des Antikörperstatus im Luminex von größer oder gleich 1000 im Luminex festgelegt, der am besten mit dem Transplantatoutcome korrelierte. Ein negativer Einfluss donorspezifischer Antikörper konnte jedoch nicht nachgewiesen werden. Es zeigte sich dennoch bei MFI Werten über 2000 ein tendenziell schlechteres Transplantatüberleben, wenn donorspezifische Antikörper vorliegen (Graphik 7).
Bei der Betrachtung des Antikörperstatus im LCT und im ELISA war kein Unterschied hinsichtlich des Transplantatüberlebens in Abhängigkeit vom Antikörperstatus sichtbar. Jedoch wurden die Patientenseren mit diesen beiden Methoden vor der Durchführung der Transplantation auf präformierte Antikörper untersucht und bei positiver Befundung eine intensivierte Immunsuppression veranlasst, was zu einer Beeinflussung des Transplantatoutcomes führt. Eine Unterteilung der nicht immunisierten Patienten im LCT und im ELISA anhand des Luminex-Ergebnisses zeigt, dass Patienten, die sowohl im LCT bzw. ELISA als auch im Luminex keine Antikörper aufweisen ein signifikant besseres Transplantatüberleben besitzen als Empfänger, die nur im Luminex immunisiert sind, jedoch nicht im LCT bzw. im ELISA. Dies lässt darauf schließen, dass die Beachtung von Antikörpern, die ausschließlich im Luminex nachgewiesen werden können, zu einem besseren Transplantatoutcome führt. Somit ist eine Durchführung des Luminex in Kombination mit anderen Antikörpernachweisverfahren von Vorteil.
Zur genauen Beantwortung der anfangs aufgeworfenen Fragen bedarf es sicherlich trotz einiger bereits vorhandener Arbeiten – mit zum Teil jedoch sehr unterschiedlichen Ergebnissen – noch zusätzlicher Studien. Auch sollte die Rolle der Denaturierung der HLA-Antigene auf den Beads, die zu falsch positiven und negativen Resultaten führen können, weiter analysiert werden. Außerdem muss der Einfluss komplementaktivierender Antikörper, wie mit der C1q- und C4d-Technik im Luminex nachweisbar, und der Einfluss nicht HLA-spezifischer Antikörper noch genauer erläutert werden.