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Das maligne Gliom, auch Glioblastom multiforme (GBM) genannt, ist der häufigste und gleichzeitig auch bösartigste hirneigene Tumor und macht rund 2% aller Krebsneuerkrankungen aus. Die Weltgesundheitsorganisation (world health organisation, WHO) stuft das GBM als Grad IV Tumor ein, was es als hochmalignen Tumor auszeichnet der infiltrativ in das umliegende Hirnparenchym einwandert und mit den gegenwärtigen Behandlungsmethoden, bestehend aus Resektion des Tumors, Chemotherapie und Strahlentherapie nicht kuriert werden kann. Das aggressive Wachstum und die ausgeprägte Resistenz dieses astrozytären Tumors gegenüber den verfügbaren Therapien der Bestrahlung und Chemotherapie sind Hauptgründe für die schlechte Prognose für Patienten mit Glioblastomen, deren medianes Überleben immer noch unter der Zwei-Jahres-Grenze liegt. Daher ist es von Nöten neue therapeutische Strategien auf Grundlage der Chemotherapie zu entwickeln, die selektiv wichtige, deregulierte Signalwege der Krebszelle angreifen. Einer dieser Signalwege in Gliomen ist der Stat3-Signalweg (signal transducer and activator of transcription). Stat3, ein latenter zytoplasmatischer Transkriptionsfaktor liegt in Gliomen oftmals konstitutiv aktiv vor. Diese Deregulation des Signalweges führt zur dauerhaften Transkription proonkogener Zielgene die in transformierten Zellen zu Proliferation, Apoptoseresistenz, Neoangiogenese und Immunsupprimierung führen können. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, inwiefern eine pharmakologische oder gentechnische Inhibierung von Stat3 molekulare und zelluläre Charakteristika von Gliomen beeinflusst. Dazu wurde für die in-vivo Versuche ein syngenes, murines Gliom-Transplantationsmodell verwendet dessen Pathologie der eines humanen Glioms gleicht und den Vorteil besitzt keine immunsupprimierten Tiere verwenden zu müssen. Die murinen Gliomzelllinien, gewonnen aus spontanen Gliomen von GFAP-v-Src überexprimierenden Mäusen, wurden vorher in-vitro und auch exvivo bezüglich ihres Verhaltens auf die pharmakologische oder gentechnische Inhibierung von Stat3 charakterisiert. Für die pharmakologische Inhibierung wurde Kurkumin gewählt, der biologische aktive Wirkstoff der Pflanze Curcuma longa. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Behandlung mit Kurkumin konzentrationsabhängig die Phosphorylierung von Stat3 in drei murinen Gliomzelllinien hemmt. Des Weiteren zeigte sich, dass auch die Proliferation der untersuchten transformierten Zellen sowie ihre Fähigkeit zur Invasion und Migration konzentrationsabhängig durch den Einsatz von Kurkumin inhibiert werden konnte, ohne dabei allerdings die Proliferation von primären Astrozyten im gleichen Maße zu hemmen. Kurkumin induziert zusätzlich in den überaus aopotoseresistenten Gliomzellen einen G2/M Zellzyklusarrest. Diese beobachteten Effekte stehen im Zusammenhang mit der konzentrationsabhängigen transkriptionellen Beeinflussung Kurkumins der tumorpromotenden Stat3- Zielgene. Durch Einsatz einer Stat3-Mutante, Stat3C, die ohne Phosphorylierung konstitutiv aktiv in der Zelle vorliegt, konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass Kurkumin seinen Einfluss auf die Invasion und Migration der murinen Gliomzelllinien auch über den Stat3-Signalweg vermittelt, zeigte sich, dass durch Einbringung dieser Mutante trotz Kurkuminbehandlung die Migrations- und Invasionsfähigkeit partiell retabliert werden konnte. Durch dietätische Gabe von Kurkumin konnte in tumortragenden Mäusen gezeigt werden, dass die invitro ermittelten Effekte an einem längeren Überleben jener Mäuse beteiligt waren, deren Futter das Kurkumin enthielt. Die Administration des Kurkumins wurde entsprechend einer für die Klinik bevorzugten Darreichugsform gewählt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde Stat3 in den murinen Gliomzelllinien durch Transduktion mit shRNA gerichtet gegen die Stat3-mRNA stabil depletiert um im Folgenden untersuchen zu können, welche zellulären und molekularen Konsequenzen konstitutiv aktives Stat3 für die Gliomzellen hat. Es zeigte sich, dass der Wegfall von Stat3 das Migrations- und Invasionspotential signifikant verringerte und die Expression tumorfördernder Zielgene ebenfalls in den Stat3-defizienten Zellen auf Protein- und mRNA-Ebene signifikant reduziert war. Der Einfluss von Stat3 auf die Hif1α-Expression, ein Transkriptionsfaktor der die Anpassung der Gliomzellen an ein hypoxisches Milieu und damit verbunden auch Migration und Invasion induziert kann, macht deutlich, dass konstitutiv aktives Stat3 unter normoxischen sowie auch hypoxischen Bedingungen upstream entscheidender Transkriptionsfaktoren liegt und sich somit als Zielmolekül für eine therapeutische Intervention anbietet. Eine ex-vivo Applikation auf organotypischen Schnittkulturen zeigte, dass durch den Wegfall von Stat3 in den murinen Gliomzellen die Einzelzellinvasion unterbunden werden konnte was entscheidend für das klinisch hochrelevante Problem der Rezidive sein könnte. Transplantierte man nun Kontroll- und Stat3-defiziente Zellen orthotrop in die immunkompetenten Mäuse zeigte die Kaplan-Meier-Kurve, dass der Krankheitsbeginn so wie das mediane Überleben in den Mäusen mit Stat3-defizientem Tumor zeitlich deutlich nach hinten verschoben war. Neben den invitro und ex-vivo ermittelten Effekte des Stat3-Wegfalls ist anzunehmen, dass das verlängerte Überleben dieser Mäuse auch mit der fehlenden Immunsupprimierung der Stat3-defizienten Tumore zusammenhängt. Es zeigte sich, dass eine Intervention gegen Stat3, ob nun pharmakologisch oder gentechnisch, die malignen Charakteristika des Glioblastoms positiv beeinflussen kann. Stat3, bestätigt als onkogener Transkriptionsfaktor, stellt damit eine lohnenden Zielstruktur in Gliomen dar.
Even one century after Santiago Ramón y Cajal’s groundbreaking contribu- tions to neuroscience, one of the most fundamental questions in the field is still largely open, namely understanding how the shape of a dendrite is adapted to its specific biological function. A systematic investigation of this problem is challenging both technically and conceptually because neurons have diverse genetic, molecular, morphological, connectional and functional properties.
In the light of the preceding, dendritic arborisation (da) neurons of the Drosophila melanogaster larva PNS have proven to be an excellent model system for the study of such growth and patterning processes. Structure and function in these cell classes are intimately intertwined, as class type-specific dendritic arbour differentiation processes are required to satisfy a given phys- iological need. Also, there is a remarkable genetic toolkit that enables one to selectively and reproducibly label, image and manipulate each one of these sensory neuron classes. In this thesis, I address the aforementioned open problem by linking single-cell patterning, information processing and wiring optimisation in sensory da neurons to behaviour in Drosophila larva.
In particular, I study Class I ventral peripherical dendritic arborisation (c1vpda) neurons. These are a class of proprioceptive neurons that relay information on the position of the larva’s body back to the CNS during crawling behaviour to assure proper locomotion. Their stereotypical comb- like shaped dendritic branches spread along the body-wall, and they get noticeably deformed during crawling behaviour. The bending of the den- dritic branches is hypothesised to be a possible mechanism to transduce the mechanosensory inputs arising from cuticle folding. Interestingly, c1vpda neurons do not necessarily satisfy optimal wiring constraints since they are required to pattern into a specific shape to fulfil their function. Therefore, I considered the da system to study how the specific functional requirements may be combined with optimal wiring constraints during development.
Although the molecular machinery of dendrite patterning in c1vpda neurons is well studied, the precise elaboration of the comb-like shaped dendrites of these cells remains elusive. Moreover, even though a lot of work has been put into the description and quantification of growth processes of the nervous system, there are still few solid and standardised models of arbour staging and patterning. Importantly, the defining parameters that determine the dendrite elaboration program that in turn is responsible for creating the final arbour morphology are still unknown. As a result, unraveling possible universal stages of dendrite elaboration shared between different model systems and cell types is challenging.
Thus, in order to understand the development of the fine regulation of branch outgrowth that leads to the observed terminal arbour morphology in the mature cell, I collected in vivo, long-term, non-invasive high temporal res- olution time-lapse recordings of dendritic trees during the differentiation process in the embryo and its maturation phase in the larva. For further analysis, I developed new algorithms that quantified the structural changes in dendrite morphology in the time-lapse videos. My approach provides a framework to analyse such developmental data, or any dataset comprising continuous morphological dynamical processes in an unbiased way. Using these newly developed methods, I examined the development of a sample of c1vpda cells and identified five stages of differentiation in these data: initial stem polarization, extension, pruning, stabilization, and isometric stretching during larval stages.
The beginning of the growth process is marked by the polarisation of the main stem. Subsequently, during the extension phase, branches emerge interstitially from the existing main stem. Later, higher-order branches sprout from pre-existing lateral branches, increasing arbour complexity. This is followed by a pruning stage where developmental intermediate dendritic branches are removed. This step leads to a spatial rearrangement of the dendritic tree. The end of the pruning step is followed by a stabilisation period where arbour morphology remains virtually unaltered in the embryo. After hatching, c1vpda dendrites experience an isometric scaling, with their branching complexity and pattern being invariant across all larval stages.
After dissecting the c1vpda dendrites spatiotemporal differentiation process, I established a link between dendritic shape and behaviour. I measured intra- cellular Ca++ activity in the dendrite branches of l1 larvae during forward locomotion, while simultaneously recording branch deformation using a dual genetic line. I reported that post-embryonic c1vpda dendrites Ca++ responses increased in freely crawling larvae. Furthermore, I showed strong correlations between Ca++ signal and deformation of the comb-like dendritic ranches during body-wall contractions.
Then, using a geometrical model, I provided evidence that the pruning stage could reorganise the dendrite morphology to maximise mechanosensory re- sponses during body wall contraction. I showed that the angle orientation of each side branch correlates with the bending curvature and thus with the me- chanical displacement of the cell membrane during locomotion. During the pruning phase, I observed a preferential reduction of less efficient branches with low bending curvature, influencing the mechanisms of dendritic sig- nal integration of c1vpda sensory neurons. I proceeded to quantify branch dynamics at single tip resolution during pruning, providing evidence that a simple random pruning mechanism is sufficient to remodel the tree structure compatible with the observed way.
I used these time-lapse data to constrain a new computational noisy growth model with random pruning based on optimal wiring principles. This model is able to generate highly realistic synthetic c1vpda morphologies. The model furthermore requires few parameters to generate highly accurate temporal development trajectories and morphologies at single-cell level. Utilising this data and model enabled me to investigate upon the hypothesis that a noisy dendrite growth and random pruning mechanism synergise to achieve den- dritic trees efficient in terms of both wiring and function. My findings show how single neurons can create functionally specialised dendrites while min- imising wiring costs, elucidating how general principles of self-organisation may be involved in the generation of these structures.
Many metabolic pathways of eukaryotes are carried out in form of interconnected pathways, which take place in organelles. The organelle membrane separates the reaction compartments from each other, making it a key feature of organelle existence in the cell. To maintain cellular homeostasis, organelle positioning in and transport through the cell as well as organelle interaction are important for the organisms. In plants, organellar movement of peroxisomes, Golgi stacks and mitochondria was shown to be mediated by the actin-myosin machinery. The molecular mechanisms are not elucidated, but working models comprise classical movement mechanisms of motor proteins pulling their cargo on cytoskeletal filaments. In contrast, many mechanisms of chloroplasts movement, which are regulated by blue and red light, are deciphered but follow a different molecular mechanism. Plastidal relatives of the chloroplast have long been disregarded by scientific research but carry out important metabolic reactions to maintain cellular homeostasis. The cellular transport and movement mechanisms of root plastids have not been described in detail until now. Additionally, all plastid subspecies can form tubular structures, called stromules. Those are thought to be involved in the organelle communication and metabolite exchange. Since they are very mobile structures, they influence the organellar dynamic of plastids. This work aimed for an in-detail description of the cellular movements of root plastids in the plant Arabidopsis thaliana to elucidate underlying mechanisms of their movement. Additionally, the dynamics of root plastid stromules were investigated, led by the questions, if and how stromules are involved in the mediation of plastidal movement and their overall dynamics. Plastidal movement in Arabidopsis thaliana was captured using light sheet-based fluorescence microscopy. 4D image data was automatically analyzed using the program Arivis Vision 4D with subsequent manual correction. Additionally to the 4D approach, a manual 3D analysis of plastid and stromule dynamics was performed. The results of the semiautomated analysis displayed heterologous distribution of the plastidal movement. Using a combination of the vector length of each motion event and the angle in relation to previous motion vectors, the proportions of different movement patterns were determined. Main fractions of the data showed undirected motion of plastids, whereas small proportions displayed directed movement with speed up to 8.5 µm/sec. Directed motion was shown to be carried out on defined routes in the cell. Salt stress did not affect plastidal motion, whereas drought stress lead to its reduction. Sucrose depletion led to a drastic decrease of plastidal movement. Additionally, stromule dynamics were investigated using the acquired image data. Stromules were observed in high frequency mainly at stationary plastids giving them the opportunity of dynamic interaction in their cellular surrounding. Stromules reached lengths of up to 60 µm. Additionally, they displayed a variety of movement patterns that contributed greatly to the overall plastid dynamics. Stromule related motion events were captured reaching up to 3.2 µm/sec. Similar to determined plastid dynamics, stromule motions were reduced during drought stress and sucrose depletion, but also were negatively influenced by salt stress. Those results strongly favor an actin-myosin mediated movement machinery mediating the plastidal and stromule movement. This stands in contrast to previous results describing the movement mechanisms of light induced chloroplast movement.
In an additional approach, the molecular mechanisms underlying stromule formation were analyzed. Previous results describe that stromule formation can be induced at isolated chloroplasts of the plant Nicotiana benthamiana by mixing it with concentrated cell extract. During this work, a variation of the described assay was established using the plant Pisum sativum. It was shown that an unknown protein factor presumably undergoing protein-lipid interaction is responsible for in vitro stromule formation. Using a combination of sucrose gradient centrifugation and anion exchange chromatography, the desired factor could be enriched, while the majority of unwanted proteins could be reduced drastically. A following LC-MS analysis revealed a selection of proteins with membrane interaction- and unknown functions that might be involved in in vitro stromule formation.
Cerebellar ataxias are a group of neurodegenerative disorders primarily affecting the cerebellum. Although causative mutations in several genes have been identified there is currently no cure for ataxias.
The first part of this dissertation is focused on Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2). SCA2 is a dominant ataxia caused by repeat expansion mutations in the ATXN2 gene, which encodes the protein Ataxin2 (ATXN2). A polyglutamine (polyQ) tract consisting of CAG repeats interrupted by CAA was identified at exon 1 of ATXN2. Healthy individuals have between 22 and 23 glutamines, while expansions longer than 33 CAG repeats cause SCA2. The most noticeable symptom that SCA2 patients show is ataxic gait; however, they also show cerebellar dysarthria, dysdiadochokinesia, and ocular dysmetria caused by the progressive cerebellar degeneration.
To model the SCA2 disease, we generated a new mouse model where 100 CAG repeats were introduced in the mouse Atxn2 gene via homologous recombination. The characterization of this mouse model, Atxn2-CAG100-KIN, demonstrated that it reproduces the symptomatology observed in SCA2 patients. These animals showed significant loss of weight over time, brain atrophy, and motor deficits.
In addition, ATXN2 intermediate expansions have been linked to the pathology of Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) as a risk factor. ALS is a fatal neurodegenerative disease where the motor neurons in the brain and spinal cord degenerate. A hallmark of ALS is the presence of TDP43-positive inclusions in neurons and glia. Further studies of post mortem spinal cord samples from SCA2 patients showed severe and widespread neurodegeneration of the central somatosensory system. Therefore, it was of interest to further investigate the pathology affection of this tissue in the Atxn2-CAG100-KIN line and the relationship between ATXN2 and TDP43. The characterization of the spinal cord pathology via protein quantification, transcript quantification, and immunohistochemistry showed a preferential affection of RNA binding proteins (RBP) in the spinal cord rather than the cerebellum. The ALS-linked factors TDP43 and TIA1 showed time-dependent co-aggregation with ATXN2 in spinal cord sections together with an increase of CASP3 levels. Therefore, this mouse model can help develop new therapies and evaluate their effect in differently affected areas.
A transcriptome data set from Atxn2-CAG100-KIN spinal cord samples at the final disease stage of this mouse model showed a strong up-regulation of RNA toxicity-, immune- and lysosome-implicated factors. These data pointed to a pathological reactivation of the synaptic pruning and phagocytosis in microglia. ATXN2-positive aggregates were found in microglia from spinal cord sections of 14-month-old Atxn2-CAG100-KIN via immunohistochemistry. The characterization of microglial response and the potentially deleterious effects of the expanded ATXN2 in this cell type could lead to therapies to improve patients’ living standards or delay the symptoms’ onset.
The second part of this thesis was focused on an autosomal recessive form of cerebellar ataxia, Ataxia Telangiectasia (A-T), with childhood onset. A-T patients show severe cerebellar atrophy manifesting as ataxia when the child starts to walk. The genetic cause of A-T is loss-of-function-mutations in the Ataxia Telangiectasia Mutated gene (ATM). ATM is a kinase involved in DNA damage response, oxidative stress, insulin resistance, autophagy via mTOR signaling, and synaptic function.
Working with proteome data from cerebrospinal fluid of 12 A-T patients and 12 healthy controls, we aimed to define novel biomarkers that would allow following the neurodegeneration in extracellular fluid. Additional validation efforts with ~2-month-old Atm-knock-out (Atm-/-) cerebellar samples helped us to define a scenario were the deficit of vesicle-associated ATM alters the secretion of ApoB, reelin, and glutamate. As extracellular factors, apolipoproteins and their cargo such as vitamin E may be useful for neuroprotective interventions.
Die klimatische Nische beschreibt die klimatischen Bedingungen, unter denen eine Art eine stabile Population aufrechterhalten kann. Die Quantifizierung von Klimanischen ist ein wichtiges Werkzeug, um tiefergehende Einsichten in individuelle Art-Umwelt Beziehungen zu erlangen, um den Effekt des Klimawandels effektiv zu bewerten, und um Arten- und Naturschutz zu unterstützen. Ein makroökologischer Ansatz ist von Vorteil um Ökosysteme über ein breites taxonomisches, geographisches und zeitliches Spektrum zu untersuchen, und damit die klimatischen Nischen vieler Arten auf eine konsistente Art und Weise zu quantifizieren und vergleichen.
Im Kontext des aktuellen Klimawandels ist es wichtig zu verstehen, ob Arten in der Lage sind ihre Klima-nische anzupassen. Viele bisherige Vorhersagen über klimawandelbedingte Veränderungen von Artverbreitungen beruhen auf der Annahme, dass die klimatische Nische einer Art konstant ist. Allerdings ist bekannt, dass Arten ihre klimatischen Präferenzen auf unterschiedlichen Zeitskalen verändern - sowohl über kurze (ökologische) als auch evolutionäre Zeiträume. Dies ist ein wichtiger, aber oft missachteter Faktor für die Nischenquantifizierung. Ein gutes Beispiel für solche ökologische Dynamiken sind Zugvögel, die etwa 20% aller Vogelarten ausmachen. Sie stellen eine interessante, aber auch herausfordernde Artengruppe für die Untersuchung klimatischer Nischen dar. Des Weiteren ist es wichtig klimatische Nischen über evolutionäre Zeiträume zu untersuchen, um die Prozesse zu verstehen, die Evolution, Diversifikation und Extinktion unterliegen, da sich Klimanischen mit der Anpassung einzelner Arten an neue klimatische Gegebenheiten ebenfalls wandeln. Bislang hat ein Mangel an geographisch expliziten Daten über terrestrische Umwelt-bedingungen durch evolutionäre Zeiträume eine explizite Überprüfung dieser Zusammenhänge verhindert.
Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation war es, die ökologische (d.h. saisonale) und evolutionäre Dynamik klimatischer Nischen von Vögeln zu untersuchen. Dazu wurde ein Ansatz gewählt der makroökologische, und evolutionsbiologische Methoden vereint, um ein breites taxonomisches und zeitliches Spektrum abzudecken. Das erste Kapitel bearbeitet die Frage wie klimatische Nischen am besten zu quantifizieren sind, wenn man die Dynamik des Vogelzuges in Betracht zieht. Dazu wurde eine Datenbank erstellt, die das Zugverhalten aller 10.443 lebenden Vogelarten katalogisiert. Des Weiteren wurde eine Übersicht über die Methoden zur Quantifizierung klimatischer Nischen in der makroökologischen Literatur erstellt. Das Ergebnis derselben ist, dass die überwiegende Mehrzahl der Veröffentlichungen saisonalen Zugbewegungen nicht ausreichend berücksichtigt. Zuletzt habe ich anhand der Avifauna Australiens die Vor- und Nachteile der Verwendung von Verbreitungskarten gegenüber Punktverbreitungsdaten zur Erfassung saisonaler geographischer Muster der Artenvielfalt bewertet. Damit bietet dieses Kapitel Rahmenempfehlungen für die Datenanforderungen und Methoden, die je nach Zugverhalten einer Art, und dem geographischen, bzw. zeitlichen Fokus einer Studie für eine optimale Nischenquantifizierung notwendig sind.
Im zweiten Kapitel untersuchte ich die saisonale Dynamik klimatischer Nischen von Zugvögeln. Dabei überprüfte ich die Hypothese, dass Zugvögel in ihrem Jahreszyklus durch die Zugbewegung eine gewisse Klimanische verfolgen. Zu diesem Zweck habe ich mit Brut- und Überwinterungsarealkarten saisonale Klima-nischen für 437 Zug- und Standvogelarten aus acht Kladen der Sperlingsvögel (Passeriformes) charakterisiert. Mit Ordinationsmethoden wurde dann der innerartliche saisonale Nischenüberlapp quantifiziert. Der Beweis für die Verfolgung einer klimatischen Nische in einer Art war von mehreren Faktoren, z.B. der geographischen Verortung des Brutareals und der Zugrichtung, abhängig. Dies lässt darauf schließen, dass sich die Ursachen für den Vogelzug sowohl geographisch als auch saisonal (d.h. abhängig von der Zugrichtung) unterscheiden.
Im dritten Kapitel untersuchte ich die evolutionäre Dynamik klimatischer Nischen in Steinschmätzern (Gattung Oenanthe), um explizit zu untersuchen ob es einen Zusammenhang zwischen den Raten klimatischer Nischen-evolution und den Veränderungen paläoklimatischer Bedingungen gibt. Methoden der Klimanischen-quantifizierung wurden mit datierten molekularen Phylogenien verknüpft, um die Raten klimatischer Nischen-evolution mit einem variablen Ratenmodell abzuschätzen. Paläoklimatische Umweltbedingungen wurden mit paläobiologischen Methoden aus dem Fossilbericht altweltlicher Säugetiere der vergangenen 20 Millionen Jahre erschlossen. Die Fallstudie konnte keinen Zusammenhang zwischen Nischenevolution und Umwelt-bedingungen feststellen. Dies legt nahe, dass Vögel als überaus mobile Organismen, auf Klimaveränderungen eher durch Arealverschiebungen reagieren, als durch eine Anpassung ihrer klimatischen Nische. Die Klimanischen der Steinschmätzer waren allerdings an sich nicht statisch, so dass andere Faktoren wie z.B. biologische Wechselbeziehungen für die Nischenevolution dieser Gattung verantwortlich sein müssen.
Meine Dissertation beleuchtet die zentrale Bedeutung zeitlicher Dynamiken für den Nischenraum, den Arten über ökologische (d.h. saisonale) und evolutionäre Zeiträume einnehmen. Aus ihr ergeben sich methodische Konsequenzen für zukünftige Studien klimatischer Nischen. Der Befund, dass die klimatischen Nischen von Zugvögeln nicht saisonal konstant sind, zeigt dass es für mobile Kladen wie Vögel notwendig ist die klimatischen Bedingungen über den gesamten Jahreszyklus und das gesamte Verbreitungsgebiet in Betracht zu nehmen, um die jeweiligen klimatischen Nischen voll charakterisieren zu können.
Über diese methodischen Innovationen hinaus, hat meine Arbeit auch wichtige theoretische und praktische Schlussfolgerungen produziert. Zum einen zeigt die Betrachtung saisonaler Klimanischen, dass Zugvögel entgegen gängiger Annahmen nicht denselben Umweltbedingungen in ihren Brut- und Überwinterungsarealen ausgesetzt sind. Zum anderen zeigt meine Betrachtung von Klimanischen über evolutionäre Zeiträume, dass die Nischenevolution nicht von klimatischen Bedingungen angetrieben wird. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse auf unterschiedlichen Zeitskalen, dass das Klima nicht der alleinige Faktor ist, der die Artverbreitung von Vögeln bestimmt. Während dieser Befund Raum für Optimismus schafft, was die Auswirkungen des aktuellen Klimawandels auf Vögel angeht, zeigt er auch auf, dass Faktoren wie wechselseitige Artbeziehungen und das Mobilitätspotential von Arten einen wichtigen Einfluss auf Artverbreitungen ausüben. Diese Faktoren könnten jedoch an sich vom Klimawandel beeinflusst sein, und Untersuchungen dieses Zusammenspiels zwischen Klima und anderen Faktoren und die daraus resultierenden Einflüsse auf Artareale bieten ein vielversprechendes Arbeitsfeld für zukünftige Studien.
Die vorliegende Dissertation mit dem Titel: Ecophysiological monitoring of Oaks in Central Europe, introduced in the framework of proactive climate change mitigation beschäftigt sich mit der Anwendung zerstörungsfreier, radiometrischer Methoden zur Bestimmung von Pigment- und Stickstoffkonzentrationen und der photosynthetischen Funktionalität in Blättern von heimischen und gebietsfremden Eichen und ihre Beeinflussung durch Trocken-, Hitze- und Kältestress.
Die Eichenarten Quercus robur L. (Stieleiche), Q. pubescens Willd. (Flaumeiche), Q. frainetto Ten. (Ungarische Eiche), Q. ilex L. (immergrüne Steineiche) und Q. rubra L. (amerikanische Roteiche) wurden im Frühjahr 2011 auf einer Versuchsfläche im Frankfurter Stadtwald gepflanzt, um ihre Nutzung als potentielle Waldbäume in einem sich ändernden Klima zu untersuchen. Über eine Dauer von zwei Jahren wurden diese Arten mit einem hohen Maß an blattspezifischer Merkmalsvariabilität beobachtet und beprobt. Ziel war es, die interspezifischen Unterschiede und die jahreszeitliche Dynamik von morphologischen und chemischen Blattmerkmalen sowie die Beeinflussung der radiometrischen Bestimmung des Chlorophyllgehaltes (und damit assoziierten Komponenten wie z.B. Blattstickstoffgehalt und Karotinoiden) und der photosynthetischen Funktionalität durch klimatische Umweltbelastungen in Eichen zu untersuchen. Die Analyse der Blattproben zielte neben der Bestimmung der Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Pigmentgehalten auf die Ermittlung des Einflusses der Blattstruktur auf die Lichttransmission im roten und infrarotem Bereich des Elektromagnetischen Spektrums ab, sowie auf die artspezifische Korrelation von Blattstickstoff zu Blattchlorophyll zu dessen indirekte Quantifizierung. Des Weiteren wurden Versuche zur Trocken- und Hitzestressanpassung durchgeführt, um eine potentiell artspezifische Stressantwort, sowie eine mögliche Beeinflussung der aufgenommenen radiometrischen Messwerte zu ermitteln. Ein zusätzliches Monitoringprogramm im Winter 2012/2013 mit einer Dauer von sechs Monaten ermöglichte die Überprüfung der Anpassungsfähigkeit der immergrünen Steineiche (Q. ilex) an mitteleuropäische Winterbedingungen und die Veränderung der photosynthetischen Funktionalität unter Kältestress. Messungen im Zusammenhang mit der praktischen Anwendbarkeit der zerstörungsfreien, optischen Methode und zur Bereitstellung von Referenzdaten für zukünftige Evaluierungen komplementieren die Untersuchungen.
Signifikante, artspezifische Unterschiede wurden in den blattmorphologischen Schlüsselmerkmalen in den Quercus-Arten ermittelt. Die artspezifischen Unterschiede in den morphologischen Blattmerkmalen beeinflussten auf signifikante Weise die Beziehung zwischen absoluten, massebasierten Pigment- und Stickstoffgehalten und deren radiometrischen Bestimmung. Wurden die Pigmentgehalte hingegen auf die Blattfläche bezogen und die Stickstoffgehalte mittels des Verhältnisses von Blattfläche zu Trockenmasse korrigiert, zeichnete sich eine Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Werten ab, der jegliche jahreszeitliche oder artspezifisch morphologische Variabilität fehlte und die somit für alle Quercus-taxa anwendbar ist. Koeffizienten für die Berechnung von flächenbezogenen Gehalten von Gesamtchlorophyll, Chl a, Chl b und Carotinoiden für die jeweiligen Quercus-taxa, wie auch für ein artübergreifendes Modell wurden ermittelt, um die Bestimmung dieser Gehalte während aller Entwicklungsstufen zu ermöglich. Aus der jahreszeitlichen Entwicklung der Pigmentgehalte konnten drei deutliche Phasen abgeleitet werden: Die Phase der Blattentwicklung im Frühling, einer Plateauphase mit geringen Veränderungen (“core vegetation time”) und die Phase des Pigmentabbaus während der Herbstlaubfärbung. Die Übergänge zwischen diesen Phasen variierten zum Teil erheblich zwischen einzelnen Individuen einer Art sowie zwischen den Arten, was Unterschiede in der potentiellen, jährlichen Kohlenstoffaufnahme nach sich zieht. Stressbedingungen, wie Hitze- Kälte- oder Trockenstress, können zu Veränderung von Fluoreszenzparametern ohne gleichzeitige Änderung des Pigmentgehaltes führen, wie auch die indirekte Bestimmung von mit Chl assoziierten Komponenten (Carotinoide, Chl a, Chl b) mittels optischer Bestimmung (durch die Veränderungen von Pigmentverhältnissen) beeinflussen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten, Modelle zur Berechnung von Blattpigmenten und Blattstickstoff aus optischem Messdaten, Veränderungen der photosynthetischen Funktionalität, sowie Referenzdaten für die zukünftig nutzbaren Eichenarten hinsichtlich artspezifischer und jahreszeitlicher Variabilität unter mitteleuropäischen Umweltbedingungen ermittelt werden, die eine Nutzung und Einordnung von zerstörungsfreien, optischen Messwerten zur Ermittlung von Vitalitätsunterschieden in Eichen ermöglichen.
Plastic pollution is a pervasive problem. In the environment, both the physical and chemical aspects of the material contribute to pollution. For instance, discarded plastic is useless waste that is fragmented upon degradation and so-called microplastics <5 mm are formed. Besides, the chemicals added into plastics are usually customized for specific functions, but these can easily transfer from the polymer into an ambient medium. This work examined both of these aspects. Moreover, the question of whether ecotoxicological effects are more likely to appear because of the microparticle properties or the chemicals transferring from the microplastics was addressed. A special focus was laid on the UV-weathering-induced chemical release.
First, conventional and biodegradable plastics made from fossil and bio-based resources were chosen. The different materials (pre-production and recycled pellets as well as final products)were weathered and their leachates evaluated in vitro. The leachates were analyzed with nontarget screening in order to measure the number of transferred chemicals. Plastics identified as toxic were subjected to further investigations in vivo. A biodegradable shampoo bottle was processed to microplastics and the particles’ physical and chemical properties were assessed with the freshwater worm Lumbriculus variegatus. Here, commonly used endpoints such as mortality, reproduction and weight were tested via different exposure routes. Moreover, the freshwater shrimp Neocaridina palmata was exposed to microplastic beads and fragments to clarify if the shape of the particles affects the ingestion and egestion, respectively. Thereafter, two materials that displayed the strongest toxic responses in vitro within the first study were weathered and leached. Finally, the shrimps were exposed to the leachates and the locomotor behavior was used as an ecologically relevant but less frequently studied endpoint.
The results of the studies highlight that plastics are chemically complex mixtures, containing a wide range of chemicals in terms of the number and functionality. These chemicals induced oxidative stress, baseline toxicity and endocrine activities. This shows that pellets represent a processing state that comprises chemically heterogenous materials. Moreover, it was shown that a degradation initiator is not necessarily relevant to trigger inherent substances to leach out from plastics. Despite this, the UV-weathering resulted in increasingly released chemicals and exacerbated the in vitro toxicities. Even plastics assessed as toxicologically harmless prior to weathering released toxic chemical mixtures once they were weathered. One recycled and all of the biodegradable plastics were toxicologically most concerning. This means that such materials are currently not better than conventional, virgin plastics in terms of their toxicity.
To clarify the source of the microplastic toxicity, L. variegatus was exposed to biodegradable microplastics. The particles were ingested by the worms and adversely affected the examined endpoints. In comparison, microplastics that were depleted from their chemicals via a solvent treatment were less toxic. Kaolin as a natural particle control was evaluated alongside and positively affected the weight of the worms. This emphasizes the ecological relevance of fine-sized matter for the test species. The chemicals extracted from the microplastics induced a 100% mortality. A chemical analysis of the material revealed two ecotoxicologically relevant biocides. The physically-mediated effects of the microplastics seemed to be less of a concern for the worms, which is probably linked to their adaptation to high concentrations of naturally occurring particles in the environment. However, the effects related to the chemicals of plastic cannot be ignored, especially for materials that are claimed to be environmentally friendly.
In the third study, the role of the particle shape in the gut passaging of N. palmata was studied. While the particle size was a determinant factor for the ingestion, the ingestion and egestion of the beads and fragments did not differ, respectively. The shrimps ingested less fragments when food was provided than in the absence of food. As for the worms, the shrimps are known to ingest many naturally occurring particles. Their unselective feeding behavior towards the particle shape could indicate that microplastics as a physical pollutant are negligible for the shrimps. That is why the chemicals of the two most toxic in vitro materials were tested with N. palmata. However, no trend towards elevated or reduced movements of the shrimps was observed, even though the leachates contained baseline toxicants. This shows that the in vitro toxicities of plastics are not necessarily indicative for effects to occur at the in vivo level...
Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals.
Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses.
Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots.
Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments.
Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model.
In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.
The European Community has set a milestone in the European water policy in 2000: all water directives and policies were united into one comprehensive document – the European Water Framework Directive (EU WFD). The EU WFD requires the monitoring of 45 priority substances, primarily in the water phase, which is not related to a substantial amount of chemicals available on the market worldwide (about 50,000). About 60% of these are human and environmentally toxic. Hence, the currently monitored 45 priority substances are not even close to being sufficient to provide a comprehensive picture of the actual chemical pollution in the aquatic environment.
Furthermore, the EU WFD in its original shape paid less attention to sediments as an important source and sink for chemical contamination. Under stable hydrological conditions, polluted old sediments are covered by less polluted younger sediments preventing erosion of deeper sediment layers and, therefore, the release of particle-bound contaminants. However, urbanization, deforestation, flooding, dredging, riverbed renaturation, and stormwater overflow basin releases can lead to an unpredictable release of particle-bound pollutants. Therefore, in 2008, sediments were added to the EU WFD as a monitoring matrix for substances that tend to accumulate there. As a result, after 18 years of the EU WFD, less than half of all European waterbodies reached a good ecological (40%) and chemical (38%) status.
One of the primary pollution sources in aquatic ecosystems are wastewater treatment plants (WWTPs). Advanced wastewater treatment by ozonation is promising to remove most micropollutants. However, the knowledge about the possible improvement of the receiving waterbody is rare. The latter aspects were the main reasons for the start of the DemO3AC project in 2014. The study area was located in the federal state of North Rhine-Westphalia (Germany). The study area included the Wurm River and its tributary, the Haarbach River. Both waterbodies act as receiving waterbodies for WWTPs. One of them is the Aachen-Soers WWTP (receiving waterbody: Wurm River), upgraded by full stream ozonation as an advanced effluent treatment. Therefore, the extensive investigation program within the DemO3AC project included an investigation of the ecological and chemical status of both receiving waterbodies and the investigation of a possible improvement of the Wurm River after implementing advanced effluent treatment.
The current study was a part of the DemO3AC project and covered the sediment toxicity and a possible impact of the ozonation on aquatic organisms in the receiving waterbody. Time-resolved sampling campaigns allowed investigations under different hydrological conditions, mainly determined by the weather. The first sampling campaign took place in June 2017 during a prolonged dry period with low water flow in the receiving waterbodies. The second sampling campaign was performed exactly one year later (June 2018) after a long rainy period and corresponding high-water levels. Full-stream ozonation at the Aachen-Soers WWTP had been in operation for half a year. Furthermore, a wide range of organic micropollutants was investigated in the effluent of the studied WWTPs to assess a possible hazard emerging from contaminants released into the receiving waterbody.
The study design was developed based on the holistic approach to assessing the ecotoxicological pollution of surface waterbodies. It included the detection of chemical compounds combined with effect-based methods to identify possible drivers of toxicity. The sediment's ecotoxicological assessment included studies on endocrine-disrupting activity, genotoxic and embryotoxic potentials. These endpoints were evaluated using in vitro and in vivo bioassays. In addition, sediments’ chemical profiling was performed using modern analytical chemistry techniques.
The genotoxic potential was investigated using the Ames fluctuation assay with Salmonella typhimurium bacterial strains TA98, TA100, YG1041, and YG1042, sensitive to different classes of compounds, and the Micronucleus assay as a eukaryotic assay with mammalian cells. A unique feature of the present study was the implementation of non-standard Salmonella typhimurium bacterial strains YG1041 and YG1042 in the Ames fluctuation assay. Moreover, a comprehensive genotoxicity ranking of chemical compounds identified in sediments was used and combined with statistical analysis to identify the drivers of genotoxicity. The results of this study were published in Shuliakevich et al. (2022a) (see also Annex 1), describing the mutagenic potential of all sampling sites, which was primarily driven by polycyclic aromatic hydrocarbons, nitroarenes, aromatic amines, and polycyclic heteroarenes. In addition, the rainwater overflow basin was identified as a significant source for particle-bound pollutants from untreated wastewater, suggesting its role as a possible source of genotoxic potential. The present study showed high sensitivity and applicability of non-standard Salmonella typhimurium bacterial strains YG1041 and YG1042 in the Ames fluctuation assay to assess the different classes of mutagenic compounds. A combination of effect-based methods and a chemical analysis was shown as a suitable tool for a genotoxic assessment of freshwater sediments.
The sediments' endocrine-disruptive activity was investigated using the cell-based reporter gene CALUX® assay. A simultaneous launch of the full-scale effluent ozonation at the Aachen-Soers WWTP was used for investigation of the entrance of the ozonated effluent into the Wurm River and the endocrine-disrupting activity in the water phase. A particular focus of the present study was the unique investigation of PAHs as possible drivers of the endocrine-disrupting activity in sediments of the Wurm River. The results of this study were laid down in the publication by Shuliakevich et al. (2022b) (see also Annex 2), describing variations in endocrine-disrupting activity in the Wurm River under different weather conditions. Briefly, under stable hydrological conditions in June 2017, the estrogenic and the antiandrogenic activities in sediments of the Wurm River were within the range of 0.03-0.1 ng E2 equivalents (eq.)/g dry weight sediment equivalents (dw SEQ) and 3.0-13.9 µg Flu eq./g dw SEQ, respectively. After extensive rain events in June 2018, the sediments' estrogenic and antiandrogenic activities were detected within the range of 0.06-0.2 ng E2 eq./g dw SEQ and 1.7-39.2 µg Flu eq./g de SEQ, respectively. Increased endocrine-disruptive activity (up to 0.2 ng E2 eq./g dw SEQ in ERα- and 39.2 µg Flu eq./g dw SEQ in anti-AR-CALUX® assays) in sediments downstream of the rainwater overflow basin suggested it as a possible source of pollution. A unique result of the second study was finding a positive correlation between measured particle-bound antiandrogenic activity and detected polyaromatic hydrocarbons (PAHs) ...
Biodiversity is threatened worldwide because of ongoing habitat loss and fragmentation, overexploitation, pollution, biological invasions and a changing global climate. Due to the major importance of biological diversity for modern human living, efficient conservation and management strategies are required to protect endangered habitats and species. For this purpose, ambitious multilateral agreements on regional and global scale were declared to prevent biodiversity loss.
Efficient biomonitoring methods are required to adequately implement these biodiversity conventions. Species monitoring as a core activity in biodiversity research is an effective tool to assess the status of species and trends within habitats. Data collection can be obtained with visual, electronic or genetic surveys. Still, these monitoring programs can be expensive, laborious and inefficient for accurate species assessments. New techniques based on environmental DNA (eDNA) allows for the detection of DNA traces in environmental samples (soil, sediment, water and air samples) and open up new possibilities for species monitoring. The eDNA methodology enables detection of single species in a qualitative (presence/absence) or (semi-) quantitative way. eDNA metabarcoding approaches can be an effective community structure assessment method.
This thesis, located at the interface between experimental and applied research, illustrates the suitability of the eDNA methodology in applied biomonitoring using the example of the water-borne crayfish plague pathogen Aphanomyces astaci (Schikora 1906). The obtained results provide new insights into A. astaci sporulation dynamics in natural water courses. A. astaci sporulation is influenced by seasonal variation of water temperatures and life history traits (molting, activity, mating) of infected crayfish. The results also imply a high transmission risk of A. astaci spores during the complete year. This thesis compares two eDNA methods, which are successfully and consistently detecting A. astaci spores. Each approach is suitable for different biomonitoring tasks due to the method-specific requirements. The obtained results also reveal spatial variation in A. astaci occurance in the tested water bodies. A. astaci spore estimates are positively correlated with population density and pathogen loads of captured A. astaci- positive crayfish. eDNA results show a downstream zoospore transport of up to three kilometres distance from a distribution hot spot area of A. astaci-infected crayfish. The eDNA methodology is helpful in gaining reliable information on A. astaci occurrence in large water bodies. This information is urgently needed to initiate efficient management decisions for the conservation of European crayfish species.
eDNA-based methods such as for A. astaci detection are a useful complement for conventional monitoring and should have a strong impact on conservation policy. eDNA methodology will be helpful for the practical implementation of the main aims of key conservation agreements and thus will make important contributions to biodiversity protection.
Angesichts heutiger Umweltprobleme ist die Stärkung positiver Mensch-Natur-Beziehungen wichtiger denn je. Zeitgenössische Umweltbildung zielt darauf ab, Motivation und Einstellungen zu fördern sowie eine grundlegende Wissensbasis zu schaffen (IUCN, UNEP, & WWF, 1991; Potter, 2010), um einen selbstbestimmten, verantwortungsvollen Umgang mit der Natur zu ermöglichen. Positiver Naturbezug und Umwelteinstellungen gelten als Basis für aktiven Umweltschutz. Direkte Naturerfahrungen gelten dabei als didaktische Möglichkeit, die Motivation für Umweltschutz zu festigen (Kaiser, Roczen, & Bogner, 2008). Einstellungen verändern sich im Laufe des Lebens und so kann das Alter eine wichtige Rolle bezüglich der Effektivität von Umweltbildungsprogrammen spielen (Ernst & Theimer, 2011). Auch Umweltwissen gilt als Grundlage von Umwelthandeln. Denn sinnliche Erfahrungen allein führen nicht zum Verständnis ökologischer Zusammenhänge (Frick, Kaiser, & Wilson, 2004; Liefländer, Bogner, Kibbe, & Kaiser, 2015). Die biologiedidaktische Forschung sieht Fakten-, Handlungs- und Effektivitäts-wissen als zentral für die Genese von Umwelthandeln (Frick, Kaiser, & Wilson, 2004). Isoliertes Fachwissen wiederum führt nach aktueller Erkenntnis auch nicht zur Entwicklung von Haltungen und Wertvorstellungen, welche unser Handeln beeinflussen (Barr, 2003; Finger, 2010; Leiserowitz, Kates, & Parris, 2005).
Bis heute sind altersbasierte Unterschiede bei Schülerinnen und Schülern bezüglich ihrer Naturverbundenheit und Umwelteinstellungen nicht hinreichend untersucht. Auch ist die nötige Dauer der Naturerfahrungen noch nicht nachgewiesen. Es gibt bislang keine Studie, die Umwelteinstellungen, -wissen und –handeln von Kindern verschiedener Regionen der Erde untersucht und Daten auf internationaler Ebene erhoben und ausgewertet hat. Die gezielte Integration der drei Umweltwissensarten in ein solch globales Umweltbildungsprojekt stellt eine zusätzliche bislang nicht angegangene Aufgabe dar. Die vorliegende Arbeit schließt diese Forschungslücken, indem sie auf internationaler Ebene jene Variablen mit einbezieht, die einen nahezu vollständigen Eindruck der Effektivität von Umweltbildung in verschiedenen Regionen, Sozialisationen und Altersklassen zulässt. So wird der Einfluss eines umfassenden Umweltbildungsprogramms auf Naturverbundenheit, Umwelteinstellungen und -wissen der verschiedenen Typen untersucht und ein Bezug zur eventuellen Veränderung des Umwelthandelns hergestellt. Dabei stehen sowohl traditionelle als noch unerforschte mögliche Einflussfaktoren im Fokus. Die Studie umfasst insgesamt 1454 Schülerinnen und Schüler aus Bangladesch, Malaysia, Deutschland und Singapur, die alle an dem Umweltbildungsprojekt „Global denken, lokal handeln – wir schützen unsere Umwelt!“ bzw. “Think global, act local – we protect our environment!“ teilgenommen haben.
Zur Messung der Naturverbundenheit diente Schulz’ INS-Skala (Inclusion of Nature in Self) (2002). Umwelteinstellungen wurden mit dem 2-MEV-Modell (Two Major Environmental Values) gemessen (Johnson & Manoli, 2011). Eine Skala zur Erhebung von Umweltwissen wurde eigens erstellt und hinsichtlich der drei Wissenstypen nochmals modelliert. Eine Skala zur Ermittlung von Umwelthandeln wurde auf Grundlage von Bögeholz (1999) erstellt. Alle Skalen waren Teil eines Fragebogens, welcher in Form eines Pre-, Post- und Follow-up-Test eingesetzt wurde. Kinder aus Parallelklassen, die nicht am Projekt teilnahmen, aber Klassenunterricht zu den jeweiligen Themen erhielten, dienten als Kontrollgruppen.
Die Ergebnisse bestätigen einen positiven Effekt außerschulischer Umweltbildung bezüglich der Entwicklung der untersuchten Variablen. So wurde nach der Teilnahme am eintägigen und auch nach dem fünftägigen Umweltbildungsprogramm eine signifikante Verstärkung des Naturbezugs gemessen, wohingegen die Kontrollgruppen keine messbare Veränderung zeigten. Jedoch nur die fünftägige Intervention führte auch zu nachhaltigen Veränderungen. Hierbei am stärksten beeinflusst wurden Kinder zwischen sieben und neun Jahren.
Bei der Untersuchung demographischer Einflussfaktoren auf Umwelteinstellung, -wissen und –handeln stellten sich das Wohnsitzland sowie die städtische bzw. ländliche Prägung der Wohngegend als entscheidend heraus. So waren dies die einflussreichsten Determinanten zur Vorhersage des Grundvorhandenseins sowie Veränderungen der untersuchten Variablen in Folge der Bildungsmaßnahme. Einzig bei der Entwicklung des Umwelthandelns schien die direkte Naturerfahrung unwesentlich, zeigten die Kontrollgruppen ähnlichen Wandel in ihrem aktiven Einsatz für die Umwelt. Im internationalen Vergleich scheint die komplexe Verkettung diverser einflussnehmender Faktoren, wie der Wohlstand des jeweiligen Staates, das generelle politische System sowie spezifische bildungspolitische Begebenheiten, den Erfolg von Umweltbildungsprogrammen mit zu bestimmen.
Die Daten zeigen, dass Faktenwissen Grundlage für Handlungs- und Effektivitätswissen ist. Alle Dimensionen wurden durch die Intervention signifikant gesteigert. Effektivitätswissen wuchs am stärksten. Auch das Umweltverhalten wurde positiv verstärkt. Jedoch ließen sich nur schwache Korrelationen zwischen den einzelnen Wissenstypen und Handeln feststellen. Zusammenfassend war das durchgeführte Bildungsprojekt erfolgreich in der Förderung von Naturverbundenheit sowie Umwelteinstellungen, -wissen und- handeln. Die Ergebnisse werden im Rahmen dieser Arbeit im Hinblick auf ihre Bedeutung für die schulische Umweltbildung sowie die didaktische Forschung erörtert.
Eine qualitative und quantitative Studie zum Einsatz der virtuellen Mikroskopie in der Schule
(2019)
Das Mikroskop stellt in der Alltagswelt ein Sinnbild für naturwissenschaftliches Arbeiten dar (Coleman 2009, Paulsen 2010). Im Bereich der Lehre eröffnet dieses Laborgerät das Eintauchen in die mikroskopische Dimension und besitzt eine wesentliche Rolle bei der damit verbundenen Erkenntnisgewinnung, insbesondere von funktionsmorphologischen Konzepten (Gropengießer & Kattmann 2008, Kremer 2002). Jedoch wird die Durchführung der klassischen Mikroskopie und damit die aktive Auseinandersetzung mit mikroskopischen Präparaten im schulischen (Biologie-)Unterricht durch verschiedene Faktoren erschwert. Zu den Limitierungen gehören beispielsweise die Verfügbarkeit geeigneter Mikroskope und Dauerpräparate, die aufwendige Vor- und Nachbereitungszeit sowie der zeitliche Aufwand bei der Herstellung hochwertiger mikroskopischer Frischpräparate. Die virtuelle Mikroskopie könnte diese Schwierigkeiten umgehen. Das virtuelle Mikroskop kann als eine Simulation verstanden werden, bei der die bildanalytischen Vorgehensweisen bei mikroskopischen Präparaten analog zur klassischen Mikroskopie nachvollzogen werden können (Gu & Oglivie 2005, Hentschel 2009). Hierbei umfasst das virtuelle Mikroskop ein Akquisitionssystem zum Einscannen und Digitalisieren mikroskopischer Präparate, einen Server zum Speichern und Bereitstellen der entstandenen virtuellen hochauflösenden Aufnahmen (WSI) sowie eine Bildbetrachtungssoftware auf einem Anwendungsrechner (Kalinski et al. 2006). Basierend auf einer Nutzerbefragung wurde eine Betrachtungssoftware programmiert, die hinsicht¬lich ihrer Benutzerfreundlichkeit und ihren Eigenschaften auf den schulischen Einsatz angepasst wurde. Um die Relevanz in diesem Anwendungsfeld zu testen, wurden die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit sowohl im Schülerlabor Goethe BioLab als auch in der universitären Lehre der Abteilung für Didaktik der Biowissen¬schaften der Goethe–Universität Frankfurt am Main durchgeführt. Der Schülerlabortag „Blut und das virtuelle Mikroskop“ wurde entwickelt, um die computerbasierte virtuelle Mikroskopie mit Schülern ergänzend zur klassischen Mikroskopie in einem fachlichen Kontext anzuwenden und zu erforschen.
Beruhend auf der Vergleichbarkeit beider Mikroskopiemethoden (Paulsen et al. 2010) lagen die Forschungsschwerpunkte neben der Nutzung der Software durch Schülerinnen und Schülern auf einer gegenüberstellenden Beurteilung beider mikroskopischer Verfahren von Schülern und Lehramtsstudierenden. Es wurden in diesem Zusammenhang drei zentrale Forschungsfragen formuliert.
Die erste Forschungsfrage untersucht das Nutzerverhalten der Schüler (n = 123) bei der virtuellen Mikroskopie mittels automatisch generierter Datensätze während der Anwendung der Bildbetrachtungssoftware. Die Analyse der Anwendungsdaten zeigt, dass das mikroskopische Sehen, insbesondere das Fokussieren auf relevante Bildbereiche, im virtuellen Humanblutausstrich angewandt wurde.
Die zweite Forschungsfrage untersuchte das aktuelle Interesses bei Schülern (n = 293) im direkten Vergleich zwischen virtueller und klassischer Mikroskopie. Dabei wurde das aktuelle Interesse aufgrund des engen Zusammenhangs zum Lernen (vgl. Krapp 1992a) als Indikator der Lernwirksamkeit gewählt. Die Erhebung erfolgte mittels eines Fragebogens. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass der Einsatz beider mikroskopischer Verfahren das aktuelle Interesse fördert, das emotionale und das wertbezogene Merkmal sich jedoch zugunsten der klassischen Mikroskopie signifikant unterscheiden.
Im Rahmen der dritten Forschungsfrage erfolgte eine Beurteilung der Vorteile virtueller Mikroskopie gegenüber der klassischen Mikroskopie von Schülern (n = 504) sowie Lehramtsstudierenden (n = 247). Hierbei diente ebenfalls ein Fragebogen als Grundlage der Erhebung. Die Auswertung zeigt, dass sowohl die Schüler als auch die Studierenden die Vorteile der virtuellen Mikroskopie klar erkennen. Es liegen jedoch signifikante Unterschiede zwischen den Versuchsgruppen vor. Die Schüler bewerten die Vorteile betreffend der Förderung von Lernprozessen, des Erkennens von Strukturen und des mikroskopischen Zeichnens höher.
Zusammenfassend bestärken die Ergebnisse dieser Studie die Ansicht, dass das virtuelle Mikroskop nicht als Ersatz, sondern als sinnvolle Ergänzung zu der klassischen Lichtmikroskopie angesehen werden sollte (Bloodgood et al. 2006, Berg et al. 2016, Braun & Kearns 2008, Hufnagl et al. 2012, Mione et al. 2013, Santiago 2018, Scoville & Buskirk 2007). Dabei sollte die vorliegende Arbeit als Einstieg verstanden werden, um bestehende Forschungslücken zu verkleinern, damit ein Transfer der virtuellen Mikroskopie in den schulischen Kontext möglichst lernwirksam erfolgen kann.
Die Endometriose ist eine gynäkologische Erkrankung, bei der epitheliale und stromale Zellen des Endometriums Läsionen außerhalb des Uterus bilden, die in ihrem Aufbau dem Endometrium gleichen. Diese Läsionen, sowie deren zyklische Proliferation, führen zu Schmerzen bei betroffenen Frauen. In isolierten, invasiven Epithelzellen (EEC145T) einer Endometriose-Läsion konnte die Expression von Shrew-1 gezeigt werden. Auch in anderen zellulären Zusammenhängen fördert die Expression von Shrew-1 den invasiven Phänotyp. Shrew-1 ist ein Transmembranprotein, das in Epithelzellen mit den Adhärenzverbindungen assoziiert ist und Interaktionen mit β-Catenin und E-Cadherin eingeht. In MCF7-Zellen fördert die Expression von Shrew-1 die EGF-induzierte Internalisierung von E-Cadherin, welche zur Verminderung der Zell-Zell-Adhäsion führt. In 12Z- und HT1080-Zellen konnte eine Interaktion mit CD147 gezeigt werden. CD147 fördert die Aktivität von MMPs und in Shrew-1-überexprimierenden HT1080-Zellen konnte eine erhöhte Aktivität der MMP9 gezeigt werden. Shrew-1 wirkt somit auf die Invasivität von Zellen und ist gleichzeitig Teil der Adhärenzverbindung. Aus diesem Grund wird Shrew-1 eine modulatorische Rolle in diesem Kontext zugeschrieben.
In immunhistologischen Färbungen von Shrew-1 und E-Cadherin konnte in Adenomyose-Läsionen eine inverse Expression der beiden Proteine in einigen epithelialen Zellen gezeigt werden, die im Endometrium nicht detektiert werden konnten. In den epithelialen Endometriose-Zelllinien 12Z und 49Z, die kein E-Cadherin exprimieren und äquivalent zu der Zelllinie EEC145T sind, führte die Herunterregulation von Shrew-1 (Shrew-1 KD) zur Reexpression von E-Cadherin. E-Cadherin ist in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen an der Plasmamembran lokalisiert und interagiert mit β-Catenin, wodurch seine Assoziation mit den Adhärenzverbindungen wahrscheinlich ist. Die Herunterregulation von Shrew-1 führt zu einer verminderten Motilität und Invasivität der 12Z-Zellen, wobei die reduzierte Invasivität nicht alleine auf die Reexpression von E-Cadherin zurückgeführt werden kann. Es ist zu vermuten, dass das verminderte invasive Verhalten mit der ausbleibenden Interaktion von Shrew-1 mit CD147 zusammenhängt, welches die Aktivität von MMPs fördert.
Da Shrew-1 eine direkte Interaktion mit β-Catenin eingehen kann, ist es möglich, dass die Herunterregulation von Shrew-1 zu Veränderungen in der Lokalisation von β-Catenin und weiteren Proteinen, die mit den Adhärenzverbindungen assoziiert sind (p120 Catenin und Aktin), führen. Dies konnte jedoch nicht beobachtet werden. Eine verstärkte Lokalisation von Vinculin an den Enden von Aktin-Stressfasern sowohl in Zellausstülpungen als auch an Zell-Zell-Kontakten konnte in 12Z-Zellen nach der Herunterregulation von Shrew-1 beobachtet werden. Dies könnte eine Folge der E-Cadherin-Reexpression oder entscheidend für die Lokalisation von E-Cadherin an der Membran sein.
Die Reexpression von E-Cadherin, die in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen auf mRNA- und Protein-Ebene nachgewiesen werden kann, erfolgt in den 12Z-Zellen vermutlich hauptsächlich über Veränderungen von Histon-Acetylierungen, da die Behandlung mit dem HDAC-Inhibitor TSA die Expression von E-Cadherin in den 12Z-Zellen induziert. Eine verstärkte H3K9-Acetylierung am CDH1-Promotor konnte in ChIP-Analysen in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen gezeigt werden. Die gesteigerte Acetylierung resultiert vermutlich aus der verminderten Assoziation von HDAC1 und HDAC2 mit dem CDH1-Promotor in diesen Zellen. Eine Beteiligung der Repressoren Snail, Slug, Twist und ZEB1 an der Reexpression von E-Cadherin in den 12Z Shrew-1 KD-Zellen konnte nicht gezeigt werden. Ebenso scheinen Veränderungen am Methylierungsstatus des CDH1-Promotors nach der Herunterregulation von Shrew-1 nicht zu erfolgen.
TSA induziert auch in weiteren epithelialen Endometriose-Zelllinien (10Z und 49Z) die Expression von E-Cadherin. In stromalen Zellen führt hingegen weder TSA noch die Herunterregulation von Shrew-1 zur Expression von E-Cadherin (17B, 18B und 22B). Dies weist darauf hin, dass die Herunterregulation von Shrew-1 über die Veränderungen von Histon-Acetylierungen wirkt und dass dieser Mechanismus in epithelialen Endometriose-Zellen entscheidend ist. In den stromalen Zellen muss die Expression von E-Cadherin über einen anderen und/oder weitere Mechanismen blockiert sein.
Auch der Wnt-Signalweg scheint an der Reexpression von E-Cadherin in 12Z-Zellen beteiligt zu sein. Die Inhibierung der GSK3β (LiCl und SB216763) führt zur Expression von geringen Mengen an E-Cadherin. In 12Z Shrew-1 KD-Zellen führt die Stabilisierung von Axin (XAV939) zur verminderten Expression von E-Cadherin. Dies lässt darauf schließen, dass Shrew-1 auch einen Einfluss auf den Wnt-Signalweg hat, was vor allem durch dessen Interaktion mit β-Catenin wahrscheinlich ist.
Im Kindes- und Jugendalter gehoert das Rhabdomyosarkom zu den haeufigsten Weichteilsarkomen. Bisher belaeuft sich das Therapieverfahren auf chirurgische Entfernung, gefolgt von Chemotherapie, bzw. bei nicht-operablen Faellen auf Radiotherapie und Chemotherapie, jedoch haben sich die Ueberlebenschancen fuer Patienten mit einer Erkrankung in metastasiertem oder rezidiviertem Stadium trotz intensiver Forschung ueber mehrere Jahrzehnte hinweg kaum gebessert und bleiben bei unter 30%. Neue therapeutische Strategien versuchen das Immunsystem des Patienten zu modulieren und dieses gezielter oder aggressiver gegen Tumorzellen zu machen. Nebst direkter Injektion von Zytokinen oder Antikoerpern bietet die adoptive Immunzelltherapie einen vielversprechenden Ansatz. In der vorliegenden Arbeit lag der Fokus auf Natuerlichen Killer- (NK) Zellen, da diese ein hohes zytotoxisches Potential gegenueber Tumorzellen aufweisen. Eine der groessten Herausforderungen der NK-Zellforschung ist die Breitstellung ausreichender Mengen an NK-Zellen mit optimaler antitumoraler Funktion fuer den klinischen Einsatz. Viele aktuell erprobte NK-Zellexpansionsstrategien basieren auf der Verwendung von Hilfs- oder Feeder-Zellen (Versorgerzellen), die jedoch vor der Applikation in Patienten aus dem finalen Produkt entfernt werden muessen. In der vorliegenden Arbeit sollten Feeder-zellfreie NK-Zellexpansionsprotokolle unter Verwendung von Gammakettenzytokinen getestet werden.
Interleukin (IL-) 15 erwies sich dabei vor allem fuer die Vermehrung der NK-Zellen als besonders foerderlich. Im Vergleich dazu fielen die Expansionsraten mit IL-2 oder IL-21 geringer aus. Interessanterweise wurde der expansionsfoerdernde Effekt von IL-15 durch dauerhafte Anwesenheit von IL-21 im Kulturmedium gehemmt. Ein kurzer, dreitaegiger IL-21-Boost am Ende der Expansionsphase wirkte sich wiederum positiv auf die NK-Zellexpansionsraten aus. Zudem zeigte sich durch IL-21 ein vermehrtes Auftreten von NK-Zellen des reiferen CD16posCD56dim Phaenotyps, der die zytotoxische Funktion vermittelt. Bei Degranulationsuntersuchungen wurden eine IL-21-induzierte Exozytoseaktivitaet und die vermehrte Ausschuettung von Perforin und Granzym B, welche Apoptose in den Zielzellen ausloesen, beobachtet. Vor allem der dreitaegige Boost mit IL-21 bewirkte eine gesteigerte Zytotoxizitaet gegenueber Tumorzellen, insbesondere gegenueber Rhabdomyosarkomzellen.
Auf dieser Grundlage bot es sich an fuer die NK-Zellexpansion ein Zwei-Phasen-Protokoll anzuwenden, bestehend aus einer initialen Proliferationsphase mit IL-15 und einem anschliessendem IL-21-Boost, durch den die antitumorale Funktionalitaet der NK-Zellen gesteigert wurde. Dieses IL-15+21boost-Protokoll wurde mit anderen Kombinationen aus den Gammakettenzytokinen IL-2, IL-15 und IL-21 verglichen und stellte sich hinsichtlich der NK-Zellexpansionsraten, der Degranulationskapazitaet und der damit verbundenen Zytotoxizitaet als den anderen Protokollen ueberlegen heraus.
Zytokinexpandierte NK-Zellen zeigten eine hoehere Rezeptorexpression an ihren Oberflaechen als unstimulierte Zellen. Die Expansion mit dem IL-15+21boost-Protokoll bewirkte die hoechste Dichte des Todesrezeptors TRAIL, jedoch auch der inhibitorischen KIR2D-Rezeptorfamilie. Fuer andere Oberflaechenmarker ergab sich jeweils eine mittlere Expressionsdichte verglichen mit dem IL-15- bzw. dem IL-15+21-Expansionsprotokoll. Die Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen wie Interferon-gamma (IFN-g) und Tumor-Nekrose-Faktor-alpha (TNF-a) wurde zudem verstaerkt durch IL-21 angeregt, aber ebenso die Sekretion des immunsupprimierenden IL-10.
Weiter wurden die zytoinexpandierten NK-Zellen zur UEberpruefung ihrer in vivo Funktionalitaet anhand eines praeklinischen Xenograftmodells unter Verwendung von NOD SCID IL-2-Rgamma-/- (NSG) Maeusen und der Technologie der in-vivo-Biolumineszenzbildgebung getestet. Dabei konnte beobachtet werden, dass die NK-Zellen das Wachstum luciferaseexprimierender humaner Rhabdomyosarkome verlangsamten. Die Wirksamkeit der IL-15+21boost-expandierten NK-Zellen zeigte sich vor allem in einem kombinierten Ansatz, bei dem die Tumore zunaechst mit ionisierender Strahlung behandelt wurden und residuale Rhabdomyosarkomzellen anschliessend durch den adoptiven Transfer von humanen NK-Zellen in ihrem Wachstum gehemmt waren, solange die NK-Zelltherapie andauerte. Somit stellte sich die Kombination aus Bestrahlung und NK-Zelltransfer als wirksamer im Einsatz gegen Rhabdomyosarkome heraus als die alleinige Behandlung der Tumore durch Radiotherapie.
Zusammengefasst konnte in dieser Arbeit ein NK-Zellexpansionsprotokoll entwickelt werden, dass durch den ausschliesslichen Einsatz von Gammakettenzytokinen zu einem funktionalen NK-Zellprodukt fuehrte, welches auch in vivo lytische Aktivitaet gegenueber Rhabdomyosarkomzellen aufwies.
Hämophilie A ist eine X-chromosomal rezessiv vererbte Krankheit, die aufgrund von Mutationen innerhalb des Gens von Gerinnungsfaktor VIII (FVIII) zum funktionellen Defekt oder zum Fehlen des körpereigenen FVIII führt. FVIII zirkuliert als Heterodimer und besteht aus einer schweren Kette mit der Domänenstruktur A1-A2-B und einer leichten Kette mit der Domänenstruktur A3-C1-C2. Bei Patienten unter Prophylaxe wird durch regelmäßige Substitution mit rekombinanten oder aus Plasma gewonnenen FVIII-Präparaten die Hämostase wiederhergestellt. Allerdings entwickeln hierbei etwa 30% der Patienten mit einer schweren Hämophilie eine FVIII-spezifische Immunantwort in Form von neutralisierenden Antikörpern (Inhibitoren). Die sogenannte Immuntoleranz-Therapie (engl. immune tolerance induction therapy, ITI) ist bisher die einzige etablierte Therapie, die zu einer dauerhaften Eradikation der FVIII-Inhibitoren und Induktion von Toleranz gegenüber FVIII führen kann. Die Therapie beruht auf einer meist täglichen Gabe hoher FVIII-Dosen, welche sich, je nach Behandlungsdauer, über Wochen bis hin zu Jahren erstrecken kann. Bei etwa 30% der Patienten ist diese Therapie nicht erfolgreich. Für solche Patienten besteht die Gefahr lebensbedrohlicher, unkontrollierbarer Blutungen und erheblicher Gelenkschäden.
Die spezifische Ansteuerung des Membran-gebundenen Immunglobulin G (mIg) des B-Zellrezeptors (BZR) mithilfe von Immuntoxinen ist eine mögliche Option zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen und somit zur Eradikation von FVIII-Inhibitoren. Solche Immuntoxine bestehen aus einer zellbindenden und einer zytotoxischen Domäne, welche nach Internalisierung zur Apoptose der Zielzelle führen soll. Da FVIII aufgrund der Größe als zellbindende Domäne ungeeignet ist, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Evaluierung alternativer Immuntoxine zur selektiven Eliminierung FVIII-spezifischer B-Zellen. Die FVIII-spezifische Immunantwort ist zwar polyklonal, jedoch vor allem gegen A2- und die C2-Domäne gerichtet. Aus diesem Grund wurden die humane A2- und C2-Domäne (hA2, hC2) als zellbindende Domäne verwendet und jeweils genetisch an eine verkürzte Version des Exotoxin A (ETA) aus Pseudomonas aeruginosa fusioniert, bei welcher die natürliche zellbindende Domäne entfernt wurde. Die rekombinanten Proteine wurden bakteriell produziert und im Anschluss an die Aufreinigung biochemisch charakterisiert. Während das bakterielle Expressionssystem für hA2-ETA nicht geeignet war, konnte hC2-ETA neben weiteren Kontrollproteinen mit korrekter Konformation der hC2-Domäne hergestellt und aufgereinigt werden.
Die Fähigkeit zur selektiven Eliminierung hC2-spezifischer B-Zellen wurde im weiteren Verlauf sowohl in vitro mithilfe einer hC2-spezifischen Hybridomazelllinie als auch ex vivo und in vivo mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen untersucht.
Durch Inkubation der hC2-spezifischen Hybridomazelllinie mit hC2-ETA konnten ca. 38 % der Zellen eliminiert werden. Weitere Untersuchungen der Zelllinie ergaben, dass diese keinen vollständigen funktionalen B-Zellrezeptor auf der Oberfläche exprimierte, welcher für die Bindung und die korrekte Internalisierung des Immuntoxins notwendig ist. Aufgrund dessen eignet sich diese Zelllinie nicht als Modell für eine genauere Analyse der in vitro Eliminierungseffizienz von hC2-ETA.
Weitere Analysen mithilfe von Splenozyten aus FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen haben jedoch gezeigt, dass durch ex vivo Inkubation der Splenozyten mit hC2-ETA, alle hC2-spezifischen B-Zellen vollständig, selektiv und konzentrations-abhängig eliminiert werden konnten. Auch die mehrfache Applikation von hC2-ETA in FVIII-immunisierten FVIII-knockout Mäusen führte bei der Hälfte der Tiere zur vollständigen Eliminierung aller hC2-spezifischen B-Zellen. Eine Reduktion des hC2-spezifischen Antikörpersignals konnte nach Gabe von hC2-ETA in allen behandelten Tieren beobachtet werden. Die unvollständige Eliminierung in der Hälfte der Tiere ist vermutlich auf die Präsenz hC2-spezifischer Antikörper zurückzuführen, die einen Teil des applizierten Immuntoxins neutralisiert haben, sodass nicht alle hC2-spezifischen Gedächtnis-B-Zellen erreicht und eliminiert werden konnten. Um die Eliminierungseffizienz von hC2-ETA weiter zu erhöhen, müsste das Behandlungsprotokoll geändert werden. Sowohl eine Verlängerung des Behandlungszeitraums als auch eine kombinierte Therapie aus FVIII und hC2-ETA sollte zu einer erhöhten Bioverfügbarkeit des Toxins und dadurch zu einer gesteigerten Eliminierungseffizienz führen.
Die Ausweitung des hier vorgestellten Ansatzes auf weitere FVIII-Domänen ist generell möglich, jedoch muss hierzu ein alternatives Expressionssystem aufgrund des eukaryotischen Ursprungs von FVIII in Betracht gezogen werden. Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen dennoch, dass FVIII-Domänen-Immuntoxine ein wirkungsvolles Mittel sind, um FVIII-spezifische B-Zellen selektiv zu eliminieren. Die Anpassung der Gabe von FVIII-Domänen-Immuntoxinen an die individuelle Immunantwort des Patienten könnte das Auftreten von Nebenwirkungen minimieren. Außerdem könnte eine kombinierte Therapie aus ITI und FVIII-Domänen-Immuntoxinen die Zeit bis zur Induktion von Toleranz verkürzen und die Chancen für den generellen Therapieerfolg erhöhen.
Patients harboring mutations in the gene DEPDC5 often display variations of neurological diseases including epilepsy, autism spectrum disorders (ASD) and other neuro-architectural alterations. DEPDC5 protein has been identified as an amino acid sensor responsible for negatively regulating the mechanistic target of rapamycin (mTOR), a central regulator in cell growth and cell homeostasis. Often, mutations of the DEPDC5 protein result in mTOR hyperactivity leading to abnormal neuronal phenotypes and the generation of excitatory/inhibitory imbalances in animal models. Complete knockout (KO) of DEPDC5 results in death shortly after birth, while inhibition of mTOR activity recovers postnatal death (Marsan et al. 2016). However, heterozygous DEPDC5-KOs in animals have been variable in their disease phenotypes during adulthood indicating developmental differences between subspecies and early development mechanisms which could be impactful on the outcome of the diseases.
To understand the mechanisms underlying DEPDC5 mutations during early development, a novel primary human neural progenitor cell line extracted from fetal tissue was characterized during proliferation and differentiation. CRISPR-Cas9 induced mutations of the DEPDC5 gene resulted in hyperphosphorylation of mTOR signaling processes and rapid expansion of the neuronal population during differentiation. Analysis of transcriptome data identified deregulation amongst p53 signaling, ribosome biogenesis, nucleotide and lipid synthesis as well as protein degradation pathways due to loss of DEPDC5. Disease gene datasets identified a correlation between Tuberous Sclerosis mutations as being more closely associated with DEPDC5 mutations while also finding overlap with some ASD and epilepsy genes. By using the mTOR inhibitor rapamycin, a substantial amount of the deregulated gene network was recovered while also reversing rapid neuronal differentiation caused by loss of DEPDC5. Though we saw increased dendritic arborization and subsequent decreases in dendrite lengths and soma sizes, rapamycin failed to recover these effects suggesting mTOR independent processes produced by DEPDC5-KO. This study provides new insights on the relationship between mutations in DEPDC5 and the functional, genomic and deregulatory networks it intertwines in humans and highlights that the DEPDC5 associated pathomechanisms are not fully related to mTOR hyperactivation, but include independent processes. This also sheds light on the question why rapamycin treatment only partially restores DEPDC5 related phenotypes and gives insight on treatments for DEPDC5 patients.
To date, chemicals are used ubiquitous in everyday life and an increasing consumption of pharmaceuticals and personal care products and industrial chemicals results in an increased water pollution. Conventional wastewater treatment plants are not able to completely remove the variety of (polar) organic compounds from today’s wastewater and thus serve as constant key point sources for the unintentional release of (micro-)pollutants into the aquatic environment. Anthropogenic micropollutants are detectable in very low concentrations in almost every aquatic compartment and may cause adverse effects on aquatic organisms. Considering the current situation of water pollution and to enhance water quality with regard to environmental and human health, the implementation of advanced wastewater treatment technologies, such as ozonation and activated carbon filtration was extensively discussed and investigated in recent years. Yet, besides their advantages regarding the efficient removal of a variety of recalcitrant, organic compounds as well as pathogens from the wastewater, it is known that especially the treatment with ozone may lead to the formation of largely unknown ozonation by-products with often unknown toxicity and unknown threats to human and the environment. To address these topics the joint research project TransRisk aimed at the “characterization, communication and minimization of risks originating from emerging contaminants and pathogens in the water cycle”. Within this research project the present thesis focuses on the ecotoxicological investigation of emerging waterborne contaminants, including their potential transformation products (TPs). Additionally, focus was laid on the investigation of combined effects of anthropogenic contaminants and pathogens with effects especially on aquatic invertebrate organisms.
The potential ecotoxicological effects of the antiviral drug acyclovir and two of its structurally identified TPs, were investigated on three aquatic organisms (Raphidocelis subcapitata, Daphnia magna and embryos of Danio rerio). While the parent compound acyclovir caused no acute toxicity up to a tested concentration of 100 mg/l on any of the investigated organisms, both TPs were shown to exhibit an increased aquatic toxicity. Carboxy-acyclovir, the biodegradation product of acyclovir, significantly reduced reproduction of D. magna by 40% at 102 mg/l, and the ozonation product COFA significantly inhibited growth of green algae R. subcapitata (EC10 = 14.1 mg/l). In the present case, advanced wastewater treatment was shown to lead to the formation of TPs, that reveal a higher toxicity towards investigated organisms, than the parent compound. Results highlight the necessity of further research related to the topic of identification and characterization of TPs, formed during advanced wastewater treatment processes.
To investigate the potential reduction or enhancement of toxic effects of nine differently treated wastewater effluents, selected bioassays with Daphnia magna, Lumbriculus variegatus and Lemna minor were conducted in flow-through test systems on a pilot treatment plant. The different treatment processes included ozonation of conventional biological treatment, with subsequent filtration processes as well as membrane bioreactor treatment in combination with ozonation. While exposure to the conventionally treated wastewater did not result in significant impairing effects on D. magna and L. minor, a reduced abundance of L. variegatus (by up to 46%) was observed compared to the medium control. Subsequent ozonation and additional filtration of the wastewater enhanced water quality, visible in an improved performance of L. variegatus. In general, direct evidence for the formation of toxic TPs due to the advanced wastewater treatments was not found, at least not in concentrations high enough to cause measurable effects in the investigated test systems. Additionally, no evidence for immunotoxic effects of the investigated wastewater effluents were observed. Yet, study-site- and species-specific effects hindered the definite interpretation of results. That underline the importance of a suitable test battery consisting of representatives of different taxonomic groups and trophic levels, to ensure a comprehensive evaluation of the complex matrix of wastewater and to avoid false-negative or false-positive results.
With aim to improve knowledge regarding immunotoxicity in invertebrates, the potential immunotoxic effects of the immunosuppressive pharmaceutical cyclosporine A (CsA) were investigated by applying the host-parasite model system Daphnia magna – Pasteuria ramosa in an adapted host resistance assay. Co-exposure to CsA and Pasteuria synergistically affected long-term survival of D. magna. Additionally, the enhanced virulence of the pathogen upon chemical co-exposure was expressed in synergistically increased infection rates and an increased speed of Pasteuria-induced host sterilization. In conclusion, results provide evidence for a suppressed disease resistance in a chemically stressed invertebrate host, highlighting the importance of investigating the conjunction of environmental pollutants and pathogens in the environmental risk assessment of anthropogenic pollutants.
Cardiovascular diseases are still regarded as the main cause of death in the modern world. However, the generic term "cardiovascular diseases" is not uniformly defined. It essentially describes diseases of the cardiovascular system and includes diseases such as hypertension, arteriosclerosis, myocardial infarctions, heart failure, coronary heart diseases, rheumatic heart diseases and heart valve defects. In addition to the well-known risk factors such as obesity, smoking, hypercholesterolemia and lack of exercise, age is a further risk factor that plays an important role in the development of cardiovascular diseases. As the modern societies age; this becomes an increasing problem.
But why does the prevalence of cardiovascular diseases increase with age? In gen-eral, age-dependent changes at the cellular level are assumed to be responsible for the pathological changes in the cardiac and vascular tissues. Important mechanisms such as autophagy, oxidative stress, mitochondrial dysfunctions, genomic instability, cellular senescence and disturbances in signaling pathways of growth factors play a decisive role. In old age, myocardial hypertrophy occurs, which results in cardiac wall thickening and an altered geometry of the ventricle. Chronic inflammations, paracrine and age-dependent cell-intrinsic factors further lead to activation of cardiac fibro-blasts with increase cell proliferation, collagen secretion and matrix cross-linking. The consequences are interstitial and perivascular fibrosis, which stiffen the heart and blood vessels. Oxidative stress and inflammations additionally attack the blood ves-sels and impair endothelial function, which is further aggravated by possible pre-existing conditions such as diabetes mellitus and hypertension.
In the past decades, the main focus has therefore been on researching these age-dependent changes in the hope of better understanding cardiovascular ageing and developing possible regenerative interventions. By studying the repair mechanisms of other organs such as the lungs and the bone marrow, the endothelium in particular showed a high regenerative capacity, which influences the proliferation and cell func-tion of the surrounding cells.
For a long time, the general opinion was that the endothelium is only the internal lin-ing of blood and lymphatic vessels, as well as the heart chambers, which as a single-layer barrier guarantees the integrity of the blood vessels. However, endothelial cells are very heterogeneous, depending on the type of blood vessel and the type of tis-sue they serve. In addition to their barrier function, endothelial cells also regulate the exchange of substances between blood and tissue, stimulate the formation of new blood vessels and re-model existing vascular networks. They are also able to re-structure the extracellular matrix that surrounds them. They release not only matrix proteins, but also cytokines and growth factors into the extracellular space. On de-mand, these factors are then released and stimulate angiogenesis or cell prolifera-tion. In addition, the secretion of various matrix proteins not only stabilizes the cellu-lar neighborhood, but also regulates various cell functions.
By modelling the endothelial environment - the so-called vascular niche - endothelial cells are able to communicate with the surrounding cells. As a result, a regenerative effect of the vascular niche has already been described in various organs. In the liv-er, for example, it has been shown that increased concentrations of endothelial Ang2 and decreased endothelial activin A after partial hepatectomy stimulate the prolifera-tion of hepatocytes and thus liver regeneration. In the bone marrow, endothelial cells mobilize stem cells via nitric oxide and in the lungs, endothelial MMP14 releases growth factors from the extracellular matrix, which stimulate epithelial cell prolifera-tion after partial pneumectomy. Whether such a regenerative effect of the vascular niche also plays a role in the heart is largely unknown.
Since both the regenerative capacity of the heart and endothelial function decrease with age, the aim of this dissertation was to investigate the role of the vascular niche and endothelial cell communication in the aged heart. Human cell lines as well as mouse and artificial rat models were used for these investigations. Since this thesis is a cumulative dissertation with partially published papers, it is divided into three parts.
In the first part of this thesis, the transcriptional signature of secretory genes in the aged cardiac endothelium was studied. Perfused endothelial cells from hearts of young (12-week-old animals) and old mice (20-month-old animals) were isolated and used for bulk RNA sequencing. The two matrix proteins laminin β1 and β2 were among the top-regulated genes. While laminin β2 was particularly expressed in the young cardiac endothelium, laminin β1 was predominantly found in the old endotheli-um. This change in laminin expression was confirmed histologically at protein level and its autocrine function was investigated in vitro. To mimic the in vivo situation in vitro, cell culture dishes were coated with human recombinant laminin 421 or laminin 411 and sutured with human endothelial cells from the umbilical vein (HUVEC). Di-verse functional investigations showed that endothelial cells migrated and adhered poorly in the presence of laminin 411, while in Matrigel tube formation assays HU-VEC formed reduced endothelial networks when cultured on LM 411.
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The growing number of infections with multi-resistant bacteria or the current COVID-19 pandemic put compounds with therapeutic properties into the public focus. Non-ribosomal peptides (NRPs) are natural products that are already marketed as antibiotics, cytotoxic agents or immunosuppressants. Their biological activities rely on the structural diversity including non-proteinogenic amino acids (AAs), heterocycles or modifications like methylation or acylation.
The biosynthesis of NRPs is carried out by non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs). These multifunctional megaenzymes show a modular architecture like in an assembly-line. Each module is thereby responsible for the incorporation and modification of one AA and therefore contains different catalytic domains. The adenylation (A) domain recognizes and activates its specific substrate in an ATP-dependent manner which is transferred to a 4’-phosphopantetheine cofactor post-translationally attached to the thiolation (T) domain. Peptide bond formation between two T domain bound substrates catalysed by the condensation (C) domain transfers the growing peptide chain to the following module. Such a C-A-T module can be extended with optional domains to integrate structural diversity and a terminal thioesterase (TE) domain usually releases the peptide via hydrolysis or intramolecular attack of nucleophiles. Inspired by the modular architecture, NRPS engineering deals with the modification of NRPs in order to increase biological activities, circumvent bacterial resistances or create de novo peptides. This can be achieved by mutasynthesis or modification of the substrate binding pocket as well as single and multiple domain substitution. However, the few successful approaches led to impaired enzymes and did not establish a general applicable guideline. In the first publication as part of this work, the development of such a guideline comprising three rules is addressed. First, the A-T-C tridomain named exchange unit (XU) is seen as a catalytic unit instead of a module. When using them as building blocks, the C domain’s specificity for the AA of the following XU has to be considered as second rule. Third, a conserved WNATE motif within the C-A linker depicts the fusion point of the XUs. Upon heterologous expression of the cloned plasmids in E. coli and high performance liquid chromatography coupled mass spectrometry-based analysis of the extracts, the ambactin-producing NRPS from Xenorhabdus was reprogrammed with one and two XUs. This only leads to a moderate loss of production titre or an even higher one when the AA configuration was changed by introducing a dual condensation/epimerization (C/E) domain. The pentamodular GameXPeptide-producing NRPS was reconstructed using up to five XUs of four different NRPSs and even completely de novo synthetases were created. The second publication describes the exchange unit condensation domain (XUC) concept and relies on a fusion point between the two subdomains (N-terminal CDsub and C-terminal CAsub) of the C domain’s V-shaped pseudodimeric structure which generates A-T didomains with flanking CAsub and CDsub. These hybrid C domain-forming building blocks depict an improvement to the XU concept by avoiding the drawback of C domain specificity. This allows a more flexible NRPS engineering that can e.g. enable peptide library design. Furthermore, beside a combination of both concepts within one NRPS and a transfer to Bacillus NRPSs, the use of XUC with relaxed A domain specificity allowed further peptide modifications by introducing non-natural AAs. The third publication deals with aldehyde and alcohol-generating reductase (R) domains which depict an alternative for peptide release in NRPSs. A promoter exchange in X. indica identified a pyrazine-producing NRPS with a minimal architecture of an A, T and R domain and was therefore termed ATRed. R domains were additionally used in engineered NRPSs to produce pyrazinones and derivatives thereof by XU substitution although most constructs failed to show production. Beyond that, an R domain has been shown to replace a TE domain in wild type synthetases leading to slightly modified NRPs and the postulated biosynthesis was incidentally revised. Furthermore, an NRPS with terminal R domain was engineered to produce a free peptide aldehyde, which are known to be potent proteasome inhibitors. For the above mentioned ATReds, the presence of up to three coding regions was further identified in 20 different Xenorhabdus strains but only six of them were verified to produce pyrazines. All ATReds share variable sequence similarities among each other and were subsequently divided into three subtypes. One subtype is supposed to perform the pyrazine biosynthesis via a non-canonical catalytic triad.
Auf der Oberfläche von Erythrozyten, Thrombozyten und Neutrophilen befinden sich mehrere hundert verschiedene polymorphe, ungekoppelt vererbte Blutgruppenantigene. Dementsprechend birgt jede Bluttransfusion das Risiko einer Immunisierung gegen fremde Blutgruppenmerkmale. Auch während der Schwangerschaft können aufgrund väterlich vererbter Antigene Alloantikörper induziert werden. Deshalb muss das Blut vor jeder Transfusion oder während einer Schwangerschaft auf das Vorhandensein irregulärer erythrozytärer Antikörper untersucht werden. Dabei greifen die aktuellen diagnostischen Verfahren auf primäre, stabilisierte Testerythrozyten von Blutspendern zurück, deren relevante Blutgruppenantigene bekannt sind. Antikörperspezifitäten können anhand von Agglutinationsreaktionen der Testzellen mit dem zu untersuchenden Patientenplasma auf ein oder mehrere Antigene zurückgeführt werden. Ist jedoch ein Antikörper gegen ein häufiges, ein hochfrequentes oder ein nicht-polymorphes, ubiquitäres Antigen gerichtet, kann in Ermangelung Antigen-negativer Testzellen keine adäquate Diagnostik gewährleistet, die Verträglichkeit der Transfusion also nicht definitiv sichergestellt werden. Auch der medizinische Einsatz therapeutischer Antikörper, welche Antigene adressieren, die auch auf Erythrozyten exprimiert werden, führt zunehmend zu Problemen. Tests auf granulozytäre Antikörper sind mangelhaft bezüglich ihrer Robustheit, besitzen eine unzureichende Auflösung und sind zudem meist zeitaufwändig und daher teuer. Antikörper gegen humane Plättchenantigene spielen insbesondere in der Schwangerschaft eine Rolle; sie vermögen bei Neugeborenen thrombozytopenische Blutungen bis hin zu massiven Hirnblutungen zu verursachen, die zu schweren Entwicklungsstörungen führen können. Bisher erfolgt jedoch mangels geeigneter Reagenzien keine standardisierte pränatale Untersuchung auf thrombozytäre Antikörper. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Verfahren für die Identifikation und Differenzierung irregulärer Blutgruppenantikörper etabliert, welches auf gentechnisch hergestellten, xenogenen Testzellen basiert, die einzelne definierte humane Blutgruppenantigene auf ihrer Oberfläche präsentieren. Die nicht humanen Zellen co exprimieren Fluorochrome, anhand derer Antikörper-markierte Testzellen durchflusszytometrisch voneinander unterscheidbar sind. Weiterhin können die generierten Testzellen zur Depletion von Antikörpern aus polyagglutinierenden Plasmen unter Erhalt der anderen Antikörperspezifitäten verwendet werden. Diese Technologie könnte die konventionelle Diagnostik erheblich erleichtern und bietet zudem die Möglichkeit, therapeutische Antikörper (wie z. B. anti-CD38, anti CD47, etc.), die häufig zu Interferenzen mit der Routinediagnostik führen, spezifisch prädiagnostisch aus Patientenproben zu entfernen.