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Die allergische Rhinitis (AR) zählt zu einer der häufigsten chronischen Atemwegserkrankungen und betrifft weltweit etwa 500 Millionen Menschen. Bei einem Teil der Patienten mit rhinitischer Symptomatik lassen sich in den herkömmlichen Tests jedoch keine Hinweise für eine Allergensensibilisierung aufweisen. Diese Patienten wurden in der Vergangenheit häufig der Gruppe der nicht-allergischen Rhinitis (NAR) zugeordnet, welche über 200 Millionen Menschen weltweit betrifft. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die lokale allergische Rhinitis (LAR) als wichtige Differentialdiagnose zur NAR oder idiopathischen Rhinitis (IR) ergeben. Einige Autoren postulieren, dass bis zu einem Viertel der chronischen Rhinitiker von LAR betroffen sein könnten und bis zu 62,5 % der bisher als NAR oder IR klassifizierten Patienten eine LAR haben könnten. Die LAR wird durch allergiesuggerierende Rhinitissymptome, eine positive Reaktion im nasalen Provokationstest (NPT) mit Inhalationsallergenen und das gelegentliche Vorhandensein spezifischer Antikörper in der Nasen-schleimhaut definiert, ohne dass ein Nachweis systemischer Sensibilisierung zu finden ist.
Da große Unterschiede der LAR-Prävalenzangaben herrschen, war es das Ziel der Arbeit, diese bei Personen mit ganzjähriger Rhinitis herauszufinden und die nasale Mukosa auf lokales spezifisches IgE (sIgE) zu untersuchen.
Hierfür wurden aus einer Gruppe von insgesamt 156 gescreenten Testpersonen 63 weitergehend erforscht. Einundzwanzig Patienten mit ganzjähriger NAR wurden herausgefiltert, untersucht und deren Ergebnisse mit denen von
24 AR Patienten und Hausstaubmilben (HDM)-Allergie sowie 18 Kontrollen verglichen. Wir untersuchten die Ausprägung der klinischen Symptomatik sowie die Reaktion im Haut-Prick-Test, das Gesamt-IgE und sIgE gegen die Milbenspezies Dermatophagoides pteronyssinus (D1) und Dermatophagoides farinae (D2) in Serum und Nasensekret (NS) und führten mit allen einen NPT mit D2 durch. Der NPT wurde mithilfe der Messung des peak nasal inspiratory flow (PNIF) und des Lebel-Scores bewertet.
Während sich die Ausprägung der klinischen Symptomatik der NAR- und AR Patienten sehr ähnelte, wies keiner der NAR-Patienten nasales sIgE gegen HDM oder eine positive Reaktion im NPT gegen D2 auf. Der Nasensummenscore lag sowohl bei AR- und NAR-Patienten im Median bei 11 von 24 Punkten (Range: 6–21 Punkte beziehungsweise 6–20 Punkte) und hob sich signifikant von dem der Kontrollen ab, welche einen Score von 0 Punkten (Range: 0–5 Punkte) aufwiesen. Der Median des sIgE-D1 und sIgE-D2 im NS lag sowohl bei NAR Patienten als auch Kontrollen bei 0,1 kU/L (Range: 0,1–0,1 kU/L) und unterschied sich nicht signifikant voneinander. Im Gegensatz dazu zeigten 94,12 % der untersuchten AR-Proben erhöhtes sIgE-D1 oder sIgE-D2 im NS. Die mediane Konzentration im NS lag bei AR-Patienten für sIgE-D1 bei 1,19 kU/L (Range: 0,1–14,93 kU/L) und für sIgE-D2 bei 2,34 kU/L (Range: 0,1–22,14 kU/L). Der NPT mit D2 war bei 13/14 AR-Patienten (= 92,86 %) und keinem der NAR-Patienten oder Kontrollen positiv. Sowohl die absolute als auch die prozentuale PNIF-Abnahme nach HDM-Provokation unterschied sich zwischen AR-Patienten und Kontrollen sowie zwischen Patienten mit AR und NAR signifikant. Die prozentuale PNIF-Reduktion lag nach HDM-Provokation in der AR-Gruppe bei 55,85 %, der NAR-Gruppe bei 7,14 % und bei Kontrollen bei 0 %. Es ließ sich jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen Kontrollen und NAR-Patienten feststellen.
Aufgrund der erhobenen Ergebnisse ist festzuhalten, dass wir nur in der Gruppe der AR positive NPTs und nasales sIgE gegen HDM-Spezies nachweisen konnten und wir demnach für diese Studie eine Prävalenz der LAR unter den NAR-Patienten von 0 % feststellen. Wir gehen in Zusammenschau unserer Befunde daher davon aus, dass die Prävalenz von LAR im Bereich der NAR oder IR in der untersuchten in Deutschland lebenden Population deutlich niedriger sein muss als zuvor in anderen Populationen berichtet.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit.
Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil.
Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet.
Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen.
In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde.
Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte.
Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...
Protein ubiquitination is a post-translational modification that typically involves the conjugation of ubiquitin to substrate proteins via a three-enzyme cascade and regulates a wide variety of cellular processes. Recent studies have revealed that SidE family of Legionella effectors such as SdeA catalyzes novel phosphoribosyl-linked ubiquitination (PR-ubiquitination) of serines in host substrate proteins utilizing NAD+, without the need of E2, E3. The catalytic core of SdeA comprises a mono-ADP-ribosyltransferase (mART) domain that functions to ADP-ribosylate ubiquitin, and a phosphodiesterase (PDE) domain that processes ADP-ribosylated ubiquitin and transfers the resulting phosphoribosylated ubiquitin to serines of substrates.
To date, extensive efforts have been made to study the function of SdeA and mechanism of SdeA mediated PR-ubiquitination, however, the cellular effects of this novel ubiquitination and phosphoribosylation of ubiquitin remained poorly understood. In our study, using biochemical and cell biological approaches, we explored the biological effect of phosphoribosylation of ubiquitin caused by SdeA in cells. We found that phosphoribosylated ubiquitin is not available for conventional ubiquitination, thereby phosphoribosylation of ubiquitin impairs numerous classical ubiquitination related cellular processes including mitophagy, TNF-α signaling and proteasomal degradation.
The precise temporal regulation of the functions of bacterial effectors during Legionella infection by other effectors with antagonizing activities has been well studied so far. Not surprisingly, PR-ubiquitination catalyzed by SidE family effecters is tightly controlled as well, it has been long known that effector SidJ counteracts the toxicity of SdeA to yeast cells. Interestingly, in an experiment for verifying the activity of SidJ, we found that Legionella lysate lacking SidJ was still able to remove ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates. Using biochemical approach we identified DupA and DupB, two Legionella bacterial effectors that specifically reverse the novel serine PR-ubiquitination catalyzed by SdeA. We found that DupA and DupB possess a highly homologous PDE domain that removes ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates by cleaving the phosphodiester bond between the phosphoribosylated-ubiquitin and serines of substrates. Catalytically deficient mutant DupA H67A strongly binds to PR-ubiquitinated proteins but not capable of cleaving PR-ubiquitin, using it as a trapping bait we identified over 180 substrates of PR-ubiquitination, including a number of ER and Golgi proteins.
In particular, we found that exogenously expressed SdeA localizes to the Golgi apparatus via its C-terminal region and disrupts the Golgi. We validated the identified potential substrates of SidE effectors and found that SdeA modifies Golgi tethering proteins GRASP55 and GRASP65. Using mass spectrometry analyses we identified four serine targets (S3, S408, S409, S449) of GRASP55 PR-ubiquitinated by SdeA in vitro. Ubiquitination of GRASP55 serine mutant in cells co-expressing SdeA or infected with Legionella was markedly decreased, compared with that of the wild-type GRASP55. In addition, with co-immunoprecipitation analyses we found that SdeA-catalyzed ubiquitination regulates the function of GRASP55. PR-ubiquitinated GRASP55 exhibited reduced self-interaction compared to unmodified GRASP55, expression of GRASP55 serine mutant in cells in part rescued Golgi damage caused by SdeA. Furthermore, our study reveals that Golgi structure disruption caused by SdeA does not result in the recruitment of Golgi membranes to the Legionella-containing vacuoles. Instead, it affects cellular secretory pathway including cytokine secretion in cells.
Taken all together, this work expands the understanding of this unconventional PR-ubiquitination catalyzed by Legionella effectors and sheds light on the functions of PR-ubiquitination by which Legionella regulates the Golgi function and secretion pathway during bacterial infection.
Inducing cell death in tumor cells is a major goal of anti-cancer therapy. However, the preferable mode of cell death to induce is under debate. Apoptosis is known to be an anti-inflammatory and pro-resolving type of programmed cell death, whereas necroptosis results in the release of danger-associated molecular patterns (DAMPs) and is pro-inflammatory. Efferocytosis of apoptotic cells by macrophages results in a pro-resolving switch of macrophages polarization and is required to induce resolution of inflammation. This impact of apoptotic cells on macrophages is a non-desired consequence of cell death in tumors, which are often characterized by an overshooting wound healing response. Moreover, apoptosis resistance is frequently observed in cancer cells. To overcome apoptosis resistance in cancer cells, necroptosis can be induced as an alternative mechanism for cancer treatment. Interferons (IFNs) play an important role in tumor immune responses and act by inducing the expression of IFN-stiumlated genes (ISGs). Furthermore, IFNs were shown to be able to induce necroptosis together with Smac-mimetics when caspases are inhibited in different cancer cell lines. Necroptosis is induced by phosphorylation and activation of receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 1 (RIPK1), RIPK3 and pseudokinase mixed lineage kinase domain-like (MLKL).
In my thesis, we first identified MLKL as an ISG in various cancer cell lines. MLKL upregulation was found to be a general feature of IFN signaling since both type I and type II IFNs increase the expression of MLKL. IFNy was able to upregulate MLKL at messenger ribonucleic acid (mRNA) and protein level indicating that MLKL is elevated transcriptionally. Indeed, Actinomycin D chase experiments showed that inhibition of transcription abolished MLKL upregulation upon IFN treatment. Both, knockdown of the IFNy-activated transcription factors interferon regulatory factor 1 (IRF1) and signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) as well as knockout of IRF1 significantly dampened MLKL mRNA upregulation, demonstrating that STAT1 and especially IRF1 are necessary to induce MLKL expression. This first part of the study highlights the upregulation of MLKL by IFNy as valuable tool to sensitize cells towards necroptosis and by that overcome apoptosis resistance in cancers.
When compared to apoptosis, the immune response to necroptotic cells and the polarization of macrophages phagocytosing necroptotic cells is not well studied. In most studies, cell death was induced by biological or chemical compounds, which may lead to artifacts by affecting the macrophages and triggering of unrelated signaling pathways. Therefore, in the second part of my thesis we used a pure cell death system of NIH 3T3 cells expressing either dimerizable caspase 8 or oligomerizable RIPK3 to induce cell death. Addition of B/B-Homodimerizer (dimerizer) to the cells resulted in apoptosis or necroptosis, which was confirmed by caspase 3/7 activation, phosphorylation of MLKL and inhibitor experiments, respectively. We analyzed the effect of dying cells on peritoneal macrophages by establishing a co-culture in a transwell system. The genetic profile of macrophages co-cultured with dying cells was evaluated by whole transcriptome RNA sequencing. In macrophages co-cultured with necroptotic cells genes corresponding to chemotaxis and hypoxia pathways were upregulated. A significant proportion of hypoxia-related pathways are mediated by hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF-1α), which also induces metabolic changes in polarized macrophages. We could show that macrophages co-cultured with necroptotic cells showed a decreased mitochondrial respiration, indicating an inflammatory (M1) polarization. Protein levels of chemokine C-X-C motif ligand 1 (CXCL1), which was increased in the RNA sequencing data, were also upregulated in supernatant of co-cultured macrophages and of necroptotic cells, demonstrating that necroptotic cells both secrete CXCL1 and induce gene expression of CXCL1 in peritoneal macrophages. This may influence the recruitment of neutrophils as inhibition of necroptosis during Zymosan-A-induced peritonits in mice decreased the levels of neutrophils at day 1 of this model of self-resolving inflammation.
Furthermore, RNA sequencing revealed an unexpected impact of apoptotic cells on macrophage biology as cell cycle and cell division pathways were increased. Enhanced proliferation of macrophages was confirmed by two functional assay with peritoneal macrophages isolated from mice and IC-21 macrophages. Inhibition of apoptosis during Zymosan-A-induced peritonits in mice demonstrated decreased mRNA levels of cell cycle mediators in peritoneal macrophages. Simultaneously with cell cycle activation, gene sets of prostaglandin E2 (PGE2) signaling were upregulated during RNA sequencing. In the second part of my thesis we could demonstrate, that apoptotic cells induce transcription of cell cycle genes and proliferation of macrophages and necroptotic cells are able to influence the chemokine profile of macrophages and thereby the recruitment of neutrophils.
Die Therapie des critical size defects stellt eine große Herausforderung der Medizin dar. Die Knochendefekte können beispielsweise in Folge von Tumorresektionen, Knochenheilungsstörungen oder nach Frakturen entstehen. Den aktuellen Goldstandard in der Therapie großer Knochendefekte stellt die Transplantation von autologem Knochenmaterial dar. Die Entnahme des Materials aus dem Beckenkamm ist allerdings mit Nachteilen wie der Entnahmemorbididät verbunden. Alternativ können Tissue-Engineering Techniken eingesetzt werden, bei denen Zellen mit regenerativem Potential mit Knochenersatzmaterialien und Wachstumsfaktoren kombiniert werden, um eine Defektheilung zu erzielen. Der Einsatz von bone marrow mononuclear cells (BMC) mit einem osteokonduktiven Gerüst wie b-TCP hat sich als geeignetes Therapiekonzept bewiesen. Einen weiteren Ansatz stellt die Verwendung von autologen Blutkonzentraten wie beispielsweise des platelet rich fibrin (PRF) dar. Das PRF kann innerhalb weniger Minuten aus patienteneigenem Blut mittels Zentrifugation hergestellt und direkt angewandt werden. Durch seine charakteristische dreidimensionale Fibrinmatrix dient das PRF als Reservoir für Wachstums- und Regenerationsfaktoren.
Die Kombination von BMC mit PRF könnte also durch die gesteigerte Konzentration an Zytokinen und Wachstumsfaktoren wie VEGF und TGF-b zu einer Unterstützung der regenerativen Wirkung der BMC führen. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Effekt von PRF auf BMC in vitro zu analysieren.
In Anlehnung an das low speed centrifugation concept wurden zwei verschiedene PRF-Matrices hergestellt. Diese wurden entweder mit mittlerer relativer Zentrifugalbeschleunigung (RCF) (208g) oder mit geringer RCF (60g) zentrifugiert. Um eine geeignete Konzentration des PRF zur Kombination mit den BMC zu finden, wurde im Vorfeld eine Dosisfindungskurve erstellt. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss ansteigender PRF-Konzentrationen auf die metabolische Aktivität der BMC nach 7 Tagen Inkubation analysiert. Wir konnten einen Trend zu erhöhten Werten bei einer Konzentration von 10% des PRF beobachten. Die metabolische Aktivität der BMC wurde durch höhere PRF-Konzentrationen nicht weiter gesteigert.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde für die nachfolgenden Experimente eine Konzentration von 10% der PRF-Aufbereitungen und der Serum-Kontrolle eingesetzt.
Zur Charakterisierung der beiden PRF-Aufbereitungen wurde der Gehalt an Wachstumsfaktoren im Vergleich zu humanem Serum untersucht. Es zeigten sich signifikant gesteigerte Konzentrationen von Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1), soluble Intercellular Adhesion Molecule-1 (sICAM-1) und Transforming Growth Factor-b (TGF-b) in dem PRF. Bezüglich des Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)-Gehaltes ließ sich allerdings kein Unterschied zwischen humanem Serum und den PRF-Matrices darstellen.
Der Effekt des PRF low-RCF und PRF medium-RCF auf die Viabilität der BMC wurde anhand der metabolischen Aktivität nach 2, 7 und 14 Tagen Inkubation untersucht. Als Kontrollgruppe diente hierbei der Zusatz von humanem Serum. Die metabolische Aktivität der BMC zeigte sich an Tag 14 in allen Gruppen signifikant gesteigert.
Außerdem konnten wir zeigen, dass der Zusatz von PRF zu BMC zu einer statistisch signifikant erhöhten Genexpression der Matrix-Metalloproteasen (MMP) -2, -7 und - 9 im Vergleich zur Serum-Kontrollgruppe führt.
In unseren Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass die apoptotische Aktivität der BMC durch Kombination mit PRF nicht negativ beeinflusst wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich PRF-Matrices als geeignete allogene oder autologe Quelle von Wachstums- und Regenerationsfaktoren nutzen lassen. Sie besitzen damit die Kapazität, Zellen wie die BMC zu stimulieren und zu aktivieren. Unsere Studie zeigt, dass der Zusatz von PRF für BMC-gestützte Therapien förderlich sein könnte. Dies muss jedoch in geeigneten Tiermodellen überprüft werden.
Hintergrund: Kardiovaskuläre Erkrankungen sind die Haupttodesursache in den Industrienationen. Viele betroffene Patienten haben nur ein geringes Verständnis für ihre Erkrankung. Insbesondere endovaskuläre Eingriffe überschreiten Vorstellungskraft und Verständnis der Patienten häufig um ein Vielfaches. Die ärztliche Eingriffsaufklärung soll den Patienten Einsicht über das Verfahren und mögliche Komplikationen ermöglichen, um dem Patienten autonome Entscheidungen zu erleichtern. In der einschlägigen Literatur wird vielfach diskutiert, wie sich der Aufklärungsprozess komplizierter Prozeduren, wie etwa einer Herzkatheteruntersuchung, optimieren lässt. Jüngst wurden dabei insbesondere moderne Ansätze, wie multimediale Verfahren oder interaktive Tools evaluiert, wobei diese Methoden nach aktueller Studienlage zu einer Verbesserung des Verständnisses und einer Reduktion der Untersuchungsangst führen konnten. Insbesondere Patienten mit geringem Bildungsniveau profitieren dabei von persönlichen Erfahrungen zur Verbesserung des prozeduralen Verständnisses. Diesen Ergebnissen entsprechend, macht es sich die vorliegende Arbeit zur Aufgabe, zu evaluieren, ob sich die Implementierung eines VR-Simulators in den Aufklärungsprozess einer Herzkatheteruntersuchung positiv auf Informiertheit und Untersuchungsangst bei den Patienten auswirkt.
Patienten und Methoden: Nach mündlicher Einwilligung zur Teilnahme an unserer Studie, erhielt ein Teil der Patienten zusätzlich zur herkömmlichen verbalen Aufklärung eine Demonstration des Untersuchungsablaufs einer PCI an einem VR-Simulator. Zusätzlich erhielten diese Patienten die Möglichkeit eine Katheteruntersuchung am Simulator nachzuempfinden. Für unsere Studie verwendeten wir einen VR-Simulator der Firma Xitact® (später Mentice®) mit einer Software der Firma Cathi®. Der Simulationsgruppe wurden 3 verschiedene Komplikationen mittels Abbildungen demonstriert. Im Anschluss beantworteten sowohl die konventionell, als auch die mit Simulation aufgeklärten Patienten einen von uns konzipierten Fragebogen.
Ergebnisse: Beide Gruppen fühlten sich nach der Aufklärung ausreichend informiert. Bezüglich der subjektiven Informiertheit zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zur konventionellen Aufklärungsmethode (p=0.11). In der Kontrollgruppe bestanden nach konventioneller Aufklärung, trotz guter subjektiver Informiertheit, bei fast 90% der Patienten weiterhin offene Fragen bezüglich der Untersuchung, während sich diese Diskrepanz in der Simulationsgruppe nicht ergab (p<0.00001). Ferner standen die Patienten der Simulationsgruppe der anstehenden Untersuchung ruhiger gegenüber (0=0.049), während die Patienten der Kontrollgruppe angaben, tendenziell unruhig in die Untersuchung zu gehen (p=0.002). Es boten sich keinerlei Hinweise darauf, dass die Demonstration möglicher Komplikationen zu einer verstärkten Untersuchungsangst geführt hätte. Die Implementierung des Simulators hat sich insgesamt positiv auf das prozedurale Interesse des Patienten ausgewirkt.
Schlussfolgerung: Insgesamt hatte die Implementierung des VR Simulators in die Patientenaufklärung überwiegend positive Effekte und keinerlei negativen Effekte. Im direkten Vergleich zur konventionellen Aufklärung zeigten sich bezüglich der Informiertheit zunächst keine signifikanten Unterschiede zur konventionellen Aufklärungsmethode. Die erhobenen Daten deuten jedoch auf eine Überlegenheit der simulationsgestützten Aufklärung in Bezug auf Verständnis und Untersuchungsangst hin. Festzuhalten ist allerdings der hohe zusätzliche zeitliche Aufwand, mit dem eine simulationsgestützte Aufklärung verbunden ist. Die generelle Implementierung eines VR Simulators allein zum Zwecke der Patientenaufklärung wird daher nur bedingt empfohlen. Kliniken, die bereits über einen VR Simulator verfügen, sollten allerdings erwägen, diesen nicht nur für Ausbildungszwecke zu verwenden, sondern auch zum Zwecke der Patientenaufklärung.
Das kolorektale Karzinom stellt die zweithäufigste Krebstodesursache bei Männern und Frauen in der Bundesrepublik Deutschland dar
Das CRC hat aus diesem Grund eine große Bedeutung in chirurgischen und radiologischen Fachgebieten. Hierbei spielen zahlreiche Verfahren und Behandlungsmethoden eine zentrale Rolle, um das CRC und die hiervon ausgehenden kolorektalen Lebermetastasen zu behandeln und eine bestmögliche Therapie zu evaluieren. Über die letzten Jahrzehnte haben sich daher viele verschiedene Methoden für die Behandlung von CRLMs entwickelt, wie Mikrowellenablation (MWA), laserinduzierte interstitielle Thermotherapie (LITT), Radiofrequenzablation (RFA) und das chirurgische Vorgehen. Die vielversprechendste unter den Techniken und Verfahren stellt die chirurgische Resektion dar. Problematisch ist hierbei, dass viele erkrankte Patienten keine ausreichend gute körperliche Verfassung mehr aufweisen, um eine Resektion ohne große Risiken durchführen zu können.
Das Hauptziel dieser Studie war es nun, eine möglichst genaue und
aussagekräftige Untersuchung von Patientengruppen durchzuführen, bei denen eine kolorektale Lebermetastase diagnostiziert wurde. In der vorliegenden Studie wurden 132 Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen (CRLM) untersucht, welche zwischen 2010 und 2018 mit einer CT-gesteuerten MWA-Therapie im Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie des Universitätsklinikums in Frankfurt am Main behandelt wurden. Hierbei war von besonderer Bedeutung, welche prognostischen Parameter die Überlebenszeiten und Überlebensraten beeinflussen. Die Daten konnten anhand von vielfältigen Personendaten und den dazugehörigen Therapieverläufen erhoben werden. Außerdem wurden CT-Bilder, welche im Zuge der Behandlung entstanden waren, für die Erhebung zusätzlicher Parameter verwendet. Die erhobenen Daten und Messwerte wurden retrospektiv ermittelt und umfassten eine große Patientengruppe. Dies steigert die Aussagekraft der Ergebnisse und Kennzahlen wesentlich. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Einteilung der Patienten in zwei Gruppen entsprechend ihrer Behandlungsindikation.
Zu den prognostischen Faktoren zählten das Ablationssystem, die Lokation der Metastasen, die Anzahl der Metastasen, der technische Erfolg, die Energie und Leistung, der Durchmesser und das Volumen der Metastasen, die Vor- und Nachbehandlung und die Lokalrezidive.
Die Patientengruppe mit palliativer Therapieindikation (1.08 Jahre) zeigte eine signifikant geringere mediane Überlebenszeit im Vergleich mit der kurativen Patientengruppe (3.48 Jahre). Die mediane Überlebenszeit aller Patienten betrug insgesamt 2.68 Jahre. Zusätzlich wurden die Überlebensraten der Patienten ermittelt. Die 1- und 3-Jahres-Überlebensraten aller behandelten Patienten im Untersuchungszeitraum lagen bei 82.7% und 41.6%. Die 1- und 3-JahresÜberlebensraten der 57 Patienten mit palliativer Behandlungsindikation waren 54.4% und 14.9%. Im Vergleich hierzu betrugen die 1- und 3-JahresÜberlebensraten der kurativ behandelten Patientengruppe 96.9% und 55.1%. Die mediane Beobachtungszeit nach der Behandlung betrug 2.39 Jahre. In dieser Zeit erreichten 96.2% aller Patienten eine lokale Tumorkontrolle (127/132). Die Überlebenszeit von Patienten mit einer, zwei oder drei, vier oder fünf und multiplen Lebermetastasen betrug 3.79, 2.13, 1.09 und 0.93 Jahre (alle p<0,017). Es gab eine einzige relevante Komplikation (Abszess) bei allen Behandlungen (1/257; 0,4%). Alle Unterschiede der Überlebenszeiten im primären Tumorursprung (p <0,038) und bei der Anzahl der Metastasen waren signifikant. Die anderen prognostischen Faktoren zeigten keine statistische Signifikanz. Prognostische Faktoren wie die Anzahl der Lebermetastasen, die Lokation des Primärtumors und das verwendete Ablationssystem haben einen bedeutenden Einfluss auf die Überlebenszeiten der CRLM-Patienten in dieser Studie gezeigt. Die Ergebnisse dieser Studie sind als vornehmlich anzusehen, weil eine strenge Zuteilung der Patienten in kurative und palliative Behandlungsindikationen für die Analyse der Überlebensdaten in dieser Form bis zu diesem Zeitpunkt nicht durchgeführt worden war.
Die Prognosefaktoren und deren Einfluss auf die Überlebenszeiten stellen für zukünftige radiologische Prognosen und Therapiemaßnahmen in Bezug auf CRLM Patienten gute Richtwerte dar. Sowohl für die Radiologen und Ärzte als auch für die Patienten und Angehörigen sind dies zukunftsweisende Anhaltspunkte.
The Southern Ocean (SO) is one of the most pristine regions of our Planet, characterised by high levels of biodiversity (5% of the global diversity) (David and Saucède 2015) and hosting a unique fauna (up to 90% of SO species are endemic) (De Broyer and Danis 2011; Chown et al. 2015). Yet, the knowledge on SO biodiversity is still far from being completed. In addition, the knowledge on the impact that changing environments have on SO species-richness is very little and for some groups, it is still totally unknown. For instance, most of studies generally focus on one single species such as Antarctic krill (Kawaguchi et al. 2011), Clio pyramidata Linnaeus, 1767 (Orr et al. 2005), Globigerina bulloides d'Orbigny, 1826 (Moy et al. 2009), or only on a high taxonomic level (e.g. phylum, class): Echinodermata, Crustacea, Mollusca, Porifera, Bryozoa, Brachiopoda, Hydrozoa, Ascidiacea, Holoturoidea
(Barnes 1999; Rowden et al. 2015; Post et al. 2017; Gutt et al. 2019; Vause et al. 2019; Pineda-Metz et al. 2020). Ultimately, the influence of sea-ice coverage on benthic species diversity was totally unknown prior to this study. In light of this, the objectives of the thesis are:
1. To expand the knowledge on shelf and deep-sea peracarid assemblage structure and abundance on a small regional (Weddell Sea) and on a large regional (Atlantic sector of the SO and South Atlantic Ocean) geographic scale.
2. To assess the environmental variables driving peracarid assemblage structure and abundance from the above mentioned areas.
3. To investigate SO benthic isopod species diversity from the Atlantic sector of the SO and assess the influence of environmental variables on their species-richness and composition.
4. To describe new possible peracarid species by means of integrative taxonomy, using morphological descriptions and whole genome sequencing analyses to support the species identification.
Objective outcomes: The present thesis provides new information on the abundance and assemblage structure based on 64766 peracarid crustaceans from different 28 locations within the Atlantic sector of the SO continental shelf and deep sea (Chapters I-II). These locations are characterised by different environmental conditions, for instance different sea-ice concentrations. Results from Chapters I-II confirmed the dominance of peracarid assemblages in the benthos, with amphipods being the most abundant group, followed by isopods. Sea ice was identified as the main driver shaping benthic peracarid assemblage structure (Chapter I). On a larger geographic scale and wider bathymetric range (e.g. including sampling locations from previous studies performed in the South Atlantic Ocean
and at a depth range from 160 to ~6000 m), depth was the main physical variable driving peracarid assemblage structure (Chapter III). In addition, 16157 isopod specimens from the Atlantic sector of the SO were identified to species level at a smaller scale (Chapter IV). In this case, sea ice was identified as the main physical driver affecting isopod diversity and composition among sampling locations (Chapter IV). Reduced concentration of sea ice
causes a decrease in isopod biodiversity, thus climate change was identified as a huge threat for this taxon and for SO benthos in general. During the identification process, two new isopod species were discovered (Chapter V). The two new species (Notopais sp.1 n. sp. and Notopais sp.2 n. sp.) were accurately described and identified by means of integrative taxonomy. This provided the first whole genome sequencing of benthic isopods from the SO and the first complete mitochondrial genome of the genus Notopais (Chapter V). Thanks to the collaboration with the University of Genoa (Dipartimento di Scienze della Terra dell'Ambiente e della Vita, DISTAV, Italy) and the National Antarctic Museum (MNA) in Genoa, two new SO species of the suborder Valvifera G. O. Sars, 1883 were described by means of classical taxonomy. In this case, a molecular approach could not be used because both new species were represented by a single specimen, therefore it was important to preserve the integrity of the holotypes (Chapters VI-VII).
Die Studien im Rahmen dieser Arbeit wurden am Modellorganismus Anabaena sp. PCC 7120 (Anabaena) durchgeführt, einem filamentösen Süßwasser-Cyanobakterium. Cyanobakterien sind photosynthetische, Gram-negative Organismen. Sie besitzen eine das Zytosol begrenzende Plasmamembran und eine Äußere Membran. TonB-abhängige Transporter (TBDTs) und Porine der Äußeren Membran bewerkstelligen und regulieren die Aufnahme von Nährstoffen. Typischerweise wenig abundante Substrate für den TBDT-vermittelten, aktiven Transport sind beispielsweise eisenhaltige Siderophore oder VitaminB12. Kleinere gelöste und abundante Stoffe wie Salze oder andere Ionen gelangen hingegen passiv durch Porine in das Periplasma.
In Anabaena wurden neun putative Porine identifiziert. Sieben hiervon wiesen eine porinspezifische Domänenstruktur auf (Alr0834, Alr2231, All4499, Alr4550, Alr4741, All5191 und All7614), und wurden im Rahmen dieser Arbeit näher betrachtet. Die Expression dieser sieben Gene wurde vergleichend untersucht, nachdem der Wildtyp in Standardmedium oder in Medium indem jeweils Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink fehlte angezogen wurde. Außerdem wurde das Wachstum der einzelnen Porinmutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Festmedium mit hohen Konzentrationen von Salzen, Antibiotika oder anderen Stoffen analysiert. Hierbei konnten den einzelnen Mutanten teilweise spezifische phänotypische Eigenschaften zugeschrieben werden. Zusammengefasst kann anhand der Analysenergebnisse vermutet werden, dass Alr4550 eine besondere Rolle in der Wahrung der Zellhüllenstabilität oder -integrität spielt, wohingegen das Fehlen von Alr5191 auf unbekannte Weise die Fixierung von Stickstoff zu erschweren scheint. Die alr2231-Mutante zeigte eine Resistenz gegenüber hohen Zinkkonzentrationen, was die Vermutung zulässt, dass Zink ein Substrat von Alr2231 darstellt. Für weitere Porine kann ebenfalls ein Zusammenhang zum Transport von Kupfer oder Mangan vermutet werden.
Neben Porinen wurden ebenfalls TonB-ähnliche Proteine in Anabaena untersucht. TonB ist ein plasmamembranständiges Protein, das in Komplex mit ExbB und ExbD die Energie für Transportprozesse über die Äußere Membran bereitstellt. Hierfür bindet TonB C-terminal an TBDTs und induziert dort Strukturänderungen, welche den Substratimport ins Periplasma ermöglichen. Als Energiequelle wird der Protonengradient genutzt, der über die Plasmamembran besteht. In Anabaena wurden vier putative TonB Proteine identifiziert, die sich jeweils in Länge und Domänenstruktur unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Substrattransport-Experimente und Wachstumsanalysen gezeigt werden, dass TonB3 an der Aufnahme zweier Siderophore (Schizokinen und dem Xenosiderophor Ferrichrom) beteiligt ist, da die entsprechende Mutante sich als unfähig erwies diese zu als Eisenquelle nutzbar zu machen. Daneben wies TonB3 weitere Merkmale auf, die auch TonB-Proteinen anderer Organismen zugeschrieben wurden (Wachstumsdefizit der Mutante unter Eisenmangel, eisenabhängiges Expressionsprofil). Interessanterweise zeigte sich, dass das Siderophor Ferrichrom ebenfalls nicht als Eisenquelle für die tonB4-Mutante zur Verfügung stand, was zum Beispiel auf eine Beteiligung von TonB4 an dessen Transport hinweisen könnte.
TonB1, welches sich durch ein inkomplettes TBDT-Interaktionsmotiv auszeichnet, und TonB2 konnte keine Beteiligung am Siderophoretransport zugeschrieben werden, jedoch zeigten Mutanten der einzelnen Gene spezifische phänotypische Eigenschaften. Die tonB1-Mutante stach hervor durch ein vergleichsweise stark verzögertes Wachstum unter diazotrophen Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nitrogenaseaktivität als auch die expression vermindert war im tonB1-Mutantenstamm. Außerdem zeigten die Heterozysten dieser Mutante, die auf die Stickstoffixierung spezialisierten Zellen, eine abnormale Morphologie. Da die Expression von tonB1 jedoch nach dem Überführen von Wildypzellen in stickstoffreies Medium nicht erhöht war, kann eine direkte Beteiligung von TonB1 an der Heterozystendifferenzierung als unwahrscheinlich betrachtet werden. Die Zelleinschnürungen zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen waren in I-tonB1 weniger ausgeprägt als im Wildtyp, was durch eine Anfärbung der Zellwand mit einem Fluoreszenzmarker gezeigt werden konnte. Ebenfalls konnte anhand des fluoreszierenden Markers Calcein gezeigt werden, dass die molekulare Diffusionsgeschwindigkeit zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen, und auch zwischen zwei benachbarten vegetativen Zellen, in der tonB1-Mutante erhöht ist. Deswegen kann hier vermutlich vermehrt die Nitrogenase schädigender Sauerstoff in Heterozysten eindringen. Die aufgezählten Ergebnisse deuten auf eine Funktion von SjdR im Aufbau der Septumsstrukturen hin, beispielsweise durch Regulation der Peptidoglykansynthese oder -verteilung, weswegen TonB1 umbenannt wurde in SjdR (Septal junction disc regulator).
Die Untersuchung der tonB2-Mutante zeigte bei dieser eine veränderte Pigmentierung, eine vermehrte Lipopolysaccharidproduktion und Filamentaggregation sowie eine erhöhte Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotika oder Detergenzien. Letzteres könnte auf die ebenfalls in der tonB2-Mutante beobachtete verringerte Porinexpression zurückgeführt werden. Es wurde außerdem eine vermehrte Anreicherung von Kupfer und Molybdän in der Mutante gemessen, was ein Grund für die Veränderte Pigmentierung sein könnte und ebenfalls die Porinexpression beeinflussen könnte. Insgesamt scheint sich das Fehlen von TonB2 auf die Integrität der Äußeren Membran auszuwirken. Daher kann für TonB2, eine Funktion in Anlehnung an das Tol-system vermutet werden.
The aim of this work was to establish a new way of predicting novel dual active compounds by combining classical fingerprint representation with state-of-the-art machine learning algorithms. Advantages and disadvantages of the applied 2D- and 3D-fingerprints were investigated. Further, the impact of various machine learning algorithms was analyzed. The new method developed in this work was used to predict compounds, which inhibit two different targets (LTA4H and sEH) involved in the same disease pattern (inflammation). The development of multitarget drugs has become more important in recent years. Many widespread diseases like metabolic syndrome, or cancer are of a multifactorial nature, which makes them hard to be treated effectively with a single drug. The new in silico method presented in this work can help to accelerate the design and development of multitarget drugs, saving time and efforts.
The nowadays readily available access to a large number of 3D-structures of biological targets and published activity data of millions of synthesized compounds enabled this study and was used as a starting point for this work. Four different data sets were compiled (crystalized ligands from the PDB, active and inactive compounds from ChEMBL23, newly designed compounds using a combinatorial library). Those data sets were collected and processed using an automated KNIME workflow. This automation has the advantage of allowing easy change and update of compound sources and adapted processing ways.
In a next step, the compounds from the compiled data sets were represented using a variety of well-established 2D- and 3D-fingerprints (PLIF, AtomPair, Morgan, FeatMorgan, MACCS). All those fingerprints share the same underlying bit string scheme but vary in the way they describe the molecular structure. Especially the difference between 2D- and 3D-fingerprints was investigated. 2D-fingerprints are solely based on ligand information. 3D-fingerprints, on the other hand, are based on X-ray structure information of protein-ligand complexes. One major difference between 2D- and 3D-fingerprints usage is the need for a 3D-conformation (pose) of the compound in the targets of interest when using 3D-fingerprints. This additional step is time-consuming and brings further uncertainties to the method.
Based on the calculated fingerprints state-of-the-art machine learning algorithms (SVC, RF, XGB and ADA) were used to predict novel dual active compounds. The models were evaluated by 10-fold cross validation and accuracy as the primary measure of model performance was maximized. Second, individual parameters of the four machine learning algorithms were optimized in a grid search to achieve maximal accuracy using the optimized partitioning scheme. Overall accuracies, regardless of fingerprint and machine learning algorithm, are slightly better for LTA4H than for sEH.
The goal to predict dual active compounds was realized by comparing the set of predicted to be active compounds for LTA4H and sEH. For the 3D-fingerprint PLIF the machine learning algorithm Random Forest was chosen, from which compounds for synthesis and testing were selected. Of 115 predicted to be active compounds, six compounds were cherry picked. Two compounds showed very good/moderate dual inhibitory activity. Of the 2D-fingerprints, the AtomPair fingerprint in combination with the machine learning algorithm Random Forest was chosen from which compounds were selected for synthesis and testing. 116 compounds were predicted to be dual active against LTA4H and sEH. One of those compounds showed good dual inhibitory activity.
In this work it was possible to show advantages and disadvantages of using 2D- and 3D-fingerprints in combination with machine learning algorithms. Both strategies (2D: ligand-based, 3D: structure-based) lead to the prediction of novel dual active compounds with moderate to very good inhibitory activity. The method developed in this work is able to predict dual active compounds with very good inhibitory activity and novel (previously unknown) scaffolds inhibiting the targets LTA4H and sEH. This contribution to in silico drug design is promising and can be used for the prediction of novel dual active compounds. Those compounds can further be optimized regarding binding affinity, solubility and further pharmacological and physicochemical properties.