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Zusammenfassung der Diskussion Die Ergebnisse der vorliegenden prospektiven Studie präsentierten die Daten zweier relativ homogener Populationen. Trotz der geringen Fallzahl in beiden Gruppen (Gruppe A mit 28, Gruppe B mit 33 Patienten) konnte durch die Methodik eine Evidenzgraduierung Typ IIa erreicht werden. Gemäß unserem Behandlungsalgorithmus und den Empfehlungen einiger Autoren sollte bei unterschiedlichen Verletzungsmustern mit Einschluß relevanter Begleitverletzungen eine differenzierte Versorgung der distalen Radiusfraktur durchgeführt werden. Speziell die hochenergetischen Traumen mit wesentlichen Begleitverletzungen profitieren nach den Erkenntnissen der vorliegenden Studie und den aktuellen Veröffentlichungen von einem zweizeitigen Vorgehen mit primärer Anlage eines Fixateurs externe. Eine in zweiter Sitzung begleitende Arthroskopie gestattet anschließend eine zeitnahe und suffiziente Behandlung der relevanten Begleitverletzungen. Für die Stabilisierung hat sich in dieser Studie wie auch in der Literatur das Verfahren nach dem Drei-Säulen-Prinzip von Rikli etabliert mit einer dem Verletzungsmuster entsprechenden Versorgung durch eine palmare, dorsale oder kombinierte Plattenosteosynthese. Die osteoporotisch assoziierten Typ A3- oder Typ C1-Frakturen ohne Begleitverletzung benötigen in der Regel nur ein einzeitiges Vorgehen mit palmarer oder dorsaler Plattenosteosynthese. Ein möglicher Vorzug eines Zuganges konnte in der Studie nicht bewiesen werden, auch wenn in der Literatur allgemein eine Tendenz nach palmar zu verzeichnen ist. Als vorteilhaft erwies sich die kleindimensionierte 2,4 mm winkelstabile Formplatte, mit insgesamt geringer Morbidität und Komplikationsrate im Vergleich zu alternativen Plattensystemen oder minimalinvasiven Verfahren. Anhand der vorliegenden Resultate konnte gezeigt werden, dass einer guten anatomischradiologischen Rekonstruktion unter Berücksichtigung biomechanischer Aspekte bedingt durch die Begleitverletzungen, eine gute Funktion folgt. Hervorzuheben ist, dass die Rate der sehr guten bis guten Ergebnisse in allen Scores trotz der komplexen Verletzungsmuster mit hoher Beteiligung relevanter Begleitverletzungen und hochenergetischen Traumen in Gruppe A über 75 Prozent lag, wie auch in Gruppe B mit ausschließlich osteoporotisch assoziierten instabilen distalen Radiusfrakturen. In der gegenwärtigen Literatur beschreiben nur sehr wenige Arbeiten ähnliche Verletzungsmuster, weitere Kriterien zum Erreichen einer homogenen Population fehlen in der Regel. Insgesamt wird deutlich, dass ein direkter Vergleich unserer Ergebnisse mit denen der aktuellen Literatur nicht möglich ist. Es fehlen analoge Studien mit identischer Evidenzgraduierung, Population und Definitionen bezüglich der Komplikationen und Begleitverletzungen. Wird dennoch ein Vergleich mit konventionellen Plattensystemen und dem Fixateur externe angestrebt, zeigen unsere Resultate sehr gute radiologische, funktionelle und subjektive Ergebnisse mit relativ geringen Komplikationsraten und einer frühzeitigen, schmerzfreien Mobilisation obwohl in der Regel in der Literatur weniger komplexe Verletzungsmuster behandelt werden. Auch im Hinblick auf alternative winkelstabile Plattensysteme mit unterschiedlichen Behandlungsalgorithmen zeigen sich trotz komplexer Verletzungen in unserer Population gute und sehr gute Resultate und bestätigen die Erfahrungen aktueller Publikationen. Welchen Einfluss Begleitverletzungen, Komplikationen, Alter und Verletzungsmechanismus auf die Ergebnisse haben, kann nur durch langfristige, kontrollierte und randomisierte Studien ermittelt werden. In der vorliegenden Arbeit beeinflussten vorwiegend Läsionen des TFCC Komplexes, des CRSS, der Sinterung und die Läsion des Ramus superficialis des Nervus radialis die Scores. Damit bekräftigen unsere Untersuchungen, dass ein differenziertes Behandlungsvorgehen bei Verletzungen des TFCC Komplexes, der ligamentären Strukturen und der distalen Ulna angezeigt ist. Als wesentliche Ursache für die Komplikationen waren die kombinierten Zugänge und der Fixateur externe verantwortlich. Jedoch erwiesen sich nur wenige Komplikationen als behandlungsbedürftig und eine operative Revision kam nicht vor. Die Knocheninterponate konnten in den zwei Jahren der Studiendauer mit zunehmender Erfahrung reduziert werden, was den Erfahrungen anderer Autoren entspricht. Um eine Behandlungsrichtlinie aufstellen zu können, bedarf es kontrollierter Studien, die zeigen, welche Verfahren langfristig die besseren Resultate erbringen. Als notwendige Bedingung sind zuvor eine einheitliche Methodik, Behandlungsziel und eine Bewertung der Ergebnisse zu definieren. Zusammenfassung der Studie Zusammenfassung Das Prinzip der Plattenosteosynthese zeigte in der Vergangenheit überwiegend gute Resultate und gilt als etabliertes und sicheres Verfahren bei der Behandlung distaler Radiusfrakturen. Trotzdem wurde über Probleme und Komplikationen bei konventionellen Plattensystemen, abhängig vom Zugangsweg, der Knochenqualität und der Häufigkeit einer vorzeitigen Materialentfernung berichtet. Ziel der vorliegenden prospektiven Studie war es, die Anwendbarkeit einer kleindimensionierten 2,4 mm anatomisch angepassten winkelstabilen Formplatten zur Versorgung komplexer distaler Radiusfrakturen mit osteoporotischen Knochen und mit gelenknahen intraartikulären multiplen Fragmenten zu beurteilen sowie die Ergebnisse unseres Behandlungskonzeptes vorzustellen. Gruppe A (n=28) bestand aus dislozierten, intraartikulären distalen Radiusfrakturen (Typ C ohne Osteoporose) und in Gruppe B (n=33) befanden sich osteoporotisch assoziierte Frakturen (Typ A3 und Typ C). Die Frakturen wurden mit einer 2,4mm winkelstabilen Formplatte (Synthes®) nach dem 3-Säulen-Prinzip entweder palmar, dorsal oder kombiniert versorgt. Je nach Verletzungsmuster erfolgte zunächst eine primäre Stabilisierung mit einem Fixateur extern und späterer Plattenosteosynthese sowie gegebenenfalls Arthroskopie. Die Analyse unserer Daten zeigte für Gruppe A bei 78 Prozent der Patienten ein gutes bis sehr gutes Resultat beim Score nach Gartland und Werley mit einem DASH-Score von 13,9 Punkten. Der radiologische Score nach Lidström zählte 89 Prozent gute bis sehr gute Resultate. In Gruppe B hatten ebenfalls 78 Prozent der Patienten gute bis sehr gute Resultate beim Score nach Gartland und Werley mit einem DASH Score von 20,3 Punkten und 75 Prozent guten bis sehr guten radiologischen Ergebnissen nach dem Score nach Lidström. Die arthroskopisch assistierten distalen Radiusfrakturen mit versorgten relevanten Begleitverletzungen wiesen 73 Prozent gute bis sehr gute Ergebnisse beim Score nach Gartland und Werley mit einem DASH-Score von 19,1 Punkten und 77 Prozent guten bis sehr guten radiologischen Resultaten nach Lidström auf. Es bleibt das „goldene Ziel“ eine stabile, anatomiegerechte Fixation der Fraktur zu erreichen, die eine frühzeitig Bewegung und Rehabilitation ermöglicht. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen bei allen Patienten eine stabile Retention dislozierter, intraartikulärer und osteoporotisch assoziierter distaler Radiusfrakturen höherer Verletzungsgrade. Damit sind die Resultate mit denen der gegenwärtigen Literatur bei winkelstabilen Plattensystemen vergleichbar, auch wenn diese häufig weniger komplexe Verletzungsmuster des distalen Radius aufwiesen. Unser Behandlungsalgorithmus bei intraartikulären Mehrfragmentfrakturen besonders nach Hochrasanztraumen und relevanten Begleitverletzungen mit zweizeitigem Vorgehen und primärer Stabilisierung durch den Fixateur externe hat sich im Vergleich zu den Daten aus der Literatur bewährt. Unter Beachtung der biomechanischen Stabilität sollten Begleitschäden einer zeitigen Behandlung zugeführt werden. Das vorgestellte Verfahren inklusive der assistierten Arthroskopie ist eine adäquate Option bei der Diagnostik und Behandlung von Begleitverletzungen. Weitere prospektive, randomisierte Studien sind zu fordern, um klare Leitlinien zur Behandlung komplexer, distaler Radiusfrakturen zu erstellen. Die im Rahmen der DRG82 Abrechnungsmodalitäten eingeführten Klinikinformationssysteme könnten für eine entsprechende Qualitäts- und Datenerfassung die notwendige Grundlage bilden.
Hintergrund: Ziel der vorliegenden Studie war es, die Veränderungen von Hämodynamik und Säure-Basen-Haushalt im Zusammenhang mit einer prolongierten intraperitonealen CO2-Insufflation und Kopftief-Lagerung prospektiv zu untersuchen. Methoden: Zehn Patienten der Risikoklassen ASA I - III, die sich einer roboter-assistierten laparoskopischen radikalen Prostatektomie unterzogen, wurden in die Studie eingeschlossen. Die invasiven hämodynamischen Parameter wurden mittels transpulmonaler Thermodilution unter Verwendung des PiCCO®-Systems mit einem Femoralarterienkatheter gemessen. HF, HZV, HI, dPmax, SV, SVI, SVV, MAD, ZVD, SVR, SVRI, ITBV, ITBVI, EVLW, EVLWI, pH, paO2, paCO2, BE, HCO3-, etCO2, AF und AMV wurden in Rückenlage, nach der Kopftief-Lagerung, 30 min, 1 h, 2 h, 3 h und 4 h nach Anlage des Pneumoperitoneums, nach Ablassen des Pneumoperitoneums in Kopftieflage und abschließend erneut in Rückenlage gemessen. Ergebnisse: Die Kopftief-Lagerung der Patienten verursachte einen signifikanten Anstieg des ZVD (von 10 (± 3) auf 15 (± 2) mmHg), wohingegen alle anderen hämodynamischen Parameter nahezu unverändert blieben. Die Anlage des Pneumoperitoneums rief einen singulären Anstieg des MAD (von 75 (± 13) auf 95 (± 12) mmHg). Kein anderer hämodynamischer Parameter veränderte sich. Selbst nach vier Stunden waren nur milde hämodynamische Veränderungen zu beobachten. Nach Ablassen des Pneumoperitoneums stiegen HF (49 (± 4) vs. 64 (± 12) /min) und HI (2,4 (± 0,2) vs. 3,4 (± 0,7) l/min/m²) signifikant an, während der ZVD zu seinen Ausgangswerten zurückkehrte. Durch das Pneumoperitoneum wurde eine milde respiratorische Azidose hervorgerufen, die sich nach zwei Stunden stabilisierte (pH: 7,45 (± 0,04) vs. 7,37 (± 0,04)). Die AF wurde während des gesamten Beobachtungszeitraumes kontinuierlich gesteigert, wodurch der paCO2 nahezu zu seinen Ausgangswerten zurückkehrte. Schlussfolgerung: Patienten, die sich einer laparoskopischen radikalen Prostatektomie mit einem mindestens vierstündigen Pneumoperitoneum in Trendelenburg-Lagerung unterzogen, erfuhren keinen signifikanten hämodynamischen Abfall und nur geringfügige Veränderungen des Säure-Basen-Haushaltes während Lagerung und Pneumoperitoneum.
Poly(pyrazol-1-yl)borate, die sogenannten Skorpionate, repräsentieren eine der etabliertesten Ligandenklassen in der Koordinationschemie und finden aufgrund ihrer Vielseitigkeit zahlreiche Anwendungen. In den letzten Jahren hat sich ein besonderes Interesse an Bis- und Tris(pyrazol-1-yl)boratliganden entwickelt, die mehrere Skorpionateinheiten im selben Molekül vereinen und dadurch kooperative Effekte zwischen den Metallionen fördern. Diese Liganden können sowohl Einsatz in der homogenen Katalyse als auch in den Materialwissenschaften finden. Die bisher in unserer Arbeitsgruppe entwickelten ditopen Bis(pyrazol-1-yl)borate des Typs L (Abb. 3.1) weisen allerdings eine recht hohe Hydrolyseempfindlichkeit auf, deren Ursache wahrscheinlich im elektronenschiebenden Charakter und der Raumerfüllung der Alkylsubstituenten begründet liegt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden daher zunächst die ditopen Skorpionatliganden M2[3] und M2[6] mit Phenyl- und Pentafluorphenylsubstituenten dargestellt, die in darauf folgenden Hydrolysestudien eine im Vergleich zu L erheblich höhere Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit zeigten. Die Umsetzungen der Liganden Li2[Lpara] (Dissertation Dr. Susanne Bieller; Frankfurt 2005) und Li2[6] mit MnII-chlorid verdeutlichten, dass sich das C6F5-substituierte Heteroskorpionat auch in Bezug auf sein koordinationschemisches Verhalten vom tertButyl-substituierten Liganden unterscheidet. Während Li2[Lpara] mit MnCl2 zu einem chlorid-überbrückten, makrozyklischen, dinuklearen Mangankomplex reagiert, wird mit Li2[6] das in Abb. 3.2 dargestellte Koordinationspolymer {(MnCl2)2(Li(THF)3)2[6]}∞ erhalten. Die Ladung der anionischen Polymerkette wird durch Lithium-Gegenionen ausgeglichen. Um die Bildung von diskreten Komplexen einerseits bzw. von Koordinationspolymeren andererseits gezielt steuern zu können, wurden die mit sterisch anspruchsvollen Pyrazolylsubstituenten versehenen Liganden M2[4], M2[5] und M2[7] (Abb. 3.1) dargestellt. Im Zuge der Kristallisation von Li2[4] zeigte sich, dass diese Verbindung eine hohe Affinität für Chloridionen besitzt. Auch in Anwesenheit eines Überschusses Kronenether führen Spuren des Halogenids zur Ausbildung des in Abb 3.3 gezeigten dinuklearen, chloridverbrückten Lithiumkomplexes Li2Cl[4]. Die ausgeprägte Komplexbildungstendenz lässt Li2Cl[4] im Hinblick auf die Entwicklung von Anionenrezeptoren interessant erscheinen. Komplexe, in denen zwei Metallionen durch zwei Heteroskorpionatliganden in eine makrozyklische Struktur eingebunden werden (Tmeta/para in Abb. 3.4), konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht isoliert werden. Ein Hinweis, warum dieses Strukturmotiv ungünstig sein könnte, wurde durch die Charakterisierung des auf einem partiell hydrolysierten Derivat von Li2[Lpara] beruhenden CoII-Makrozyklus Co2[23]2 erhalten. Die Analyse der Strukturparameter dieser Verbindung deutet an, dass die Bildung eines Makrozyklus im Fallder unhydrolysierten Heteroskorpionate aufgrund sterischer Wechselwirkungen zwischen den Pyrazolylringen und der Phenylenbrücke benachteiligt sein sollte. Obwohl zwischen Aryl- und Alkyl-basierte n Heteroskorpionaten erhebliche Unterschiede hinsichtlich ihrer Neigung zur hydrolytischen Zersetzung erkennbar sind, zeigen beide Ligandentypen ähnliche Labilitäten gegenüber der stark Lewis-aziden Verbindung Brommanganpentacarbonyl. Die Reaktionen von Li2[Lpara], Li2[3] und Li2[6] mit Mn(CO)5Br führten zur Spaltung von B-N-Bindungen, die in allen drei Fällen durch Kristallisation des in Abb. 3.5 gezeigten, pyrazolid-verbrückten MnI-Carbonylkomplexes 21 dokumentiert werden konnte. Im Gegensatz zu den Heteroskorpionatliganden zeigen oligotope phenylenverknüpfte Homoskorpionate keine Tendenz, sich unter dem Einfluss von Mn(CO)5Br zu zersetzen. Reaktionen der di- und tritopen Tris(pyrazol-1-yl)borate Li2[15], Li2[16] und Li3[18] lieferten die in Abb. 3.6 dargestellten Mangantricarbonylkomplexe (Mn(CO)3)2[15], (Mn(CO)3)2[16] und (Mn(CO)3)3[18] in guten Ausbeuten. Neben der Darstellung dieser, für materialwissenschaftliche Fragestellungen (Koordinationspolymere, Metallorganische Netzwerke) interessanten Liganden, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit auch der Frage nachgegangen, ob die Verknüpfung zweier Heteroskorpionateinheiten Auswirkungen auf die katalytische Aktivität entsprechender Rhodium-Cyclooctadien-Komplexe in der Polymerisation von Phenylacetylen hat. Sterisch anspruchsvolle Pyrazolylsubstituenten tragende monotope Rhodium-Cyclooctadien- Skorpionatkomplexe konnten in dieser Reaktion bereits erfolgreich als Katalysatoren eingesetzt werden und lieferten regioselektiv cis-transoid-verknüpftes Poly(phenylacetylen). Zunächst wurden die in Abb. 3.7 dargestellten Rhodiumkomplexe (Rh(cod))2[3] und (Rh(cod))2[6] von Bis(pyrazol-1-yl)boraten, die keine sterisch anspruchsvollen Pyrazolylsubstituenten tragen, synthetisiert. Ähnlich wie der analoge einkernige Komplex Rh(cod)[H2Bpz2 ] zeigten (Rh(cod))2[3] und (Rh(cod))2[6] keinerlei katalytische Aktivität. Daher sollten im Anschluss die mit Phenylpyrazolylgruppen ausgestatteten Derivate (Rh(cod))2[5] und (Rh(cod))2[7] synthetisiert und im katalytischen Prozess eingesetzt werden. Im Verlauf dieser Experimente stellte sich heraus, dass die Reaktionen der Alkalimetallskorpionate Li2[5] und K2[7] mit (Rh(Cl)(cod))2 nicht zu den Zielverbindungen, sondern zur Zersetzung der Ligandgerüste führen. In beiden Fällen konnte das Abbauprodukt 22 isoliert werden (Abb. 3.8). Weitere Untersuchungen ergaben, dass 22 in der Lage ist, Phenylacetylen in guten Ausbeuten und regioselektiv (cis-transoid-verknüpftes Poly(phenylacetylen)) zu polymerisieren. 22 stellt somit ein gut zugängliches und leicht zu modifizierendes Katalysatorsystem dar, dessen Optimierung Thema zukünftiger Untersuchungen sein wird.
Entnahmestrategien für subgingivale Plaqueproben mittels semiquantitativer Polymerasekettenreaktion
(2008)
Von den etwa 700 verschiedenen Bakterienarten, die die Mundhöhle besiedeln, können etwa 300 Arten subgingival gefunden werden (Paster et al. 2001, 2006), und von diesen sind einige besonders häufig mit parodontaler Destruktion assoziiert (Socransky et al. 1998]. Die wichtigsten Keime sind: Aggregatibacter (früher: Actinobacillus) actinomycetemcomitans (Nørskov-Lauritsen & Kilian 2006), Tannerella forsythia, Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermedia und Treponema denticola (Socransky et al. 1998). Verschiedene Untersuchungen konnten zeigen, dass A. actinomycetemcomitans (AA) in der Ätiologie von aggressiven Parodontalerkrankungen eine besondere Bedeutung zukommt (Bragd et al. 1985). Zahlreiche Untersuchungen konnten zeigen, dass eine mit AA assoziierte Parodontitis durch eine rein mechanische Entfernung des Biofilms von der Wurzeloberfläche nicht zuverlässig erfolgreich behandelt werden kann (Christersson et al. 1985, Kornman & Robertson 1985, Mombelli et al. 1994). Für die Entscheidung, ob zusätzlich zur mechanischen antiinfektiösen Therapie systemisch Antibiotika gegeben werden sollen, hat der Nachweis von AA also Bedeutung. Je nachdem, welche Komplexe subgingivaler Mikroorganismen sich nachweisen lassen, werden unterschiedliche Antibiotikaregime vorgeschlagen (Beikler et al. 2004). Ziele dieser Studie: Vergleich von Nachweishäufigkeit und Keimzahl nach Auswertung von gepoolten subgingivalen Plaqueproben mittels semiquantitativer PCR aus den tiefsten Taschen jedes Quadranten bzw. Sextanten. Methode: Es wurden 50 Patienten, die sich zur systematischen Parodontitistherapie in der Praxis von Dr. Matthias Mayer, MSD, Arndtstr. 14, 60325 Frankfurt, vorstellten und bei denen eine aggressive oder generalisierte schwere chronische Parodontitis diagnostiziert wurde, für diese Studie rekrutiert. Fur die Probenentnahme wurden jeweils die parodontalen Taschen mit der hochsten Sondierungstiefe eines jeden Quadranten ausgewahlt. Existierten mehrere solche Stellen mit gleichem Attachmentverlust, wurde die Stelle gewahlt, die Zeichen einer aktiven Entzundung, wie Bluten auf Sondieren oder Suppuration aufwies. Nach relativer Trockenlegung mittels Watterollen wurden jeweils 2 sterile Papierspitzen gleichzeitig an den ausgewahlten Stellen nach subgingival platziert und fur 20 Sekunden belassen. Anschliesend wurde jeweils eine Papierspitze von jeder Stelle in eines von 2 Transportgefasen gegeben, so dass fur denselben Patienten 2 gepoolte Proben von denselben Stellen entstanden (MT4). Anschliesend wurden von den tiefsten Stellen jedes der bisher nicht berucksichtigten Sextanten mittels jeweils einer Papierspitze in der oben beschriebenen Weise Plaqueproben entnommen. Diese beiden Papierspitzen wurden in eines der beiden Transportgefase gegeben (MT4¡÷MT6). Zur Analyse fur das Vorliegen von A. actinomycetemcomitans (AA), T. forsythia (TF), P. gingivalis (PG), P.intermedia (PI), T. denticola (TD), P. micros (PM), F. nucleatum (FN), C. rectus (CR), E. nodatum (PN), E. corrodens (EC), und Capnocytophaga species (CS) wurden die Proben mit einem kommerziellen PCR-DNS-Sondentest ausgewertet. (micro-IDent„µplus, Hain Lifescience GmbH, Hardwiesenstrase 1, 72147 Nehren, Deutschland). Nachweisrate und Klassifikation (0-4) der Bakterienmenge der MT4- und der MT6-Ergebnisse werden mittels Wilcoxon-Test fur verbundene Stichproben verglichen. Ergebnisse: Die Nachweisrate lag bei den MT6 Patienten bei folgenden untersuchten Bakterien: AA (MT4/MT6): 12%/16%, PG: 78%/80%, TF: 88%/94%, PI: 44%/46%, FN: beide 100%, CR: 80%/84%, und EC: 86%/88% höher als die Werte aus den Ergebnissen der MT4 analysierten Proben. Die Werte für die Spezies: TD (92%/88%), PM (74%/70%), PN (64%/56%), und CS (64%/52%) waren bei den MT4 Patienten höher. Keiner der vergleichenden Werte ergab einen statistisch signifikanten Unterschied. Schlussfolgerung: Die Nachweisrate von Aggregatibacter actinomycetemcomitans (AA), Porphyromonas gingivalis (Pg) und Tannerella forsythia (Tf) war statistisch insignifikant höher bei der Probenentnahme aus der tiefsten Tasche jedes Sextanten(MT6) eines Patienten mit unbehandelter Parodontitis als die Entnahme von nur vier Stellen (MT4). Jedoch ergaben die Werte keinen statistisch signifikanten Unterschied. Das bedeutet, die gepoolte Analyse subgingivaler Plaque ist mit 4 Entnahmestellen genauso verlässlich wie mit 6 Entnahmestellen um Parodotalpathogene bei einem Patienten nachzuweisen. PG, TF, TD, PI, FN, CR, und EC sind in 80 bis 100% aller Patienten mit unbehandelter aggresiver und generalisiert schwerer chronischer Parodotitis nachweisbar.
The increasing resistance of almost all pathogenic bacteria to antibiotics (multidrug resistance) causes a severe threat to public health. The mechanisms underlying multidrug resistance include the induced over expression of multidrug transporters which extrude a variety of lipophilic and toxic substrates in an energy dependent fashion through the membrane out of the cell. These proteins are found in all transporter families. The work described in this thesis is dedicated to drug-proton antiporters from the small multidrug resistance (SMR) family. These efflux pumps with just four transmembrane helices per monomer are so far the smallest transporters discovered. Their oligomeric state, topology, three dimensional structure, catalytic cycle and transport mechanism are still rather controversial. Therefore, the aim of this thesis was to directly address these questions for the small multidrug resistance proteins Halobacterium salinarium Hsmr and Escherichia coli (E. coli) EmrE using a number of biophysical methods such as NMR, transport assays, mass spectrometry and analytical ultracentrifugation. Especially the work on Hsmr has been challenging due to the halophilic nature of this protein. In Chapter 1, key questions and the most important biophysical techniques are introduced followed by Material and Methods in Chapter 2. Depending on experimental requirements, cell free or ‘classical’ in vivo expression has been used for this thesis. Cell free expression as an option for the production of small multidrug transporters has been explored in Chapter 3. It has been possible to produce the SMR family members Hsmr, EmrE, TBsmr and YdgF in vitro. The expression of Hsmr was investigated in more detail under different experimental conditions. Hsmr was either refolded from precipitate or maintained in a soluble form during expression in the presence of detergents and liposomes. Furthermore, amino acids for which no auxotrophic strains were available could be labelled successfully. This expression system has been also used for preparing labelled samples of EmrE as described in Chapter 9. In vivo in E. coli expression of Hsmr, as described in Chapter 4, provided large amounts of proteins if fermenter production was used. Uniform labelling and selective unlabelling with stable isotopes (13C, 15N) for NMR spectroscopy was achieved in vivo in a more efficient and cost effective manner than using the cell free approach for this protein. Hsmr could be purified successfully from both in vitro and in vivo expression media. Hsmr is expressed in vivo and in vitro with N-terminal formylation. The Nterminal formylation is unstable and Hsmr in the presence of low salt concentrations was amenable to N-terminal degradation. It was found that Hsmr shows longest stability in Fos-ß-choline® 12 and sodium dodecyl sulphate, but best reconstitution conditions were found, when dodecyl maltoside is used and exchanged with Escherichia coli lipids. A molar protein lipid ratio of 1 to 100, amenable to solid state nuclear magnetic resonance, has been achieved. Sample homogeneity was shown by freeze fracture electron microscopy. The oligomeric state of Hsmr in detergent has been assessed by SDS PAGE, blue native PAGE, size exclusion chromatography, analytical ultracentrifugation and laser induced liquid bead ion desorption mass spectrometry (LILBID) as described in Chapter 5. A concentration and detergent dependent monomer-oligomer equilibrium has been found by all methods. The activity of Hsmr under the sample preparation conditions used here was shown using radioactive and fluorescence binding as well as fluorescence and electrochemical transport assays (Chapter 6). For transport studies, a stable pH gradient was generated by co-reconstitution of Hsmr with bacteriorhodopsin and subsequent sample illumination. Based on the observed long term stability of Hsmr in Fos-ß-choline® 12 and sodium dodecyl sulphate, liquid state NMR experiments were attempted in order to assess the correct folding of Hsmr in detergent micelles (Chapter 7). 1D proton and 2D HSQC spectra of U-15N Hsmr revealed a poor spectral dispersion, low resolution and only a small number of peaks. These are at least partly due to long rotational correlation times of the large protein detergent complex. This problem has been overcome by applying solid-state NMR to Hsmr reconstituted into E. coli lipids (Chapter 8). Uniform 13C labelled samples were prepared and two dimensional proton-driven spin diffusion and double quantum-single quantum correlation spectra were acquired successfully. Unfortunately, the spectral resolution was not yet sufficient for further structural studies. Reasons for the observed linebroadening could be structural heterogeneity or molecular motions which interfere with the NMR timescale. Therefore, the protein mobility has been probed using static 2H solid state NMR on Ala-d3-Hsmr. It could be shown, that parts of Hsmr are remarkably mobile in the membrane and that this mobility can be limited by the addition of the substrate ethidium bromide. Ethidium bromide as well as tetraphenylphosphonium (TPP+) is typical multidrug transporter substrates. The membrane interaction of TPP+ in DMPC membranes has been resolved by 1H MAS NMR. It was found that it penetrates into the interface region of the lipid bilayers and therefore behaves like many other transporter substrates adding to the hypothesis that the membrane could act as a pre-sorting filter. Finally, Chapter 9 is dedicated to the characterisation of the essential and highly conserved residue Glu-14 in EmrE by solid-state NMR. In order to avoid spectral overlap, the single Glu EmrE E25A mutant was chosen instead of the wildtype. The protein has been produced in vitro to take advantage of reduced isotope scrambling in the cell free expression system as verified by analytical NMR spectroscopy. Correct labelling of EmrE was tested by MALDI-TOF and solid-state NMR. The dimeric state of DDM solubilised EmrE has been probed by LILBID. The labelled protein was reconstituted into E. coli lipids to ensure a native membrane environment. Activity was determined by measuring ethidium bromide transport. Freeze fracture EM revealed very homogeneous protein incorporation even after many days of MAS NMR experiments. 2D 13C double quantum filtered experiments were used to obtain chemical shift and lineshape information of Glu-14 in EmrE. Two distinct populations were found with backbone chemical shift differences of 4 - 6 ppm which change upon substrate binding. These findings indicate a structural asymmetry at the assumed dimerisation interface and are discussed in the context of a model for shared substrate/proton binding. These studies represent the first successful use of cell free expression to prepare labelled membrane proteins for solid-state NMR and allow for the first time an NMR insight into the binding pocket of a multidrug efflux pump.
Ein wesentlicher Forschungsgegenstand der Kernphysik ist die Untersuchung der Eigenschaften von Kernmaterie. Das Verständnis darüber gibt in Teilen Aufschluss über die Erscheinungsweise und Wechselwirkung von Materie. Ein Schlüssel liegt dabei in der Untersuchung der Modifikation der Eigenschaften von Hadronen in dem Medium Kernmaterie, das durch Parameter wie Dichte und Temperatur gekennzeichnet werden kann. Man hofft damit unter anderem Einblick in die Mechanismen zu bekommen, welche zur Massenbildung der Hadronen beitragen. Zur Untersuchung solcher Modifikationen eignen sich insbesondere Vektormesonen, die in e+e- Paare zerfallen. Die Leptonen dieser Paare wechselwirken nicht mehr stark mit der Materie innerhalb der Reaktionszone, und tragen somit wichtige Informationen ungestört nach außen. Das HADES-Spektrometer bei GSI wird dazu verwendet die leichten bei SIS-Energien produzierten Vektormesonen rho, omega und phi zu vermessen. Hierzu wurde zum erste mal das mittelschwere Stoßsystem Ar+KCl bei einer Strahlenergie von 1,76 AGeV gemessen. Die im Vergleich zum früher untersuchten System C+C höhere Spurmultiplizität innerhalb der Spektrometerakzeptanz verlangte eine Anpassung der bisher verwendeten Datenanalyse. Das bisher verwendete Verfahren, mehrere scharfe Schnitte auf verschiedene Observablen seriell anzuwenden, um einzelne Leptonspuren als solche zu identifizieren, wurde durch eine neu entwickelte multivariate Analyse ersetzt. Dabei werden die Informationen aller beteiligten Observablen mit Hilfe eines Algorithmus zeitgleich zusammengeführt, damit Elektronen und Positronen vom hadronischen Untergrund getrennt werden können. Durch Untersuchung mehrerer Klassifizierer konnte ein mehrschichtiges künstliches neuronalen Netz als am besten geeigneter Algorithmus identifiziert werden. Diese Art der Analyse hat den Vorteil, dass sie viel robuster gegenüber Fluktuationen in einzelnen Observablen ist, und sich somit die Effizienz bei gleicher Reinheit steigern lässt. Die Rekonstruktion von Teilchenspuren im HADES-Spektrometer basiert nur auf wenigen Ortsinformationen. Daher können einzelne vollständige Spuren a priori nicht als solche gleich erkannt werden. Vielmehr werden durch verschiedene Kombinationen innerhalb derselben Mannigfaltigkeit von Positionspunkten mehr Spuren zusammengesetzt, als ursprünglich produziert wurden. Zur Identifikation des maximalen Satzes eindeutiger Spuren eines Ereignisses wurde eine neue Methode der Spurselektion entwickelt. Während dieser Prozedur werden Informationen gewonnen, die im weiteren Verlauf der Analyse zur Detektion von Konversions- und pi0-Dalitz-Paaren genutzt werden, die einen großen Beitrag zum kombinatorischen Untergrund darstellen. Als Ergebnis wird das effizienzkorrigierte, und auf die mittlere Zahl der Pionen pro Ereignis normierte, Spektrum der invarianten Elektronpaarmasse präsentiert. Erste Vergleiche mit der konventionellen Analysemethode zeigen dabei eine um etwa 30% erhöhte Rekonstruktionseffizienz. Das Massenspektrum setzt sich aus mehr als 114.000 Paaren zusammen -- über 16.000 davon mit einer Masse größer als 150 MeV. Ein erster Vergleich mit einem einfachen thermischen Modell, welches durch den Ereignisgenerator Pluto dargestellt wird, eröffnet die Möglichkeit, die hier gefundenen Produktionsraten des omega- und phi-Mesons durch m_T-Skalierung an die durch andere Experimente ermittelten Raten des eta zu koppeln. In diesem Zusammenhang findet sich weiterhin ein von der Einschussenergie abhängiger Produktionsüberschluss von F(1,76) = Y_total/Y_PLUTO = 5,3 im Massenbereich M = 0,15...0,5 GeV/c^2. Die theoretische Erklärung dieses Überschusses birgt neue Erkenntnisse zu den in-Medium Eigenschaften von Hadronen.
Die autosomal rezessive Erkrankung Ataxia teleangiectasia ist durch eine stark erhöhte Inzidenz von Krebs charakterisiert. Das verantwortliche Genprodukt, das bei AT verändert, beziehungsweise funktionsuntüchtig ist, spielt eine entscheidende Rolle in der Zellzykluskontrolle, der DNA Reparatur und der Apoptose nach einem Doppelstrangbruch, der durch ionisierende Strahlung oder ROS induziert wurde. Neueste Studien haben gezeigt, dass n-3 PUFA, wie z.B. Eicosapentaensäure (EPA), in der Lage sind, Zellproliferation zu unterdrücken und Tumorwachstum durch Zellzyklusstopp und das Auslösen von Apoptose zu verhindern. Das Ziel dieser Arbeit war, den Einfluss von EPA auf die Entwicklung des Tumors bei Atm Knock-out Mäusen zu untersuchen. Folglich wurde im Verlauf dieser Studie die Latenzzeit der Tumorentstehung nach EPA Behandlung der Tiere analysiert. Aufgrund erhöhten oxidativen Stresses bei AT und der Auswirkung von ROS auf die Tumorinzidenz bei Atm Knock-out Mäusen, untersuchten wir ebenfalls die DNA-Oxidation der Versuchstiere. EPA zeigte keinen Effekt auf die Latenz der Tumorentstehung bei Atm defizienten Mäusen. Erklärungen für den negativen Effekt können in der eingesetzten Konzentration der PUFA oder dem genetischen Hintergrund der Erkrankung diskutiert werden. Die Bestimmung von oxidierter DNA legt aber die Vermutung nahe, dass EPA den oxidativen Stress bei AT verstärkt und der antiproliferative und chemopräventative Effekt der früheren in vitro Untersuchungen hierdurch nicht zum Tragen kommt. Eine Kombination von EPA und Antioxidantien ist möglicherweise eine Strategie um die Tumorenstehung im Atm Mausmodell zu inhibieren und Präventive Therapie für die Patienten zu entwickeln.
The mammary gland of mice serves as a model system for studying differentiation in an adult animal. With the beginning of pregnancy the mammary epithelial cells undergo functional differentiation to produce milk for nourishment of the young. The transcription factor STAT5 mediates the cytokine-induced induction of the milk proteins during pregnancy and lactation in response to the lactogenic hormone prolactin. In addition to transcription factors that mediate transcription of their target genes by recruitment of the general transcription machinery to the DNA-regulator regions, specific post-translational modifications on the N-terminal tails of histones also influence expression. These histone modifications can affect chromatin structure, which is a main control barrier to transcription, by directly altering accessibility of the chromatin and by providing binding surfaces for protein complexes that can further modulate chromatin structure and regulate transcription. In this work N-terminal histone modification marks that associate with open, permissive and repressed chromatin where investigated in different regions of two milk protein genes during mammary gland development. Using the chromatin-immunoprecipitation (ChIP) assays increased acetylation of histone H3 and H4 at the 5’ region, promoter and transcribed regions of β-casein and whey acidic protein (WAP) gene were observed during pregnancy and lactation when these genes are expressed. The presence of these histone marks, which are associated with a relaxed chromatin structure, correlates with the recruitment of STAT5A and STAT5B to the promoter containing regulatory regions as well as the detection of the phosphorylated RNA polymerase II in the transcribed gene region. Both di- and tri-methylation of histone H3 lysine 4, that mark permissive and active chromatin respectively, were enriched in tissue from pregnant and lactating mice. In comparison tri-methylation of histone H3 lysine 27, a mark associated with repressed chromatin, could be observed during all stages of mammary gland tissue investigated, but appears slightly elevated in the tissue from virgin mice when β-casein and WAP are not expressed. Together these results illustrate that the expression of the two milk proteins genes at distinct stages of mammary gland differentiation correlate with specific changes in histone modifications. In mammary gland tissue STAT5A is important for the mammary gland epithelial cell differentiation and survival during lactation. Yet many genomic target regions that STAT5A actually bind and which are involved in regulation of gene expression during lactation still remain unknown. Therefore, the second part of this thesis was focused on the identification of novel STAT5-binding sites that are differentiation specifically bound by STAT5A in mammary gland tissue during lactation. In summary, the results demonstrate that the ChIP cloning method was employed successfully for the cloning of a STAT5A library and the identification of new STAT5 targets in mammary gland tissue from lactating mice. Nine of the newly identified STAT5-binding targets were verified to differentiation specifically bind STAT5A and STAT5B in vivo during pregnancy and lactation. Even though the selection of the tested clones was biased towards STAT5-binding sites near or at known genes and for multiple STAT5 binding sites, only one out of the nine validated STAT5-binding regions is located in a traditional defined proximal promoter. Except for two STAT5-binding regions, which are located at least 10 kb from the next annotated known gene, six are located in the intronic regions of annotated mRNA or EST transcripts. Three, out of four verified STAT5-binding regions tested in reporter gene assays for functionality, display the ability to drive reporter gene activity in a STAT5 dependent manner. This transcriptional activity is due to the STAT5-binding sites within the cloned regions as determined by mutational analysis. Of special interest is a STAT5-binding region that contains one STAT5 and three STAT-like sites within a 339 bp region that is evolutionary conserved by approximately 80% between the mouse and human genome. This STAT5-binding region lies about 62 kb 5 prime of the nuclear factor I/B gene. The expression of the NFI/B mRNA transcript correlates with the in vivo association of STAT5A to the conserved region during the mammary gland differentiation. Together, these results suggest that this STAT5-binding might be a cis-regulatory region that potentially mediates STAT5 induced NFI/B gene expression in mice during lactation.