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Institute
The dodecin of Mycobacterium tuberculosis : biological function and biotechnical applications
(2020)
Biological Function of Bacterial Dodecins
In this thesis, the dodecins of Mycobacterium tuberculosis (MtDod), Streptomyces coelicolor (ScDod) and Streptomyces davaonensis (SdDod) were studied. Kinetic measurements of the flavin binding of MtDod revealed that the dodecin binding pocket is filled in two distinct steps, for which a kinetic model then was established and verified by experimental data. The analysis with the two-step model showed that the unique binding pocket of dodecins allows them to bind excessive amounts of flavins, while at low flavin concentrations, flavin is released and only weakly bound. This function of flavin buffering prevents accumulation of free oxidised flavins and therefore helps to keep the redox balance of the cell and prevents potential cell damage caused by excessive free flavins. To further gain insights into the role of bacterial dodecins, the effect of knocking out the dodecin encoding gene in S. davaonensis was analysed. The knockout strain showed increased concentrations of various stress related metabolites, indicating that without dodecin the cellular balance is disrupted, which supports the role of dodecins as a flavin homeostasis factor.
With a self-designed affinity measurement method based on the temperature dependent dissociation of the dodecin:flavin complex, which allowed parallel screening of multiple conditions, it was shown that MtDod, ScDod and SdDod have much higher affinities towards FMN and FAD under acidic conditions. Under these conditions, the three dodecins might function as a FMN storage. M. tuberculosis encounters multiple acidic environments during its infection cycle of humans and can adopt a state of dormancy. During recovery from the dormant state, a flavin storage might be beneficial. For some Streptomyces species it was reported that the formed spores are slightly acidic and therefore ScDod and SdDod could function as flavin storages for the spores. Further details on the flavin binding mechanism of MtDod were revealed by a mutagenesis study, identifying the importance of a histidine residue at the fourth position of the protein sequence for flavin binding, but contrary to expectations, this residue seems only to be partly involved in the pH related affinity shift.
The data, reported in this thesis, demonstrates that bacterial dodecins likely function as flavin homeostasis factors, which allow overall higher flavin pools in the cell without disrupting the cellular balance. Further, the reported acid-dependent increase in binding affinity suggests that under certain conditions bacterial dodecins can also function as a flavin storage system.
Application of the Dodecin of M. tuberculosis
In this thesis, the stability of MtDod, ScDod SdDod and HsDod was analysed to find a suitable dodecin for the use as a carrier/scaffold. Therefore, a method to easily measure the stability of dodecins was designed, which measures the ability of the dodecamer to rebind flavins after a heating phase with stepwise increasing temperatures. Using this assay and testing the stability against detergents by SDS PAGE, showed that the dodecamer of MtDod possesses an excellent stability against a vast array of conditions, like temperatures above 95 °C, low pH and about 2% SDS. By solving the crystal structure of ScDod and SdDod, the latter forming a less stable dodecamer, combined with a mutagenesis study, the importance of a specific salt bridge for dodecamer stability was revealed and might be helpful to find further highly stable dodecins.
In addition to the intrinsic high stability of the MtDod dodecamer, also the robustness of the fold was tested by creating diverse MtDod fusion constructs and producing them in Escherichia coli. Here it was shown that MtDod easily tolerates the attachment of proteins up to 4-times of its own size and that both termini can be modified without affecting the dodecamer noticeably. Further, it was shown that MtDod and many MtDod fusion constructs could be purified in high yields via a protocol based on the removal of E. coli proteins through heat denaturation and subsequent centrifugation. In a case study, by fusing diverse antigens from mostly human proteins to MtDod and using these constructs to produce antibodies in rabbits, it was demonstrated that MtDod is immunogenic and presents the attached antigens to the immune system.
The here reported properties of MtDod and to a lesser degree of other bacterial dodecins, show that bacterial dodecins are a valuable addition to the pool of scaffold and carrier proteins and have great potential as antigen carriers.
Die Sicherstellung der hausärztlichen Versorgung ist vor allem im ländlichen Raum mit regional unterschiedlich starker Ausprägung zunehmend gefährdet. Ein wesentlicher Grund liegt in der stetig sinkenden Zahl an hausärztlich tätigen Ärzten/innen. Ursächlich hierfür sind einerseits die hohen „Bruttoabgänge“ von Hausärzten/innen, zumeist aufgrund altersbedingten Ausscheidens, und einem andererseits eklatanten Nachwuchsproblem.
Um dieser problematischen Entwicklung entgegenzuwirken, kommt der Gewinnung hausärztlichen Nachwuchses eine Schlüsselrolle zu. In Flächenländern wie Australien, Kanada oder den USA, die ähnlichen Herausforderungen schon seit längerer Zeit gegenüberstehen, existieren seit den 1970er Jahren universitäre Schwerpunktprogramme, die die Allgemeinmedizin bereits in der medizinischen Ausbildung fördern. Breit angelegte Evaluationsstudien zeigen dabei, dass die Teilnahme an longitudinalen Längsschnittcurricula einen positiven Effekt auf die Wahrscheinlichkeit hat, nach Abschluss des Studiums eine Weiterbildung im Fach Allgemeinmedizin aufzunehmen und sich darüber hinaus hausärztlich (im ländlichen Raum) niederzulassen.
Unter der Annahme, dass eine allgemeinmedizinische Schwerpunktsetzung im Studium das Interesse am selbigen Fach erhöht und darüber hinaus eine hausärztliche Karriereplanung positiv beeinflusst, soll die hier vorliegende Promotionsarbeit folgende Forschungsfrage beantworten: Wie kann ein longitudinales, fachbereichsweites Lehrangebot konzeptionell gestaltet werden, welches es Medizinstudierenden ermöglicht, Allgemeinmedizin im ländlichen Raum kennenzulernen?
Zur Beantwortung der Fragestellung wurde ein triangulierender Forschungsansatz gewählt, der aus mehreren Arbeitsschritten besteht: 1. Erarbeitung einer Übersichtarbeit bestehend aus einer Literaturrecherche und der Kontaktaufnahme zu hiesigen Experten, 2. schriftliche und telefonische Befragung aller medizinischen Fakultäten Deutschlands 3. webbasierte Befragung von Medizinstudierenden der Goethe Universität, Frankfurt, 4. konzeptionelle Entwicklung und Implementierung eines universitären Schwerpunktprogramms zur Förderung der Allgemeinmedizin in ländlichen Regionen auf Basis der in Schritt eins bis drei gewonnen Ergebnisse.
Mittels der verschiedenen methodischen Entwicklungsschritte konnte im Zeitraum von 2015 bis 2016 das longitudinale Schwerpunktprogramm „Landpartie 2.0“ konzeptionell entwickelt und ab dem Wintersemester 2016/2017 in das Medizinstudium der Goethe-Universität, Frankfurt am Main, implementiert werden.
Das entwickelte Lehrangebote richtet sich pro Jahr in der Regel an bis zu 15 Studierende ab dem klinischen Studienabschnitt. Im Kern beinhaltet das mehrsemestrige Angebot wiederkehrende Praxisphasen in ausgewählten und geschulten Hausarztpraxen in ländlichen Regionen. Begleitet werden die Praktika von vor- und nachbereitenden Seminaren an der Universität, dem Kurs Allgemeinmedizin in einer ländlichen Hausarztpraxis und einem jährlichen Tagesausflug zu innovativen Gesundheitsmodellen. Seit Einführung des Programms konnten 62 Studierende in die „Landpartie 2.0“ aufgenommen werden.
Erste Evaluationsergebnisse belegen eine sehr hohe Zufriedenheit mit den einzelnen Programmbestandteilen unter den Teilnehmenden. Langfristig sollen darüber hinaus in einer Verbleibstudie Effekte auf die Motivation für eine hausärztliche Tätigkeit (auf dem Land) sowie Karriereverläufe abgebildet werden.
Insgesamt erwies sich das gewählte methodische Vorgehen als zielführend. Mittels der einzelnen Entwicklungsschritte konnte ein abgestimmtes, umfassendes und den wissenschaftlichen Erkenntnissen berücksichtigendes Längsschnittcurriculum am Fachbereich Medizin der Goethe Universität, Frankfurt am Main, erfolgreich konzeptioniert und implementiert werden.
Current research on medical biomaterials have shown that the physical and chemical characteristics of biomaterials determine the body inflammatory cellular reaction after their implantation. The aim of this study was to evaluate the individual effects of the physical characteristics over the initial biomaterial-cellular interaction and the inflammatory cellular reaction. For this purpose, an equine-derived collagen hemostatic sponge (E-CHS) was modified by pressing and evaluated using ex vivo, in vitro and in vivo methods.
The E-CHS was pressed by applying constant pressure (6.47± 0.85 N) for 2 min using a sterile stainless-steel cylinder and cut in segments of 1cm2. Subsequently, E-CHS and the pressed equine-derived collagen hemostatic sponge (P-E-CHS) were studied as two independent biomaterials and compared to a control group (CG).
A blood concentrate containing inflammatory cells known as platelet rich fibrin (PRF) was used to mimic the initial biomaterial-cell interaction and to measure the absorption coefficient of the biomaterials to liquid PRF (iPAC). Additionally, the biomaterials were cultivated together with PRF for 3 and 6 days to measure the induction of pro-inflammatory cytokines (TNF-α and IL-8). The results were obtained through enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and histological methods. PRF cultivated without biomaterials served as the CG. Additionally, the biomaterials were evaluated in vivo using a subcutaneous model in Wistar rats and compared to sham operated animals (CG) representing physiologic wound healing. After 3, 15 and 30 days, the explanted samples were evaluated using histochemical and immunohistochemical (IHC) staining using the following markers: CD68 (pan macrophages), CCR7 (pro-inflammatory macrophages, M1), CD206 (pro-wound healing macrophages, M2) and α-Smooth Muscle Actin (α-SMA; vessel identification).
After the mixture of liquid PRF with both biomaterials for 15 minutes, the ex vivo results showed that E-CHS was penetrated by cells, whereas P-E-CHS was cell-occlusive. Additionally, P-E-CHS induced a higher release of pro-inflammatory cytokines compared to liquid PRF alone (CG) and E-CHS after 3 days (P< 0.05). Although the biomaterial was pressed, the difference of the iPAC value did not show statistical differences. In vivo, the CG induced at day 3 a higher inflammatory response compared to the experimental groups (EG) (P< 0.05). The intergroup comparison showed that P-E-CHS induced a higher presence of macrophages (CD68+/CC7+) compared to E-CHS at day 3 (P< 0.05). Only CD68+/CCR7+ mononuclear cells (MNCs) were observed without multinucleated giant cells (MNGCs). After 15 days, the presence of macrophages (CD68+ P<0.01 /CCR7+ P<0.001 /CD206+ P<0.05) reduced considerably in the CG. On the contrary, the inflammatory response increased in the EGs (CD68+/CCR7+). The intergroup comparison showed that this increment was statistically significant when comparing E-CHS and P-E-CHS to the CG at day 15 (P<0.01 and P< 0.05 respectively). At this time point, a reduced number of MNGCs were observed in the EGs. In the CG no MNGCs were observed. Furthermore, E-CHS showed a faster degradation rate and was fully invaded by cells and vessels formed in its interior region. On the other hand, P-E-CHS remained occlusive to cell penetration and vessels were formed only in the periphery. After 30 days, the cellular reaction shifted to a higher number of M2 macrophages (CD260+) in all groups and a reduced presence of CD68+ and CCR7+ MNCs. Both biomaterials degraded and only small fragments were found in the implantation bed surrounded by MNGCs (CCR7+).
These results are of high clinical relevance and show that changes in biomaterial properties have a significant impact on their interaction with the body. They also serve as insight into the possibility to develop versatile biomaterials with different applications. For example, E-CHs can be applied to support hemostasis in a bleeding alveolar socket and P-E-CHs by being cell occlusive and having a delayed degradation rate can be applied for guided bone and tissue regeneration.
Diese Thesis befasst sich mit dem Problem korrelierter Elektronensysteme in realen Materialien. Ausgangspunkt hierbei ist die quantenmechanische Beschreibung dieser Systeme im Rahmen der sogenannten Kohn-Scham Dichtefunktionaltheorie, welche die Elektronen der Kristallsysteme als effektiv nicht-wechselwirkende Teilchen beschreibt.
Während diese Modellierung im Falle vieler Materialklassen erfolgreich ist, unterscheiden sich die korrelierten Elektronensysteme dadurch, dass der kollektive Charakter der Elektronendynamik nicht zu vernachlässigen ist.
Um diese Korrelationseffekte genauer zu untersuchen, verwenden wir in dieser Arbeit das Hubbard-Modell, welches mit der projektiven Wannierfunktionsmethode aus der Kohn-Scham Dichtefunktionaltheorie konstruiert werden kann.
Das Hubbard-Modell umfasst hierbei nur die lokale Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf einem Gitter. Auch wenn das Modell augenscheinlich sehr simpel ist, existieren exakte Lösungen nur in bestimmten Grenzfällen. Dies macht die Entwicklung approximativer Ansätze erforderlich, wobei die Weiterentwicklung der sogenannten Two-Particle Self-Consistent Methode (TPSC) eine zentrale Rolle dieser Arbeit einnimmt.
Bei TPSC handelt es sich um eine Vielteilchenmethode, die in der Sprache funktionaler Ableitungen und sogenannter conserving approximations hergeleitet werden kann.
Der zentrale Gedanke dabei ist, den effektiven Wechselwirkungsvertex als statisch und lokal zu approximieren. Dies wiederum erlaubt die Bewegungsgleichung des Systems
erheblich zu vereinfachen, sodass eine numerische approximative Lösung des Hubbard-Modells möglich wird. Vorsetzung hierbei ist nur, dass sich das System in der normalleitenden Phase befindet und die bei Phasenübergängen entstehenden Fluktuationen nicht zu groß sind.
Während diese Methode ursprünglich von Y. M. Vilk und A.-M. Tremblay für das Ein-Orbital Hubbard-Modell entwickelt wurde, stellen wir in dieser Arbeit eine Erweiterung auf Viel-Orbital-Systeme vor.
Im Falle mehrerer Orbitale treten in der TPSC-Herleitung einzelne Komplikationen auf, die mit weiteren Approximationen behandelt werden müssen. Diese werden anhand eines einfachen Zwei-Orbital Modell-Systems diskutiert und die TPSC-Ergebnisse werden darüber hinaus mit den Ergebnissen der etablierten dynamischen Molekularfeldnährung verglichen.
In diesem Zusammenhang werden auch mögliche zukünftige Erweiterungen bzw. Verbesserungen von TPSC diskutiert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Anwendung von TPSC auf reale Materialien.
In diesem Zusammenhang werden in dieser Arbeit die supraleitenden Eigenschaften der organischen K-(ET)2X Systeme untersucht. Hierbei lassen die TPSC-Resultate darauf schließen, dass das populäre Dimer-Modell, welches zur Beschreibung dieser Materialien herangezogen wird, nicht genügt um die experimentell bestimmten kritischen Temperaturen zu erklären und dass das komplexere Molekülmodell weitere exotische supraleitende Lösungen zulässt.
Schließlich untersuchen wir außerdem die elektronischen Eigenschaften des eisenbasierten Supraleiters LiFeAs und diskutieren inwieweit nicht-lokale Korrelationseffekte, welche durch TPSC aufgelöst werden können, die experimentellen Daten reproduzieren.
Neuropathic pain, a form of chronic pain, is a steadily rising health problem due to health costs and increasing numbers of patients. Neuropathic pain conditions arise upon metabolic disorders, infections, chemotherapeutic treatment, trauma or nerve injury. Especially nerve injury induced neuropathic pain is characterized by spontaneous or ongoing pain due to neuroimmune interactions. Thereby, inflammatory mediators, released by the injured nerve, recruit to and activate immune cells at the site of injury. Those mediators further activate transient receptor potential vanilloid 1 (TRPV1), a known channel involved in pain perception, or bind to G-protein coupled receptors (GPCR) in peripheral nerve endings. The following activated second messenger signaling pathways lead to sensitization of TRPV1. One of those GPCRs is G2A.
The overall aim of this thesis was to investigate the role of G2A in nerve-injury induced neuropathic pain. For this, the common mouse model of nerve-injury induced neuropathic pain, the spared-nerve injury, was used. As measurements with dynamic plantar aesthesiometer showed, G2A-deficiency leads to reduced mechanical hypersensitivity. Upon analysis with FACS, ELISA and Luminex a reduced number of macrophages and neutrophils at the injured nerve, as well as less inflammatory mediators (TNFα, IL-6, VEGF) in G2A-deficient animals was observed. In dorsal root ganglia (DRGs) there was only a reduced number of macrophages and less IL-12 observed in G2A-deficient animals. Additionally, in wild-type mice, G2A agonist 9-HODE was elevated at the injured nerve, as a LC-MS/MS analysis showed.
To investigate the underlying pathways of G2A-9-HODE signaling, a proteom screen was performed. This screen revealed upregulation of multiple proteins involved in migration in wild-type macrophages. Additionally, Ca-Imaging and transwell migration assays showed that the G2A antagonist G2A11, had desensitizing effects on DRG neurons and inhibited macrophage migration.
Overall, the results suggest that loss of G2A has dual effects. On the one hand loss of G2A is antinociceptive. On the other hand, G2A-deficiency leads to reduced inflammation, suggesting G2A as promising target in treatment of neuropathic pain. Here, an antagonist had inhibitory effects on the migration and the sensitization.
Nature and its constituents are known to affect human well-being in positive and negative ways. Nature can be beneficial for humans by providing, for instance, food, recreation or inspiration. Natural disasters or transmitted diseases are, on the other hand, examples of nature’s detrimental or harmful contributions to human well-being. Such positive as well as negative effects have been termed Nature’s Contributions to People (NCP) by the Intergovernmental Science-Policy Platform for Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) and can be categorized into three different types of contributions: regulating, material and non-material NCP. While regulating and material NCP have been studied extensively, research on the non-material NCP is less common in comparison, especially regarding non-material NCP of biodiversity and wildlife. This dissertation therefore aims at shedding light on the non-material links between biodiversity, wildlife and human well-being. The thesis presents the results of three individual research studies in three separate chapters (CH1, 2 & 3).
In the first chapter (CH1) I conduct a systematic literature review on the non-material contributions of wildlife. Several previous reviews have published overviews on the non-material contributions of wildlife. However, only a few of these reviews examine both the positive and negative effects of wildlife in combination. These reviews usually cover few aspects of human well-being (e.g. recreation, health, psychological well-being) or just focus on a specific group of wildlife species (e.g. carnivores, scavengers). In addition, the pathways determining how wildlife affects human well-being are yet little understood. The aim of this review is therefore to create a holistic overview of the current knowledge on non-material contributions of wildlife (WCP), by summarising research on positive and negative effects and disentangling potential channels of human-wildlife experiences.
My results show that most studies in scientific literature report negative WCP. However, over the last decade the number of publications on positive WCP has increased, mainly in the Global North. This change in research focus, at the turn of the century, may be related to the newly emerging ideas and perspectives on nature during that time (e.g. Ecosystem Services and NCP). The results may also indicate different research interests across global regions and a focus on positive WCP (especially in the Global North). Surprisingly, the review identifies a lack of joint systematic assessments of positive and negative WCP across taxa, human well-being dimensions and ways (channels) of wildlife experiences. Studies show taxon-specific differences, with predominantly positive WCP reported for birds and predominantly negative WCP published for mammals and reptiles. Physical health was the most examined human well-being dimension, while many others, such as subjective well-being, social well-being, learning, identity or sense of place were rarely studied in comparison. The two channels of wildlife experiences that have been mainly studied or reported are Interaction and Knowing. While Interaction describes multisensory experiences in which people physically interact with wildlife. Knowing describes the metaphysical connection between humans and wildlife that arises through thinking or remembering experiences from wildlife encounters (including knowledge about wildlife).
To date, only few published studies examine the relationship between biodiversity and human well-being across larger spatial scales. For instance, little is known about how biodiversity is related to human well-being on the national or continental level. The second and third chapter (CH2 & 3) are thus comprised of two empirical case studies which examine the relationship between biodiversity and human well-being across Germany and Europe, respectively. As indicator for biodiversity, I use different species diversity measures including species richness and abundance. In the second chapter (CH2) I analyse the association between species richness and human health across Germany. The results demonstrate a significant positive relationship between plant and bird species richness and mental health while controlling for a multitude of socio-economic and demographic factors as well as other nature characteristics. In the third chapter (CH3) I conduct the first study on the relationship between species diversity and subjective well-being on the continental level. The results show that bird species richness (unlike mammal, megafauna and tree richness) is positively associated with life-satisfaction, a measure for subjective well-being across Europe. These results are robust while accounting for socio-economic and macro-economic factors. The results of both empirical studies are in correspondence with previous research, conducted on the local and national level.
Overall, my dissertation shows that wildlife and biodiversity greatly affect human well-being and provide substantial non-material NCP.
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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der theoriegeleiteten Entwicklung eines digitalen Werkzeugs namens MathCityMap (MCM) für das außerschulische Lehren und Lernen von Mathematik.
Den Ausgangspunkt des Projekts bilden die sogenannten Mathtrails. Dies sind Wanderpfade zum Entdecken mathematischer Sachverhalte an realen Objekten in der Umwelt. Eine didaktische, methodische sowie lernpsychologische Analyse konstatiert Mathtrails zahlreiche Potentiale für den Lernprozess wie beispielsweise die Möglichkeit, Primärerfahrungen zu sammeln, das Interesse am Fach Mathematik zu steigern sowie das Lernen aktiv und konstruktiv zu gestalten. Trotz der genannten Vorteile wird deutlich, dass die Vorbereitung und Umsetzung der mathematischen Wanderpfade mit einem immensen Aufwand verbunden sind. Eine weitere Herausforderung für Lernende liegt im offenen Charakter der Mathtrails, die in der Regel in autonomen Kleingruppen abgelaufen werden. Aus der Literatur ist bekannt, dass insbesondere für schwächere Lerner die Gefahr besteht, durch die Anforderungen einer selbstständigen Arbeitsweise überfordert zu werden.
Als Lösungsansatz für die zuvor genannten Probleme wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung eines digitalen Werkzeugs für Mathtrails erläutert. Die erste Forschungsfrage beschäftigt sich mit den theoretischen Anforderungen an solch ein Tool:
1. Welchen Anforderungen muss ein digitales Werkzeug genügen, um die Vorzüge der Mathtrails zu erhalten, deren Aufwand zu minimieren und die Gefahren zu kompensieren?
Unter Berücksichtigung der theoretischen Grundlagen digitaler Werkzeuge und des „Mobile Learnings“ werden zunächst Möglichkeiten identifiziert, den Vorbereitungsaufwand zu minimieren. Konkret erscheinen die automatische Datenverarbeitung, das digitale Zusammen-arbeiten sowie das Teilen und Wiederverwenden von digitalen Aufgaben und Trails als theoretisch zielführende Bestandteile von MCM. Weiterhin sollen zur Unterstützung der Lerner bei der eigenständigen Bearbeitung von Mathtrails didaktisch bewährte Konzepte – wie gestufte Hilfestellungen und Feedback – eingesetzt werden.
Vor dem Hintergrund der soeben formulierten Anforderungen bilden der Entwicklungsprozess sowie die Beschreibung des aktuellen Ist-Zustandes des MCM-Systems zentrale Bestand-teile dieser Arbeit. Das System setzt sich aus zwei Komponenten für jeweils unterschiedliche Zielgruppen zusammen: das MCM-Webportal zum Erstellen von Mathtrails und die MCM-App zum Ablaufen selbiger. Die Hauptziele von MCM können in der Minimierung des Vorbereitungsaufwands sowie der Kompensation einer Überforderungsgefahr gesehen werden.
In ersten Feldversuchen konnte MCM bereits in einem frühen Stadium erfolgreich mit Lernenden der Sekundarstufe I getestet werden. Gleichzeitig fiel jedoch auf, dass das implementierte Feedback-System Schwächen aufwies und von Lernenden zum systematischen Erraten von Lösungen genutzt werden konnte. In der Folge wurden Spielelemente (Gamification), denen nicht nur eine motivationssteigernde Wirkung nachgesagt wird, sondern auch das Potential das Verhalten zu beeinflussen, Bestandteil der MCM-App. Die zweite Forschungs-frage dieser Arbeit zielt auf die Auswirkungen der Gamification-Integration ab und lautet:
2. Welchen Einfluss haben Gamification-Elemente auf die Motivation sowie auf das Nutzungs-verhalten des digitalen Werkzeugs von Neuntklässlern bei der Bearbeitung eines Mathtrails?
Zur Beantwortung der zweiten Forschungsfrage wurde eine empirische Studie mit 16 Schulklassen (304 Schülerinnen und Schüler) der neunten Jahrgangsstufe im Sommer 2017 durch-geführt. Die Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: Die Implementierung einer Rangliste (Leaderboard) in die MCM-App führte zwar nicht zu einer höheren Motivation, jedoch spornte der Wettbewerb die Teilnehmer an, viele Aufgaben zu bearbeiten. Im Ver-gleich zu der Kontrollgruppe ohne Gamification-Elemente löste die Experimentalgruppe signifikant mehr Aufgaben, legte die doppelte Strecke zurück und nutzte das Feedbacks-System seltener aus, um Lösungen zu erraten. Die Studie konnte empirisch den gewünschten Einfluss von Spielelementen auf die Benutzung eines digitalen Werkzeugs für das außerschulische Lernen von Mathematik aufzeigen.
Die Evaluation der Ziele von MCM erfolgt indirekt über die Analyse der Verbreitung der Mathtrail-Idee ohne MCM und mit MCM. Die dritte Forschungsfrage lautet dementsprechend:
3. Welchen Beitrag hat das digitale Werkzeug zur Verbreitung der Mathtrail-Idee nach 4 Jahren Projektlaufzeit geleistet?
Zur Beantwortung der dritten Forschungsfrage werden wissenschaftliche Publikationen zu Mathtrails analysiert. Es wird insbesondere in Publikationen mit und ohne Stichwort „MathCityMap“ unterschieden, um eine Aussage über den Einfluss des MCM-Projekts auf den wissenschaftlichen Diskurs treffen zu können. Stand August 2020 enthält bereits jede dritte Mathtrail-Publikation einen Bezug zu MCM. Weiterhin wird ein Vergleich zu vorherigen, ähnlichen Bemühungen – gemeint sind Online-Mitmach-Projekte für Mathtrails – gezogen. So existierten im Zeitraum 2000 bis 2010 im anglo-amerikanischen Raum erste Webseiten für mathematische Wanderpfade. Diese boten zusammengenommen 131 Mathtrails an. Im Vergleich hierzu existieren bereits über 2.500 MCM-Mathtrails in 57 Ländern.
Sowohl die Publikationen als auch die Anzahl der erstellten Trails stellen erste Indizien dafür dar, dass mit MCM die Realisation eines theoretischen Konzepts für ein digitales Mathtrail-Werkzeug gelungen ist und die Idee der Mathtrails verbreitet werden konnte.
Hintergrund: Patienten, die präoperativ an einer eisendefizitären Erythropoese (IDE) oder Anämie leiden, haben unabhängig von anderen Erkrankungen ein erhöhtes Risiko für postoperative Morbidität. Ein Eisenmangel ist der häufigste Grund für eine Anämie und kann, wenn er frühzeitig diagnostiziert wird, effizient mittels Eisensubstitution behandelt werden. Zink-Protoporphyrin (ZnPP) ist im Vergleich zu klassischen Parametern wie Ferritin ein vielversprechender Parameter, um eine IDE zu diagnostizieren. Bisher wurde der Parameter im Blut gemessen. Nun soll geprüft werden, ob eine nicht-invasive Messung valide Ergebnisse liefert.
Methoden: Von März 2017 bis April 2018 wurden am Universitätsklinikum Frankfurt Patienten, die für eine Operation mit einem erwarteten Blutverlust von >10% geplant waren, auf eine IDE untersucht. Die Messung von nicht-invasivem ZnPP (ZnPP-NI) wurde mit der ZnPP-Referenz-Messung des ZnPP/Häm-Verhältnisses mittels Hochleistungsflüssigchromatographie (ZnPP-HPLC) verglichen. Die analytische Performance beim Nachweis einer IDE wurde mit im Blut gemessenen klassischen Eisenstatusparameter (Ferritin, Transferrinsättigung [TSAT], löslicher Transferrinrezeptor [sTfR] und sTfR-Index [sTfR-F]) verglichen.
Ergebnis: In dieser prospektiven Studie konnten 285 chirurgische Patienten präoperativ untersucht werden. Die Limits of Agreement zwischen ZnPP-NI und ZnPP-HPLC betrugen 20,3 μmol/mol Häm (95% -Konfidenzintervall 18,0-21,3; Akzeptanzkriterien 24,4 μmol/mol Häm; absolute Bias -0,3 μmol/mol Häm). Die analytische Performance zum Nachweis einer IDE der im Blut gemessenen Parameter war: ZnPP-HPLC (0,95), sTfR (0,90), sTfR-F (0,89), ZnPP-NI (0,88), TSAT (0,87) und Ferritin (0,65).
Fazit: Beim Nachweis einer IDE ist ZnPP-NI besser geeignet als Ferritin und vergleichbar valide wie TSAT. Der Vergleich mit einem Multiparameter-Index-Test ergab, dass ZnPP-NI von ≤40 μmol/mol Häm den Ausschluss einer IDE ermöglicht und ein Wert von ≥65 μmol/mol Häm eine IDE wahrscheinlich macht. ZnPP-NI kann daher für eine schnelle Erstbewertung in der IDE-Diagnostik und im Anämie Management ohne Blutentnahme verwendet werden.
Cancer cells, including leukemic cells, can react to therapeutic treatment by altering their metabolic phenotype (“metabolic reprogramming”) to keep their accelerated proliferative state, eventually becoming resistant to the treatment. There is an increasing amount of evidence indicating that metabolic reprogramming is one of the key mechanisms of acquisition of drug resistance by cancer cells. In agreement, several metabolic studies targeting leukaemia and specifically acute myeloid leukaemia (AML) and chronic myeloid leukaemia (CML), have been conducted over the last decades. However, there is still a lack of understanding the metabolic features of both AML and CML leukaemia specially in the acquisition of drug resistance, that is needed for unveiling novel and effective treatments for resistant and non-resistant patients. Therefore, the main objective of this thesis was to investigate the rewiring of cell metabolism occurring in the process of acquisition of resistance to conventional therapeutic treatments in AML and CML malignancies. Next, by revealing this metabolic rewiring, we intended to highlight potential metabolic and non-metabolic targets that could be exploited to overcome resistance to treatments. To this end, we have performed a comprehensive and comparative multi-OMIC study to analyse the links between the metabolic reprogramming and the resistance acquisition of THP-1 and HL-60 AML cell models sensitive or resistant to cytarabine (AraC) and doxorubicin (Dox), and of KU812 CML cell model sensitive or resistant to imatinib, all under normoxic (21% O2) and hypoxic (1% O2) conditions. The results of this thesis are divided into two chapters. On the one hand, in Chapter 1, the multi-OMIC study performed in AML parental and resistant cells unveiled that the acquisition of AraC resistance causes the reprogramming of the glucose metabolism of THP-1 and HL-60 cells by increasing the glycolytic flux whereas it is not associated with an alteration in the mitochondrial respiration. Moreover, our results also exhibited a possible disfunction of ETC complex I as well as alterations in glutamine and serine-glycine-1C metabolism in AML cells that display a more active mitochondrial metabolism. Moreover, we have also identified that the acquisition of Dox resistance causes alterations in the glucose and amino acid metabolism. Importantly, we have observed an important loss of mitochondrial respiration capacity of AML cells resistant to Dox chemotherapeutic drug, which constitutes a potential metabolic vulnerability that can be exploited for the treatment of AML patients resistant to Dox. On the other hand, in Chapter 2 is shown that the acquisition of imatinib resistance causes the reprogramming of glucose metabolism by enhancing the glycolytic flux, PPP, and glycogen metabolism, thus highlighting these metabolic pathways as potential metabolic weaknesses of KU812 cells resistant to imatinib. Moreover, we have observed a high metabolic plasticity of KU812 cells resistant to imatinib which includes the orchestration of many metabolic routes associated with the amino acid metabolism. Importantly, the CML multi-OMIC study has also unveiled an enhanced mitochondrial respiration capacity, which constitutes another potential vulnerability that can be exploited to overcome imatinib resistance. Finally, both AML and CML multi-OMIC studies have allowed us to propose and/or validate different metabolic and non-metabolic targets. In this regard, in this thesis we have identified and validated a battery of single-hit inhibitions that were able to reduce the cell viability of both parental and resistant AML and CML cells. Finally, we have confirmed that the repurposing of Dox chemotherapeutic drug counteracts the imatinib resistance in the KU812 cells resistant to imatinib.
Das PCOS ist die häufigste Endokrinopathie fertiler Frauen, die mit Infertilität und Metabolischem Syndrom ernst zu nehmende und belastende Konsequenzen haben kann. Vor dem Hintergrund einer bis heute teilweise unklaren Ätiopathogenese hat das PCOS umfassende Auswirkungen auf den Metabolismus und die Reproduktion. Aufgrund der phänotypischen Variabilität ist die Festlegung einheitlicher diagnostischer Kriterien ständiges Thema in der PCOS-Forschung. Die Rotterdam-Kriterien gelten aktuell als angemessenste Definition. Die Einführung einer aktuali- sierten Nomenklatur zur Optimierung der Diagnosefindung wird diskutiert. Die Therapie beläuft sich bisher auf symptomatische Ansätze.
Ziel dieser Arbeit war es, erstmals eine Analyse der weltweiten Forschung zum PCOS mittels szientometrischer Parameter durchzuführen. Die Erfassung der Daten aus dem WoS belief sich auf die Jahre 1900 – 2015 und ergab 6.262 Artikel zum Thema PCOS.
Die meisten Publikationen kamen aus den USA an erster, Großbritannien an zweiter und Italien an dritter Stelle. Diese drei Länder erhielten in gleicher Platzierung die meisten Zitierungen und erreichten die höchsten modifizierten h-Indizes. Bei Betrachtung der Zr standen jedoch die Niederlande aufgrund der dort veröffentlichten Rotterdam-Kriterien an erster Stelle. Im Verhältnis zur Einwohnerzahl publizierte Griechenland die meisten Artikel, gefolgt von Finnland und Slowenien. Bei Erstellung eines Quotienten aus Artikelanzahl und BIP lag Serbien vor Griechenland und Slowenien. Bezüglich der Artikel pro BIP p.c. fiel China auf den ersten Rang, danach die Türkei und die USA.
Bei den Fachzeitschriften rangierte das Journal of Clinical Endocrinology & Metabolism bezüglich des IF, der Zr und der Anzahl der Zitierungen an erster Stelle. Fertility & Sterility publizierte über die Zeit die meisten Artikel zum Thema PCOS und erlangte die zweithöchste Zahl an Zitierungen.
Die chronologische Analyse zeigt eine Abnahme der Zuteilung von Artikeln zum Fachgebiet Obstetrics & Gynecology und eine Zunahme von Reproductive Biology, während Endocrinology & Metabolism einen gleichbleibenden Anteil hat. Der Anteil kleinerer Fächer wie Research & Experimental, Nutrition & Dietetics und Pharmacy nimmt über die letzten zehn Jahre zu.
Bezüglich der Anzahl an Institutionen liegen die Türkei und Großbritannien auf Platz zwei und drei hinter den USA. Die produktivsten Forschungseinrichtungen sind die University of London, die Pennsylvania State University und die University of Athens. In der italienischen Forschungsgemeinde finden sich die meisten interinstitutionellen Kooperationen.
Die meisten Artikel, auch in Erst- und Koautorenschaft, hat R.S.Legro publiziert. S. Franks führt die Liste der Seniorautoren an. A. Dunaif erreicht bei Zitierungen, Zitationsrate und modifiziertem h-Index herausragende Werte. Wie schon bei den Institutionen liegen italienische Autoren bei der Kooperationsanalyse vorne. Unter den zehn produktionsstärksten Institutions- kooperationen finden sich mit einer griechischen und einer US-amerikanischen Liaison nur zwei nicht italienischen Ursprungs. Zum Zitierverhalten ist zu sagen, dass fast 50 % der Zitierungen Selbstzitierungen sind.
Generell dominieren Männer noch die Welt der Wissenschaft. Dies ist, in Bezug auf die PCOS-Forschung, zu jedem Zeitpunkt so gewesen und spiegelt sich bis heute in den Analysen wider. Seit 2008 ist allerdings eine Annäherung der Werte zu beobachten.
Es kristallisiert sich die Notwendigkeit einer klaren Definition und aktualisierter Nomenklatur des PCOS heraus, um die leicht stagnierende Forschung des komplexen Krankheitsbildes, dessen Ätiopathogenese nicht zur Gänze erklärt ist, anzustoßen. Überraschenderweise treten Nationen wie die Türkei, Griechenland und der Iran bei den Analysen hervor und reichen mit Produktivität und Resonanz an Staaten wie die USA und Großbritannien heran, übertreffen sie mitunter. Dies ist möglicherweise nationalen Besonderheiten, wie erhöhter Prävalenz des Syndroms bzw. erhöhtem sozialen Druck durch das Kardinalsymptom der Infertilität in diesen Ländern, geschuldet. Eine Dominanz an weiblichen Forscherinnen zeigt sich überdies im Iran und ist sonst in nur wenigen Ländern, darunter die USA, zu finden. Männliche Vorherrschaft ist also weniger an bestimmte Regionen, als vielmehr an nationale Strukturen gebunden.
Die Forschungsarbeit analysiert zwei Zeugniskonferenzen der Sekundarstufe I von hessischen Intensivklassen und Expertinneninterviews ihrer Teilnehmerinnen. Dabei werden verwaltungsrechtliche Sinnlogiken in ihren Diskursen und Entscheidungsmustern sichtbar gemacht, die am Ende zu dem Ergebnis führen, dass Lehrkräfte im Spannungsfeld zwischen Pädagogik und Verwaltung zwar arbeiten aber nur nach verwaltungsrechtlichen Maßstäben entscheiden dürfen. Im Ergebnis zeigt die Forschungsarbeit auf, dass das schulische Verwaltungssystem zur vorsätzlichen Ausgrenzung bestimmter Schüler*innentypen führt, die keine Chance auf einen Schulabschluss haben. Um fleißige aber sehr belastete Schüler*innen sprichwörtlich retten zu können, suchen die Lehrkräfte nach verwaltungsrechtlichen Grauzonen, um den Abgang von der Schule ohne Schulabschluss abwenden zu können. Dies geht sogar so weit, dass sie gegen die Rechtsnormen verstoßen oder Schüler*innen zum vorzeitigen Abgang von der Schule bewegen wollen, damit sie privat eine benötigte Alphabetisierung erhalten können, die in den Intensivklassen nicht möglich ist. Die Lehrkräfte formulieren im geschlossenen Bereich der Zeugniskonferenz offene Diskriminierung und Sexismus in ihren Interaktionen, welche sich auf ihre Bildungsentscheidungen auswirken können, ohne dass dies nach außen sichtbar wird. Neben den bereits forschungsgegenständlichen Antinomien und institutionellen Diskriminierungsmechanismen im Schulsystem, zeigt die Forschungsarbeit unmittelbar die Praxis schulische Selektionen.
Das Mammakarzinom ist die häufigste Krebserkrankung der Frau. Aufgrund der zu ver-zeichnenden steigenden Erkrankungs- als auch Überlebensraten werden stetig mehr Frauen mit der Diagnose Brustkrebs und ihren Folgen konfrontiert. Seit den 1990er Jah-ren wird eine kognitive Dysfunktion von Patientinnen nach Krebstherapie in der For-schung diskutiert, wobei die Hintergründe und Zusammenhänge dieses Phänomens bis heute strittig sind. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der kognitiven Leistungsfä-higkeit mit einem Fokus auf Aufmerksamkeitsleistungen vor und nach einer adjuvanten Krebstherapie. In diesem Zusammenhang soll besonders der Einfluss von psychischem Stress auf die Aufmerksamkeit und ferner auch die subjektive kognitive Leistungsfähig-keit von Brustkrebspatientinnen beleuchtet werden.
Dazu wurde die Aufmerksamkeitsfähigkeit von 20 Patientinnen, die in der Klinik für Frauenheilkunde und Geburtshilfe des Universitätsklinikums Frankfurt am Main ange-bunden waren, zu jeweils zwei Messzeitpunkten anhand einer neuropsychologischen Testbatterie (Trail-Making Test, NeuroCogFX) untersucht. Die erste Messung erfolgte vor Therapieeinleitung, eine zweite Messung nach Beendigung einer adjuvanten Krebs-therapie. Gleichzeitig wurden Werte zu Depressivität, Angst, krankheitsbezogener Le-bensqualität und der kognitiven Funktionsfähigkeit mittels verschiedener Fragebögen (HADS, EORTC-QLQ C30, EORTC-QLQ BR23) erhoben. Eine Kontrollgruppe von gesunden Probandinnen (N=13) wurde nach den gleichen Vorgaben untersucht.
30% der Patientinnen hatten eine kombinierte Chemotherapie erhalten, eine Radiatio war bei 70% und eine antihormonelle Therapie bei 75% erfolgt. Die Testungen der Pati-entinnen fanden im Mittel 12 (SD 15,4) Tage nach OP statt. Die T2-Messungen erfolg-ten im Mittel 10,3 (SD: 3,2) Monate nach den T1-Messungen für Patientinnen und 7,3 (SD: 1,8) Monate für Kontrollprobandinnen. Alter, IQ und Bildungsniveau waren zwi-schen beiden Gruppen gleich, Unterschiede zeigten sich hinsichtlich der BMI- Werte und der sportlichen Aktivität. Es zeigten sich weder zum ersten noch zum zweiten Messzeitpunkt signifikante Unterschiede der Aufmerksamkeitsleistungen zwischen Pati-entinnen und der Kontrollgruppe. Unterschiede fanden sich lediglich zwischen beiden Zeitpunkten in der einfachen Reaktionszeit mit schlechteren Testleistungen während T2 sowie im TMT Teil B mit besseren Ergebnissen während T2 für beide Gruppen. Hoch-signifikant unterschieden sich dagegen Patientinnen von der Kontrollgruppe mit schlechteren Werten hinsichtlich Angst und Depression, der Lebensqualität sowie der empfundenen kognitiven Funktionen. Dabei war keine signifikante Veränderung der Werte zwischen T1 und T2 messbar. Eine Korrelation zwischen aufmerksamkeitsbezo-genen Testleistungen und psychischem Stress bestand nicht, weiterhin fand sich kein Zusammenhang zwischen subjektiver kognitiver Leistungsfähigkeit und objektiven Testergebnissen. Hochsignifikant korrelierten dagegen schlechtere Werte der subjektiven kognitiven Fähigkeiten mit erhöhten Werten für Angst und Depression.
Auf Grundlage dieser Arbeit lässt sich kein relevanter Einfluss einer adjuvanten Krebs-therapie auf die Aufmerksamkeitsleistungen ableiten. Die Ergebnisse belegen aber signi-fikant erhöhte Werte für Depression und Angst von Brustkrebspatientinnen und den Einfluss von erhöhtem psychischem Stress auf die subjektive kognitive Funktionsfähig-keit. Diesbezüglich sollten zukünftige Behandlungsstrategien auch die subjektive kogni-tive Funktionsfähigkeit und in diesem Zusammenhang auch die spezifische Therapie von psychischem Stress in den Fokus rücken.
Um den aktuellen Bildungsstand einer Gesellschaft abbilden zu können müssen Resultate von Bildungsprozessen, wie erworbenes Wissen oder ausgebildete Fähigkeiten, modelliert und gemessen werden (Leutner, Klieme, Fleischer & Kuper, 2013). Im Rahmen sogenannter Large-Scale-Assessments (LSAs) werden Kompetenzen in bestimmten Bereichen definiert und erfasst, die generell für die gesellschaftliche Teilhabe benötigen werden (bspw. Fraillon, Schulz & Ainley, 2013). Durch die fortschreitende Digitalisierung aller Lebens- und Arbeitsbereiche ist der kompetente Umgang mit Informations- und Kommunikationstechnologien (ICT) eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Teilhabe an unserer modernen Wissensgesellschaft. Die detaillierte Beschreibung solcher, auch als ICT-Skills bezeichneter Kompetenzen, und die Entwicklung von theoriebasierten Instrumenten zu deren Erfassung ist von großer Bedeutung, um mögliche sozial bedingte Disparitäten aufzudecken.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden Annahmen, Ergebnisse und Daten aus dem Projekt CavE-ICT, in dem verhaltensnahe simulationsbasierte Items zur Erfassung von ICT-Skills entwickelt wurden, aufgegriffen und weitergenutzt mit dem Ziel eine besonders effiziente und ökonomisch Messung von ICT-Skills im LSA-Kontext und darüber hinaus zu ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz durch den Testzeiten verkürzt und/oder die Messpräzision erhöht werden kann ist das computerisierte adaptive Testen (CAT; bspw. Frey, 2012). Beim adaptiven Testen orientiert sich die Auswahl der Items am Antwortverhalten der untersuchten Person, so dass durch die Berücksichtigung der individuellen Fähigkeit einer Person Items mit möglichst viel diagnostischer Information administriert werden können. Damit auch bei der Vorgabe unterschiedlicher Items in unterschiedlicher Reihenfolge Testleistungen von Personen miteinander verglichen werden können, stellen Modelle der Item-Response-Theorie (IRT; bspw. Hambleton & Swaminathan, 2010) die Basis der Anwendung von CAT dar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, wie ICT-Skills auf Basis der Item-Response-Theorie und unter Einsatz computerisierter Messinstrumente erfasst werden können. Dabei setzten die empirischen Studien dieser Arbeit unterschiedliche Testformen um und an unterschiedlichen Punkten im Prozess der Testentwicklung an. Studie I setzt noch vor der Entwicklung von Items zur Messung von ICT-Skills an und zielt darauf ab Hinweise zum Umfang des zu erstellenden ICT-Itempools und zur Testlänge eines adaptiven Messinstruments bereitzustellen. Studie II baut direkt auf Studie I auf und nutzt die im Rahmen des Projekts CavE-ICT entwickelten und kalibrierten Items beziehungsweise ihre ermittelten Itemeigenschaften zur weiteren Erprobung verschiedener CAT-Algorithmen. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie multidimensionales adaptives Testen zur Messung von ICT-Skills gewinnbringend eingesetzt werden kann, und zudem eine differenzierte Messung auf Ebene der verschiedenen kognitiven Prozesse von ICT-Skills erlaubt. Dabei werden explizit Möglichkeiten exploriert Items die unterschiedliche kognitive Prozesse von ICT-Skills abbilden sequentiell geordnet und trotzdem adaptiv vorzulegen. Die durch Studie II erarbeiteten Erkenntnisse können insbesondere für die Erfassung von multidimensionalen Konstrukten oder facettierten Merkmalen in LSAs genutzt werden. Durch den Vergleich der Ergebnisse von Studie I und II ergeben sich zudem Implikationen für ein angemessenes Design von Simulationsstudien die insbesondere noch vor der eigentlichen Test- beziehungsweise Itementwicklung ansetzen. In Studie III werden lineare Kurztests zur Messung von ICT-Skills zusammengestellt. Durch die gezielte Auswahl geeigneter ICT-Items soll bei möglichst geringer Testzeit zugleich eine hohe Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit realisiert werden. Die in Studie III manuell und automatisiert computerbasiert zusammengestellten Tests werden hinsichtlich des Einsatzes sowohl auf Populationsebene, im Sinne einschlägiger LSAs, als auch darüber hinaus für gruppen- und individualdiagnostische Zwecke evaluiert und Empfehlungen für den Kurztesteinsatz abgeleitet.
Die afrikanische Schlafkrankheit (HAT), übertragen durch die Tsetse Fliege und ausgelöst durch den einzelligen Parasit Trypanosoma brucei, wird vor über 100 Jahren entdeckt. Diese unbehandelt immer tödlich verlaufende Erkrankung zählt zu den Neglected Tropical Diseases. Es existiert keine Impfung und die Behandlung ist nebenwirkungsreich. Das weltweite Forschungsaufkommen zu diesem Thema wird von 1900 bis 2016 anhand von Metadaten untersucht, die aus dem Web of Science Core Collection (Clarivate Analytics) extrahiert wurden. Die 5079 Publikationen werden mittels bibliometrischer Parameter ausgewertet. Diese umfassen chronologische Publikationsparameter, Analysen der Länder, Institutionen, Autoren, Fachzeitschriften, Fachbereiche, Kooperationen und Geschlechterparität. Die Analyse zeigt ein aufkommendes Forschungsinteresse der Kolonialmächte Anfang des 20. Jahrhunderts in den okkupierten Koloniegebieten Afrikas. Zu dem Zeitpunkt als der Erreger entdeckt wird, grassiert eine Epidemie der Ost-und Westafrikanischen Schlafkrankheit. Mit Beginn des Ersten Weltkrieges brechen die Publikationszahlen ein. Erst ab den 1970ern steigen die Artikelzahlen kontinuierlich. Die Vernachlässigung der Erkrankung resultiert in einer Epidemie mit geschätzt 300.000 Fällen (1998). In den letzten Jahren verringerte sich die Anzahl der Neuinfektionen erheblich, im Jahr 2016 werden 2184 Fälle gemeldet. Zwischen 1964 und 2013 kommt es zu einer mehr als 11-fachen Steigerung der Publikationen. Ab 1980 nehmen die Zitierungen sprunghaft zu, wahrscheinlich konnten viele neue Erkenntnisse aufgrund der hohen Prävalenz gewonnen werden. Der meistzitierte und produktivste Fachbereich ist die Biochemistry and Molecular Biology. Der Anteil Pharmacology and Pharmacy nimmt kontinuierlich zu. Die Popularität könnte auf 2 Faktoren zurückgeführt werden, den steigenden Bedarf an neuen Medikamenten und den Einfluss der WHO. 2009 wird NECT als Kombinationstherapie zugelassen, 2018 folgt Fexinidazole. Das durchschnittliche Literaturverzeichnis vergrößert sich, ebenso die Forschungsgruppen, denn die durchschnittliche Autorenzahl steigt von 2,5 (1975) auf 8,03 (2014). Die Zahl der internationalen Kooperationsartikel wird innerhalb der letzten 30 Jahre versechsfacht. Die publikationsstärkste Nation ist die USA, gefolgt von
Großbritannien, weiteren westeuropäischen Staaten sowie Kenia und Nigeria. 36% der 25 produktivsten Länder sind afrikanische. Gemessen an ihren ökonomischen Daten ist die Forschungsleistung extrem hoch. Unter den 15 produktivsten Institutionen ist als einziges afrikanisches das International Livestock Research Institut (Nairobi) vertreten. Diese Forschungseinrichtung wird durch Stiftungen wie Wellcome Trust finanziell unterstützt, welche bei mehreren hundert Publikationen als Funding Agency dient. Zwei weitere außeruniversitäre Institutionen zählen zu den produktivsten: Das Center of Infectious Disease Research (USA) sowie das Institute of Tropical Medicine Antwerp (Belgien). Die zehn produktivsten Länderkooperationen finden innereuropäisch oder mit den USA statt, darunter existiert eine europäisch-afrikanische Kollaboration (ITM Antwerp, Ministry for für Public Health (DR Kongo)). Bei Analyse der europäisch-afrikanischen Kooperationen fällt auf, dass diese mit der ehemaligen Kolonialpolitik korrelieren könnten. Die meisten afrikanischen Nationen publizieren in Kooperationen, eine Ausnahme bildet Nigeria. Sie veröffentlichen nur 18,7% der Artikel in Zusammenarbeit. Sie sind das Land mit dem höchsten BIP der ausgewerteten afrikanischen Nationen. Der produktivste Autor ist E. Pays der an der Université Libre de Bruxelles forscht. Der meistzitierte Autor G.A.M. Cross von der Rockefeller University ist Verfasser von zwei der meistzitierten Artikel. Die erfolgreichsten Wissenschaftler stehen eher am Ende ihrer Karriere und fungieren meist als Letztautoren und als Leiter einer Einrichtung. Obwohl in den letzten Jahren eine zunehmende Geschlechterparität auf dem Forschungsgebiet identifiziert werden konnte, ist die Chancengleichheit für Frauen abhängig vom Land. In Brasilien überwiegt als einzige Nation der Anteil weiblicher Autoren, während Japan den geringsten Frauenanteil besitzt. 11,2% der Artikel erscheinen in der Fachzeitschrift Molecular and Biochemical Parasitology und deckt somit die beiden meistzugewiesenen Themenfelder ab. Infektiöse Erkrankungen, die vor allem Drittweltländer mit geringen finanziellen Möglichkeiten betreffen, müssen im Interesse der Weltgemeinschaft weiter intensiv erforscht werden. Um dies zu ermöglichen ist eine Finanzierung und Stärkung der Wissenschaft in den betroffenen Ländern vor Ort nötig.
Investigation of co-translational protein folding using cryo-EM and solid-state NMR enhanced by DNP
(2020)
Die zelluläre Proteinbiosynthese findet am Peptidyltransferase-Zentrum innerhalb der großen ribosomalen Untereinheit statt. Die neu synthetisierte Polypeptidkette passiert den ribosomalen Exit-Tunnel, der 80-100 Å lang und 10-20 Å breit ist. Proteinfaltung findet kotranslational statt, während die Peptidkette durch den ribosomalen Tunnel geschleust wird. Zu welchem Ausmaß die Proteine ihre native Struktur noch am Ribosom gebunden annehmen, steht im Fokus aktueller Studien. Verschiedene Methoden, die naszierende Proteinkette am Ribosom zu arretieren und die Faltung des Proteins untersuchen zu können, wurden entwickelt. Zur Herstellung von Ribosom naszierenden Proteinkomplexen (RNCs) in vivo werden Arrestierungspeptide (APs) verwendet. Ein oft genutztes AP ist die 17 Aminosäuren lange SecM Sequenz des E. coli Sekretionsmonitors, das C-Terminal an das zu untersuchende Protein kloniert werden kann und dadurch die Peptidkette am Ribosom behält. RNCs wurden mittels verschiedener Methoden untersucht, einschließlich Proteolyse-Experimenten, enzymatischen Aktivitätsmessungen, FRET, Cryo-EM und NMR-Spektroskopie. Alle Methoden zeigten auf, dass sich die Proteine kotranslational falten und auch am Ribosom eine funktionale Struktur annehmen können. Außerdem konnte eine Peptidkette eine α-Helix innerhalb des Ribosoms ausbilden. Ebenso wurden nicht-native kompakte Strukturen innerhalb der Vestibule detektiert.
Die Translation ist ein nicht-uniformer Prozess und der genetische Code degeneriert mit bis zu sechs Codons, die eine einzelne Aminosäure kodieren. Die Verteilung dieser synonymen Codons ist nicht zufällig und sie werden mit verschiedenen Frequenzen innerhalb eines ORFs verwendet. Codons mit einer höheren tRNA Häufigkeit werden schneller eingebaut als Codons, die seltener verwendet werden. Diese seltenen Codons sind häufig zwischen Proteindomänen oder Sekundärstrukturelementen platziert und könnten daher zur Separierung von Faltungsevents dienen. Dass der Austausch von synonymen Codons nicht ohne Folgen ist, zeigten verschiedene Studien. Buhr et al. (2016) zeigte, dass der synonyme Austausch die Translationsgeschwindigkeit, aber auch die Proteinkonformation des bovinen Augenlinsenproteins γB crystallin (GBC) beeinflusst. Während die unmodifizierte Gensequenz aus B. taurus in E. coli langsamer translatiert wurde und zu einem vollständig reduzierten GBC Protein (U) führte, wurde die harmonisierte Genvariante, die der Codon-Verwendung in E. coli angepasst war, schneller exprimiert und resultierte in einem teilweise oxidierten GBC Protein (H). Dieser Befund war der Ausgangspunkt für diese Doktorarbeit.
Die gemessenen Oxidationsunterschiede basieren auf der unterschiedlichen Translationsgeschwindigkeit der beiden Gensequenzen. Die N-terminale Domäne (NTD) des Zweidomänen-Proteins GBC enthält sechs der insgesamt sieben Cysteinreste. Nur in dieser Domäne wurde Oxidation detektiert und die drei Cysteine Cys18, Cys22 und Cys78 bilden eine Ansammlung mit einem Abstand von 5.4-6.4 Å. Um zu untersuchen, ob die Unterschiede bereits nach der Translation der NTD ausgebildet werden, wurde ein Ein-Domänen-Konstrukt hergestellt. Dieses Konstrukt beinhaltete die Aminosäuren 1-82, aber nicht den Peptidlinker, der beide Domänen verbindet. Allerdings wurden bei der Translation der ersten 70 Aminosäuren die meisten Translationspausen detektiert. Das 2D 1H-15N HSQC wies anhand der unterschiedlichen chemischen Verschiebung der Signale auf eine gefaltete Proteinstruktur hin. Daher konnte sich die NTD ohne Beteiligung der CTD eigenständig falten. Zugabe von DTT zu beiden Proteinvarianten U und H führte zu keinem messbaren Effekt. Im Gegensatz zu dem Volllängen-Protein, in dem die Variante H teilweise oxidiert war, war die NTD der Variante H vollständig reduziert.
Zusätzlich sollte geklärt werden, ob auch mögliche Disulfidbrücken im Inneren des Ribosoms ausgebildet werden können. Dann könnte in beiden Genvarianten eine anfängliche Disulfidbrücke ausgebildet werden und durch die unterschiedliche Translationsgeschwindigkeit die Disulfidbrücke in der langsamen Genvariante im E. coli Zytosol reduziert werden, während diese in der schneller translatierten Variante von der CTD geschützt wird. Um zu untersuchen, ob in der Tat Disulfidbrücken im ribosomalen Tunnel ausgebildet werden können, wurden GBC-Fragmente mittels der SecM Sequenz an das Ribosom arretiert und diese RNCs mittels theoretischer Simulation, Festkörper-NMR, Massenspektrometrie und Cryo-EM gemessen.
Theoretische Simulation mittels flexible-mecanno zeigten, dass der ribosomale Tunnel groß genug für die Ausbildung verschiedenster Disulfidbrücken ist. In einem U32SecM Konstrukt, das vier Cysteine und die SecM Sequenz beinhaltet, konnten alle theoretisch möglichen Disulfidbrücken gebildet werden.
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Onkogene RAS-Mutationen zählen mit einem Vorkommen von ca. 25% zu häufigen Genmutationen in malignen Tumoren. Auch im Rhabdomyosarkom (RMS), dem häufigsten Weichteilsarkom im Kindesalter, findet sich eine hohe Rate an wiederkehrenden RAS-Signalwegmutationen. Dabei scheint ein Zusammenhang zwischen der RMS-Risikostratifizierung und dem Vorkommen von RAS-Mutationen zu bestehen. Da Hochrisiko-RMS im Vergleich zu anderen Tumorentitäten im Kindesalter immer noch mit einer unterdurchschnittlichen Prognose einhergehen, stellen RAS-Mutationen einen interessanten Angriffspunkt für eine zielgerichtete Tumortherapie dar. Hierzu soll diese Arbeit durch eine genauere Charakterisierung der Auswirkungen onkogener RAS-Gene auf das RMS beitragen. Verwendet wurden genetisch modifizierte RMS13 Zellen mit ektoper Expression der onkogenen RAS-Mutationen HRAS12V, KRAS12V oder NRAS12V. Eine bereits gut beschriebene Eigenschaft von RAS ist die Förderung der Zellproliferation. Daneben wurde auch beschrieben, dass RAS Einfluss auf den programmierten Zelltod nehmen und in Abhängigkeit vom zellulären Kontext pro- oder auch antiapoptotisch wirken kann. Daher stellte sich die Frage, welche Auswirkungen onkogene RAS-Mutationen in diesem Kontext auf Rhabdomy-osarkomzellen haben. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die ektope Expression von HRAS12V, KRAS12V oder NRAS12V in RMS13 Zellen zu einer gesteigerten Zellproliferation führt, im Hinblick auf die spontane Zelltodrate jedoch keine Veränderungen bewirkt. Damit stellt die erhöhte Proliferationsrate RAS-mutierter Rhabdomyosarkome einen wichtigen Unterschied zu entsprechenden Tumoren ohne solche Mutationen dar. Chemotherapeutika wie Etoposid und Doxorubicin, die besonders effektiv gegen hochproliferierende Zellen sind, zeigen jedoch keinen signifikanten Unterschied in ihrer Wirksamkeit gegen RMS13 Zellen in Anwesenheit von onkogenem RAS. Damit scheint ein selektives Eingreifen in die proliferationsfördernden Mechanismen nötig zu sein, um RAS-mutierte Zellen gezielt in ihrem Wachstum zu hemmen. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit, spezifischer, gezielter Tumortherapien. Neben dem Einfluss auf das Zellwachstum wurden auch Veränderungen in der Redoxhomöostase untersucht. Bisherige indirekte Hinweise auf einen erhöhten oxidativen Stress im RMS in Anwesenheit von RAS-Mutationen können in dieser Arbeit durch den direkten Nachweis erhöhter ROS-Level in RAS-mutierten RMS13 Zellen bestätigt werden. Die akzelerierte ROS-Konzentration lässt vermuten, dass das Überleben von RMS-Zellen mit konstitutiver RAS-Aktivierung in besonderem Maße von antioxidativen Zellstrukturen abhängig sein könnte. Dies könnte sie sensibler gegenüber exogenen Stimuli machen, die zu einer weiteren Erhöhung des oxidativen Stresses führen. Als hervorzuhebendes Ergebnis zeigt diese Arbeit jedoch, dass die ektope Expression von HRAS12V, KRAS12V oder NRAS12V in RMS13 Zellen vor einem oxidativen Zelltod schützt. In Anwesenheit der RAS-Mutationen zeigen RMS13 Zellen einen signifikant geringeren Zellviabilitätsverlust gegenüber einem Eingriff in verschiedene Komponenten des antioxidativen Systems wie durch RSL3 (Glutathion-Peroxidase 4 Inhibitor), Erastin (indirekter Inhibitor der Glutathion-Synthese) oder Auranofin (Thioredoxin-Reduktase-Inhibitor). Dies steht im Gegensatz zu den Erstbeschreibungen, in denen für RSL3 und Erastin eine RAS-selektive Wirkung gezeigt wurde. Als Besonderheit kann der durch RSL3 oder Erastin hervorgerufene Zelltod der RMS13 Zellen als Ferroptose identifiziert werden. Hierbei handelt es sich um eine vor kurzem neu beschriebene Form von programmiertem, oxidativem und eisenabhängigem Zelltod. Diese Arbeit verdeutlicht somit, dass onkogene RAS-Mutationen im RMS gezielt in die Redoxregulation eingreifen, jedoch nur in bestimmten zellulären Kontexten für oxidative Stressoren zu sensibilisieren scheinen. Daneben weist diese Arbeit auch einen protektiven Effekt von onkogenem RAS gegenüber dem dualen PI3K/mTOR-Inhibitor PI-103 in RMS13 Zellen nach. Zusammengenommen deutet dies darauf hin, dass RAS selektiv Einfluss auf durch zytotoxische Stimuli hervorgerufenen Zelltod nimmt. Die Ergebnisse dieser Arbeit, insbesondere der Nachweis einer erhöhten Resistenz gegenüber oxidativen Stressoren in Anwesenheit onkogener RAS-Gene, leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer zielgerichteter und selektiver RMS-Therapiestrategien.
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Three types of post-translation modifications (PTMs) containing N-glycosylation, phosphorylation, ubiquitylation were characterized in diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) on a global scale using quantitative mass spectrometry based proteomics technology in this study.
DLBCL is the most common type of malignant lymphomas and has a heterogeneous gene expression profiling, phenotype and clinical response to chemotherapy. DLBCL is a good model for the correct classification of cancers into molecularly different subtypes, which benefits for the selection of rational therapeutic strategies. It resulted in two histologically indistinguishable subtypes-activated B-cell-like (ABC) subgroup and germinal center B-cell-like (GCB) subgroup according to gene expression profiling. Signals originating from the B-cell receptor (BCR), the key protein on the surface of B cells, promote growth and survival of DLBCL. Antigen-dependent/independent BCR signaling is found in DLBCL subtypes.
Recent researches reveal that glycosylation plays role in human cells via site-specific regulation. Aberrant N-glycosylation in BCR-related effectors, such as, CD79a, immunoglobulin M or G (IgM or IgG), has been found to be associated with lymphoid malignancies. However, accurate quantification of intact glycopeptides and their individual glycan moieties in a cell-wide manner is still challenging. Here we established a site-specific quantitative N-glycoproteomics platform termed SugarQuant. It included a fast sample preparation workflow using Protein Aggregation Capture (PAC), an optimized multi-notch MS3 acquisition workflow (Glyco-SPS-MS3), a self-developed R-based tool (GlycoBinder). The robustness and accuracy of quantitation in SugarQuant were proved in a study using the different amounts of TMT-labelled IgM N-glycopeptides spiked into a background of TMT-labelled yeast peptides. Next, we used SugarQuant to identify and quantify more than 5000 unique glycoforms in Burkitt’s lymphoma cells treated with a series of doses of 2-deoxy-2-fluoro-L-fucose (2FF) and determine the more accurate site-specific glycosylation changes that occurred upon inhibition of fucosylation compared to using MS2 analysis. It revealed that 2FF-sensitive N-glycosylation on key players in BCR-mediated signaling in DG75. Furthermore, 2FF treatment also affects phosphorylation of the key players involving in B cell receptor signaling.
Then we investigated the site-specific quantitative N-glycoproteome in the cell lines of DLBCL subtypes using SugarQuant. More than 7000 unique intact glycopeptides (glycoforms) were quantified in five ABC DLBCL and four GCB DLBCL cell lines. The glycoproteome mapping (intact glycopeptide expressions) in each cell line allows to segregate DLBCL subtypes. The majority of these glycoforms were from the key cell-surface BCR effectors, such as IgM, CD79 and PTPRC. Lastly, we investigated the change of fucosylated glycopeptides in TMD8 cell line upon knockout of the fucosyltransferase FUT8, which is responsible for core-fucose synthesis, and by the treatment with 2FF. The results revealed that FUT8 might also regulate the synthesis of sub/terminal fucose on glycan chain and the inhibition of fucosylation increased the sialyated glycopeptide expression.
Phosphorylation is involved in regulating multiple processes as an important mediator in BCR signaling. Likewise, ubiquitylation plays vital roles in the activation of the nuclear factor-kappaB (NF-κB) pathway in BCR signaling. There are two vital upstream BCR-proximal tyrosine kinases, Bruton’s tyrosine kinase (BTK) and spleen tyrosine kinase (SYK), which regulate the auto-phosphorylation and phosphorylation of other proteins in BCR signaling pathway. Here we investigated the dynamics of downstream phosphorylation and ubiquitylation signaling in ABC DLBCL and GCB DLBCL cell lines upon the inhibitions of BTK and SYK using quantitative proteomics strategy. In the phosphoproteome analysis, a large dataset of quantified phosphorylation sites was obtained in the three ABC and four GCB DLBCL cell lines. BCR signaling in the subtypes of DLBCL cell lines was found to be highly individual in distinct cell lines. These significantly regulated phosphorylation events in each cell line with individual treatment were involved in multiple Reactome pathways, such as, M phase, signaling by Rho GTPases and diseases of signal transduction. Moreover, the gene regulation-related biological processes including chromosome organization and medication, DNA metabolic process, nuclear export, were involved in the DLBCL cell lines. In the ubiquitinome analysis, we identified more than 15,000 ubiquitylation sites in two ABC and one GCB cell lines upon the inhibition of BTK and SYK. The different ubiquitylation events observed in ABC and GCB subtypes revealed distinct BCR signaling pathways in two subtypes. The similar signaling perturbations across each cell line upon BTK and SYK inhibition, which were obtained from the significantly regulated ubiquitylated peptides expression, revealed the cell-type-specific concordance in ubiquitylation regulation upon BTK and SYK inhibition. These ubiquitylation modified proteins who bore the significantly regulated ubi-peptides in the samples were also found to be highly involved in gene regulatory processes.
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This thesis reports three experiments on structural choices during grammatical encoding in monolingual adult speakers of German. Conceptual accessibility, one of the most central notions in language production research, as well as the phenomena of structural and perceptual priming are investigated.
In the first two experiments, a manipulation in terms of inherent conceptual accessibility which has shown universal influences on language production - the factor animacy - is combined with a manipulation making the non-canonical passive structure itself more accessible via structural priming.
Results show that, in addition to a preference for animate entities preceding inanimate entities, speakers can be structurally primed. Structural priming of passive structures led to significantly more passive responses compared to (intransitive) baseline structures.
This holds for monologue settings (Experiment 1) as well as dialogue settings (Experiment 2).
The structural priming effect was stronger in the dialogue setting compared to the monologue setting.
The third experiment combines contexts manipulating the derived conceptual accessibility of one of two entities to be described with a visual cueing manipulation increasing the perceptual accessibility of one of the referents.
Whereas a comprehensive literature review as well as the experimental work conducted within this thesis suggest that animacy and topicalization may exert universal influences on structural choices during language production, perceptual accessibility does not seem to have this potential.
In line with previous cross-linguistic work, perceptual priming in form of an implicit visual cueing manipulation did not show significant effects on speakers' structural choices in German.
These findings contrast with findings obtained for English, suggesting that language-specific characteristics in terms of word order flexibility may influence effcts on grammatical encoding during language production.
Increasing the derived accessibility of one of two referents, however, once again showed significant influences on speakers' structural choices with the topicalization of a patient referent leading to an enhanced production of passive responses.
Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is an autosomal dominant neurodegenerative movement disorder caused by expansion of CAG repeats in the ATXN2 gene beyond 33 units, while healthy individuals carry 22-23 repeats. First symptoms of SCA2 include uncoordinated movement, ataxic gait and slowing of the saccadic eye movements in line with the early pronounced atrophy of cerebellum, spinal cord and brainstem. Cerebellar Purkinje cells and spinal cord motor neurons are the most affected cells from ATXN2 expansions. Later on, patients manifest distal amyotrophy, problems in breathing and swallowing, depression and cognitive decline caused by widespread degeneration throughout the brain. The striking loss of mass in the brain, due to severe myelin fat atrophy, is accompanied by a similar reduction in the peripheral fat stores. After the devastating progression of disease, the severity and duration of which depends on the CAG repeat size, genetic background and environmental factors, patients succumb to SCA2 mostly because of respiratory failure at the terminal stage. Larger repeat sizes lead to an earlier manifestation of the disease and a more rapid progression. Aside from SCA2, intermediate-length and short pathogenic CAG expansions in ATXN2 between 26-39 repeats significantly increase the risk of developing other neurodegenerative disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), fronto-temporal lobar dementia (FTLD) or Parkinson plus tauopathies like progressive supranuclear palsy (PSP) in various cohorts across the world.
Ataxin-2 (ATXN2) is a ubiquitously expressed cytosolic protein most famous for its involvement in neurodegenerative disease caused by the expanded poly-glutamine (polyQ) domain corresponding to a genomic (CAG)n tract. This N-terminal polyQ domain has no known function, other than increasing the aggregation propensity of mutant ATXN2 and facilitating interaction with other polyQ containing proteins, leading to their sequestration. The progressive accumulation of ATXN2 into cytosolic foci, and also that of its interaction partners over time, underlies the molecular pathomechanism. Next to polyQ domain, ATXN2 also contains a Like-Sm domain (Lsm), an Lsm-associated domain (LsmAD), multiple proline-rich domains (PRD) and a Poly(A)-Binding-Protein (PABP)-interacting motif (PAM2).
Through its Lsm/LsmAD domains, ATXN2 directly binds to a large number of transcripts, regulating their quality and translation rate. In a similar fashion, through its direct interaction with PABP via PAM2 motif, ATXN2 indirectly modifies the fate of even larger number of transcripts and global translation. Several PRDs scattered across the protein help ATXN2 associate with growth factor receptors and other endocytosis factors, modulating nutrient uptake and downstream signaling.
ATXN2 is a stress response factor. Therefore, its involvement in nutrient uptake plays a crucial part in cell’s capability to overcome non-permissive conditions. Upon nutrient deprivation, oxidative stress, proteotoxicity, heat stress or Ca2+ imbalance, ATXN2 relocalizes into cytosolic ribonucleoprotein particles known as stress granules (SGs), together with PABP, several eukaryotic translation initiation factors, many other RNA-binding proteins (RBP) with their target transcripts and the small ribosomal subunit. Collectively, they modulate the stability of the trapped transcripts, favoring the maturation and translation of IRES-dependent stress response proteins instead, according to the specific need. Many RBPs interact either directly or in an RNA-dependent manner in the SGs, and due to the large number of ALS-causing mutations identified in them (such as TDP-43, FUS, TIA-1, hnRNPA2/B1), SGs became a hot topic in neuropathology. Acute SGs serve to halt translation and growth, and to spend energy only for survival until stress disappears. However, chronic SG assembly eventually activates apoptotis leading to cell death. While the polyQ expansions in ATXN2 enhance SG stability, reduce their dissociation rate after stress, and lead to aberrant post-translational modifications of other SG components like TDP-43, complete loss of ATXN2 delays SG formation and results in easily dissolvable foci.
Most of the stressors that induce SG formation eventually converge on energetic deficit. Therefore, it is logical that the ultimate task of SGs is to stop further growth when it cannot be afforded. In yeast, the molecular mechanism underlying this growth arrest was explained as sequestration of the master growth regulator complex, Target-of-Rapamycin Complex 1 (TORC1), into SGs in an ATXN2-dependent manner. The repressor effect of ATXN2 on mammalian TORC1 (mTORC1) and global protein translation had already been documented in earlier studies; complete loss of ATXN2 function in knock-out mouse (Atxn2-KO) resulted in mTORC1 hyperactivity and transcriptional upregulation of multiple ribosomal subunits indicating an increased need for these machines. ...
Hintergrund: Die Tiefe Hirnstimulation ist eine etablierte Therapieoption zur Behandlung von Bewegungsstörungen. Um ein möglichst gutes Ansprechen bei geringen Nebenwirkungen zu erreichen, ist eine optimale Platzierung der Stimulationselektrode unverzichtbar. Für die Optimierung der Elektrodenposition wird in vielen Zentren eine Makrostimulation durchgeführt, die jedoch abhängig von der Mitarbeit des Patienten ist und eine Operation im Wachzustand erfordert.
Fragestellung: Ziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob die intraoperativ gemessenen Nebenwirkungsschwellen durch MEP oder Traktographie vorausgesagt werden können und eine Korrelation zur postoperativen Nebenwirkungsschwelle nachgewiesen werden kann.
Methoden: Eingeschlossen wurden die Daten von 42 Patienten, die sich einer Tiefen Hirnstimulation unterzogen hatten. Intraoperativ erfolge neben der Ableitung der Nebenwirkungsschwelle bei der Makrostimulation die Erfassung von MEP. Zusätzlich wurde eine Traktographie zur Darstellung der motorischen Faserbahnen durchgeführt, wobei auch die Daten der nTMS genutzt wurden. Anschließend erfolgte eine Abstandsmessung zwischen der Stimulationselektrode und der motorischen Faserbahn. Wenige Tage postoperativ wurden die Nebenwirkungsschwellen erneut im Rahmen der Ersteinstellung des Neurostimulators erhoben. Die Daten der intraoperativ gemessenen Nebenwirkungsschwelle wurden mit den Daten der MEP-Schwellenwerte, dem Faserbahnabstand und den postoperativen Schwellenwerten mittels einer linearen
Regressionsanalyse korreliert.
Ergebnisse: Eine Korrelation zwischen intraoperativer Nebenwirkungsschwelle und MEP konnte nicht nachgewiesen werden. Es ergab sich ein signifikanter Zusammenhang der Abstände der Stimulationselektrode zur motorischen Faserbahn. Die Korrelation mit den postoperativen Nebenwirkungsschwellen ergab einen signifikanten Zusammenhang.
Schlussfolgerung: Die intraoperativen Nebenwirkungsschwellen konnten durch MEP in dieser Studie nicht vorhergesagt werden. Jedoch kann die Traktographie die Makrostimulation ergänzen. Außerdem sollten die intraoperativ gemessenen Nebenwirkungsschwellen mit Vorsicht betrachtet werden, da diese zu einer Überschätzung des therapeutischen Fensters beitragen können.
Aufgrund wachsender Evidenz zu guten Langzeitergebnissen und geringen Komplikationsraten gewinnt die Prostataarterienembolisation (PAE) in der Therapie des Benignen Prostatasyndroms an Bedeutung. Durch ihren hohen technischen Anspruch bedarf es im Vorfeld einer umfassenden Untersuchung der Beckengefäßanatomie. Das Vorliegen eines zum Teil jungen Patientenkollektivs rückt zudem das Einsparen von Strahlung in den Fokus. In diesem Rahmen gewinnt die Magnet-Resonanz-Angiografie (MRA) an Aufmerksamkeit. Obwohl bereits erste Studien Erfolg versprechen, wird die MRA zur PAE-Planung zum Teil kritisch betrachtet, da sie aufwändiger und in der Auflösung unterlegen sei. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Vorteile die MRA im Zuge der PAE-Planung bietet und ob die klinische Effektivität der PAE unbeeinträchtigt bleibt. Weiterhin wurde untersucht, ob eine erfolgreiche MRA-geführte Planung die benötigte Strahlendosis reduziert.
In diese retrospektive Analyse wurden 56 Patienten, die zwischen Januar 2017 und April 2018 im Frankfurter Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie eine PAE erhielten und bei denen ein vollständiger, die Interventionszeit und Strahlungsparameter umfassender Datensatz sowie eine MRA vor der PAE vorlagen, eingeschlossen. Zusätzlich wurden mittels International Prostate Symptom Score (IPSS), Quality of Life (QoL) und International Index of Erectile Function (IIEF) klinische Daten vor und nach der PAE erhoben. In der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT) vor der PAE wurden das Prostatavolumen, die Intravesical Prostatic Protrusion (IPP) und der Prostatic Urethral Angle (PUA) untersucht. Zur Analyse der Prostataarterie wurden Maximum Intensity Projection (MIP) und ein dreidimensionales Modell verwendet. Um die Auswirkungen einer erfolgreichen Urspungsanalyse auf Interventionszeit und Strahlungsparameter zu untersuchen, wurden diese Faktoren zwischen zwei Gruppen verglichen. In der ersten Gruppe konnte die Prostataarterie mittels MRA ermittelt werden, in der zweiten Gruppe war dies v.a. aufgrund von technischen Mängeln der Bildakquisition nicht möglich.
Der Nachweis des Ursprungs gelang bei 84,73% (111 von 131) der Prostataarterien, davon entsprangen 52,25% der A. pudenda interna, 18,92% zusammen mit der A. vesicalis superior, 13,51% seltenen Ursprüngen, 10,81% der A. obturatoria und 4,51% der vorderen Division der A. iliaca interna unterhalb der A. vesicalis inferior. Die Gruppe mit erfolgreicher Ursprungsanalyse mittels MRA zeigte signifikant geringere Werte in Fluoroskopiezeit (-26,96%, p = 0,0282), Dosisflächenprodukt (-38,04%, p = 0,0025) und Eingangsdosis (-37,10%, p = 0,0020). Die PAE bedingte eine signifikante Verbesserung in IPSS (p < 0,0001), Lebensqualität (p < 0,0001) und IIEF (p = 0,0016), dabei konnte der von den Patienten angegebene IPSS-Wert um durchschnittlich 9,42 Punkte (-43,37%) und der QoL-Wert um 2 Punkte (-50,00%) reduziert werden. Das Prostatavolumen (p < 0,0001), IPP (p = 0,0004) und PUA (p < 0,0001) zeigten sich ebenfalls signifikant reduziert. Das Volumen der Prostata schrumpfte um 4,92 ml (-8,35%), die IPP um 1,2 mm (-9,2%) und der PUA um 5,5° (-8,10%). Signifikante Zusammenhänge konnten zwischen IPSS- und QoL-Reduktion (p < 0,0001, r = 0,7555), sowie zwischen Höhe des IPSS vor der PAE und der absoluten IPSS-Reduktion (p = 0,0041, r = -0,4434) nachgewiesen werden.
Die MRA ermöglicht eine strahlungsfreie Analyse des Abgangs der Prostataarterie. Durch diese Auswertung konnte die benötigte Strahlendosis signifikant reduziert werden. Die MRA-geplante PAE erzielte eine deutliche Verbesserung der Symptomatik und der Lebensqualität. Die erektile Funktion konnte signifikant verbessert werden. Prostatavolumen, IPP und PUA zeigten zwar signifikante Veränderungen, wiesen jedoch keinen Zusammenhang zu klinischen Entwicklungen auf. Zwischen dem Ausgangsvolumen der Prostata und dem klinischen Ergebnis konnte ebenfalls keine signifikante Korrelation festgestellt werden, jedoch scheint der Ausgangswert des IPSS eine prädiktive Funktion zu haben.
Die MRA-geplante PAE ist klinisch effektiv und ermöglicht durch die Analyse der Prostataarterie eine Reduktion der benötigten Strahlung. Zusammen mit der MRT unterstützt sie die Indikationsstellung und Planung der PAE.
The blood-brain barrier (BBB) protects the brain microenvironment from external damage. It is formed by endothelial cells (ECs) lining the brain vessels, expressing tight junctions and having reduced transcytosis, resulting in a very low paracellular and transcellular passage of substances, respectively (low permeability). The specific BBB phenotype is maintained by Wnt molecules secreted by astrocytes (ACs) that bind to receptors in ECs, and start a molecular cascade that leads to β-catenin translocating to the nucleus and activating the transcription of BBB genes.
An increasing number of studies report BBB dysfunction in Alzheimer’s disease (AD), although the topic is currently under debate. AD is a neurodegenerative condition characterized by brain depositions of Aβ aggregates and Tau neurofibrillary tangles. The aetiology of AD is unknown, although round 5% of all AD cases have a genetic origin. Mutations in APP or PSEN1/2 can lead to Aβ over-production and accumulation, causing familiar AD. There is no cure for AD, as all clinical trials failed during the past years. Consequently, I studied the role of the BBB in AD, aiming to investigate if a BBB dysfunction occurs in AD, and to identify by transcriptomic analysis novel gene regulations happening at the BBB in AD. The final objective was to evaluate the potential of identified BBB genes as therapeutical target.
I used transgenic mice expressing the human APP mutations Swiss, Dutch and Iowa under the control of the neuronal promoter Thy1 (Thy1-APPSwDI) as AD model. In this AD mouse model, I could detect Aβ deposits and memory loss by immunofluorescence (IF) and behavioural tests. Importantly, I identified an increase of BBB permeability to 3-4 kDa dextrans in 6 months, 9-12 months, and 18 months or older AD mice compared to age-matched control wild types (WT), indicating BBB dysfunction in AD mice.
In order to study the BBB transcriptional changes in AD, I sequenced the RNA from 6 and 18 months old AD and WT mouse brain microvessels (MBMVs), as well as of FACS-sorted ECs, mural cells (MuCs), ACs, and microglia (MG) in collaboration with GenXPro, a company specialized in 3’ RNA sequencing. Currently, no transcriptomic datasets of ECs and MuCs are publicly available, suggesting that this is the first study sequencing those cell types in the context of AD.
The analysis of sequencing data from MBMVs and ECs revealed a Wnt/β-catenin repression, and an increase of inflammatory genes like Ccl3 in ECs, that could explain the BBB dysfunction observed in AD mice. Furthermore, the sequencing data from MuCs identified a set of 11 genes strongly regulated in both 6 and 18 month AD groups. Three of those 11 genes are known to be involved in inflammatory processes, demonstrating that inflammation affects and plays an important role in MuCs and ECs during AD.
Thanks to published sequencing data, some up-regulated MG genes in AD are well known and recognized, such as Trem2 and Apoe. Those genes were found in the FACS-sorted MG data as well, validating the AD model and with it, the other novel sequenced datasets. Importantly, one of the most strongly AD-regulated genes in MBMV and MG samples was Dkk2, a member of the Dickkopf family of secreted proteins known to be involved in Wnt signalling modulation. Importantly, a dual luciferase reporter assay proved that Dkk2 is a Wnt inhibitor. A preliminary immunohistochemistry examination of DKK2 in human brain autopsy tissue from an AD patient and age-matched control revealed a stronger DKK2 immunoreactivity in the AD brain.
In order to answer the question whether a rescue of BBB function would ameliorate AD symptoms, I made use of a tamoxifen-inducible transgenic mouse line to activate the Wnt/β-catenin pathway specifically in ECs, leading to a gain of function (GOF) condition (Cdh5-CreERT2+/–/Ctnnb1(Ex3)fl/fl). This mouse line was then crossed with the AD line, creating AD/GOF and AD/control groups.
AD/GOF mice performed better in a Y-Maze memory test than AD/controls when the Wnt/β-catenin pathway was induced before AD onset, indicating a protective effect. Moreover, the finding implies that shielding BBB functioning in AD further protects the brain from AD toxic effects, suggesting an important role of brain vasculature in AD and its potential as therapeutic target.
Synaptic plasticity is the activity dependent alteration of the composition, form and strength of synapses and believed to be the underlying mechanism of learning and memory formation. While initial changes in synaptic transmission are caused by second messenger signaling pathways and rapid modifications in the cytoskeleton, to achieve stable and persistent changes at individual synapses, the expression of new mRNAs and proteins is required. The central dogma postulated that the cell body is the only source of newly synthesized proteins. For neurons, with their unique morphology, this meant that proteins would need be transported long distances, often hundreds of microns, to reach their destined locations in dendrites and at spines. To overcome this limitation, neurons have developed a strategy to regulate protein synthesis locally by distributing thousands of mRNAs into neuronal processes and use them for local protein synthesis. Ample research has demonstrated the importance of local protein synthesis to many forms of long-term synaptic plasticity. One potential regulator of mRNA localization and local translation in neurons are non-coding RNAs. Intensive work over the past decades has highlighted the importance of non-coding RNAs in many aspects of brain function. The aim of this thesis is to obtain a better understanding of the role of non-coding RNAs in synaptic function and plasticity in the murine hippocampus. For this, we focused our studies on two classes of non-coding RNAs.
In the first part of my thesis, I describe our efforts on characterizing circular RNAs, a novel and peculiar family of non-coding RNAs, in the murine hippocampus by combining high throughput RNA-Sequencing with fluorescence in situ hybridization. Furthermore, we investigated the mechanisms of circular RNA biogenesis in hippocampal neurons by temporarily inhibiting spliceosome activity and analyzing the differentially regulated circular RNAs.
Kognitive Beeinträchtigungen (KB) sind ein häufiges Symptom bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS). Diese führen im Alltags- und Berufsleben oft zu Einschränkungen. In der Standarddiagnostik der Multiplen Sklerose fehlt es aktuell an validierten, zeitsparenden, kostengünstigen sowie sprach- und bildungsunabhängigen Screening-Verfahren von KB. Ziel des Screenings ist es zu diskriminieren, welche Patienten einer ausführlichen neuropsychologischen Diagnostik unterzogen werden sollten. Als mögliche neue Screening-Verfahren wurden erstens die Sound-induced Flash Illusion (SiFI) als Paradigma multisensorischer Integration und zweitens das visuelle Suchverhalten anhand von Bildern natürlicher Umgebungen mit Hilfe der Technik des Eyetrackings (ET) verwendet.
Mittels SiFI wurden 39 Patienten mit schubförmiger (relapsing-remitting) MS (RRMS) und 16 primär- bzw. sekundär-progrediente (progressive) MS-Patienten (PMS) versus 40 gesunde Kontrollen (healthy controls, HC) auf eine verlängerte Perzeption der Illusion getestet. Im ET Versuch wurden 36 RRMS- und 12 PMS-Patienten versus 39 HC auf abweichende Fixationszeiten und Genauigkeiten untersucht. Um Zusammenhänge zwischen den Testleistungen der SiFI bzw. des ET und kognitiven Beeinträchtigungen herstellen zu können, wurde eine ausführliche neuropsychologische Testung durchgeführt.
Insgesamt nahmen MS-Patienten die Illusion der SiFI häufiger wahr als HC. Insbesondere PMS-Patienten erfuhren die Illusion bei großen Interstimulus-Intervallen signifikant öfter als HC. Zusätzlich ist bei MS-Patienten eine erhöhte Prädisposition, die Illusion der SiFI wahrzunehmen mit einem unterdurchschnittlichen Abschneiden in der neuropsychologischen Testung assoziiert. Des Weiteren ist die SiFI sprach- und bildungsunabhängig, kostengünstig und unterliegt bei Mehrfachtestung keiner Lerneffekte.
Beim ET zeigten MS-Patienten im Vergleich zu HC signifikant veränderte Fixationszeiten und reduzierte Genauigkeiten bei der Betrachtung von Bildern natürlicher Umgebungen. Beeinträchtigtes visuelles Suchverhalten war ein Prädiktor für eine verlangsamte Informationsverarbeitungsgeschwindigkeit in der neuropsychologischen Testung. Zudem konnte anhand der ET-Daten zwischen RRMS- und PMS-Patienten diskriminiert werden.
Zusammenfassend bestätigte die Studie, dass durch die SiFI erfasste multisensorische Integration und durch ET analysiertes visuelles Suchverhalten geeignet sind, um KB bei MS-Patienten zu screenen. Insbesondere lieferte die Testleistung der SiFI einen robusten Bezug zum Abschneiden in der neuropsychologischen Testung. Gleichzeitig war durch die Analyse von visuellem Suchverhalten eine Vorhersage über den Krankheitsprogress möglich. Diese Forschungsergebnisse liefern Evidenz, um beide Methoden nach ergänzender Forschungsarbeit potentiell in den klinischen Alltag integrieren zu können. Eine frühe Detektion von KB bei MS-Patienten ist von hoher Relevanz, um lange eine hohe Lebensqualität zu gewährleisten. Daher können Erkenntnisse dieser Studie genutzt werden, um den Krankheitsverlauf langfristig positiv zu beeinflussen.
Die Forschung beschrieben in dieser Dissertation ist ein Teil der "European Research and Innovation Programme - PEARRL", und wurde von Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions der Europäischen Union, unter Förderungsnummer 674909 unterstützt.
In den letzten Jahren, wurde Senkung der Intensität der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung beobachtet, da die Weiterentwicklung der Wirkstoffmolekülen hinzu einer "handlichen" Formulierung viele Schwierigkeiten aufweist. Meiste der neuen Wirkstoffkandidaten, die sich in Entwicklung befinden, haben suboptimale Eigenschaften in Bezug zur Löslichkeit und Auflösung und zeigen schlechte Bioverfügbarkeit, wenn eingenommen. Deswegen verlangen meiste neue Wirkstoffkandidate einen besonderen Ansatz in Bezug auf Formulierung, um akzeptable orale Bioverfügbarkeit zu erreichen. Diese neue Formulierungen werden meistens als “bio-enabling” Formulierungen bezeichnet und werden in Heilmittelentwicklung immer häufiger verwendet.
Hauptziel dieser Dissertation ist zu erforschen ob, durch Verbinden von biorelevanten in vitro Werkzeugen mit in silico Modeling und Simulationen, die in vitro Löslichkeit und Auflösung von bio-enabling Formulierungen mechanistisch erkläert und besser verstanden werden kann und somit eine erfolgreiche Simulation von in vivo Leistung erreicht werden kann.
Als Erstes wurden die physiologische Parameter, die die pharmakokinetik oraler Formulierungen beeinflüssen, identifiziert, indem die Auswirkung der Wirkstoffe, die zur Behandlung Magen-Darm-Krankheiten genutzt werden, sowie deren Pharmakokinetik, beurteilt wurde. Unter anderem wurde pH als einer der entscheinenden phyisiologischen Parameter erkannt, da es die Pharmakokinetik peroral verabreichter Stoffe signifikant beeinflüssen kann.
Als zweiter Schritt, mit besonderer Beachtung auf die Verwendung der biorelevanten in vitro Werkzeugen für die Erforschung der in vivo Auflösungsprozesse von bio-enabling Formulierungen, Fokus auf die biorelevante Medien und in vitro Apparaturen, die mögliche Prezipitationskinetik einschätzen können, wurde gesetzt. Biorelevante Medien sind wässrige Flüssigkeiten, die die Zusammensetzung der gastrointestinaler Flüssigkeiten nachmachen und für die Auflösungsuntersuchungen genutzt werden. Bis heute beinhalten die Aspirationsstudien die wichtigsten Hinweise und Informationen für den Design biorelevanter Medien. Es wurde beobachtet, dass die berichteten Werte mancher phyisiologisher Parameter erhebliche Unterschiede zwischen den Aspirationsstudien zeigen. Deswegen wurde untersucht, ob die Ergebnisse durch die Auswahl an Methodologie, die für die Entnahme und die Auswertung der Proben genutzt worden sind, beeinflusst werden können, wobei besondere Aufmerksamkeit den pH und der Pufferkapazität geschenkt wurde. Es wurde gezeigt, dass Unterschiede im Prozess der Probenhandhabung, z.B. Zentrifugieren und Lagerung einen deutlichen Einfluss auf die gemessenen Werte haben kann. Ausserdem, wurden in dieser Arbeit die in vitro Setups, die bisher in der Literatur zur Beurteilung der Übersättigung u.o. Ausfällung von Arzneimitteln im oberen Magen-Darm-Trakt vorgeschlagen wurden, überprüft und ihre Nützlichkeit und aktuelle Anwendung bewertet.
Nach Behebung der oben genannten Probleme, wurden zwei Fallbeispielformulierungen ausgewählt, um die Haupthypothese zu untersuchen. Die erste Formulierung ist auf den Markt unter dem Namen EMEND® und enthält den Wirkstoff in Nanoform. Die zweite Formulierung wird als INTELENCE® vermarktet und ist eine amorphe feste Dispersion des Wirkstoffs Etravirin. Durch die Wahl zwei unterschiedlicher Formulierungsansätzen konnten unterschiedliche Fallszenarien untersucht werden, wodurch umfassendere Vorschläge für die Bewältigung der Herausforderungen bei in vitro Experimenten und in silico Modelling mit bio-enabling Formulierungen möglich waren.
Bezogen auf den in dieser Dissertation beschriebenen Ansatz, ein mechanistisches Verständnis des in vivo Absorptionsprozesses, sowie eine erfolgreiche Simulation der nach der Verabreichung resultierenden Plasmaprofile einer bio-enabling-Formulierung der Nanoskala- und einer amorphen festen Dispersion wurde erreicht. Darüber hinaus wurden mögliche Wege vorgeschlagen, um einige Herausforderungen im Hinblick auf die Entwicklung von PBPK-Modellen für biofähige Formulierungen anzugehen. Diese Arbeit zeigt die mögliche Anwendung und Bedeutung der Absorptionsmodellierung für die rationale Formulierungsentwicklung und für die Stärkung des Wissens über Bio-Heilmittel in Bezug auf bio-enabling Formulierungen. Mithilfe dieses Ansatzes können die wesentlichen Parameter identifiziert werden, die das pharmakokinetische Verhalten schwerlöslicher Wirkstoffe beeinflussen, die als bio-enabling Formulierungen formuliert sind, und ermöglichen wiederum eine robuste Vorhersage der klinischen Ergebnisse.
Fokus meiner Doktorarbeit ist die Anwendung und Entwicklung NMR-spektroskopischer Methoden zur Charakterisierung zeitabhängiger Strukturänderungen von Biomolekülen – von lokalen dynamischen Veränderungen bis zur vollständigen Rückfaltung von Proteinen – und fasst die Ergebnisse meiner drei wichtigsten PhD-Projekte zusammen.
In meinem ersten Projekt habe ich die Leistung eines Temperatursprung-Probenkopfs – mit dem Proben mit hoher Salzkonzentration schnell erwärmt werden können – mithilfe einer Hochfrequenzspule technisch optimiert. Die optimierten Radiofrequenz-Bestrahlungsparameter, Lösungsmittel-bedingungen und der reduzierte Arbeitszyklus führten zu einem Temperatursprung von 20 °C in 400 ms. Ich habe eine Cystein-freie Mutante von Barstar hergestellt, die nach Zugabe von Harnstoff bei 0 °C kalt denaturiert werden kann, während sie ihren gefalteten Zustand bei 30 °C hält. Dadurch wurde auch ermöglicht, dass der Rückfaltungsprozess hunderte Male ohne Abbau oder Aggregation wiederholt werden kann. Die Kombination von reversibler Rückfaltung und rascher Temperaturänderung des kalt denaturierten Barstars ermöglichte die Entwicklung eines neuen kinetischen Experiments, bei dem der Rückfaltungsprozess von Barstar mit einem zweidimensionalen Echtzeit-NMR in hoher Zeitauflösung untersucht wird. Die vollständige Rückgratresonanzzuweisung wurde sowohl für den gefalteten als auch für den kalt denaturierten Zustand von Barstar durchgeführt und ergab, dass in der denaturierten Form beide Prolin-Reste einen gemischten Konformationszustand aufweisen. Dabei befindet sich die Tyr47-Pro48-Amidbindung im ungefalteten Zustand hauptsächlich in trans-, während im gefalteten Zustand in der seltenen cis-Konformation. Das neue hochauflösende kinetische Experiment zeigte, dass die Rückfaltung von Barstar durch die trans-cis-Isomerisierung der Tyr47-Pro48-Amidbindung verlangsamt wird, was sowohl die Sekundärstruktur als auch die Bildung der Tertiärstruktur beeinflusst. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte ich einen plausiblen Faltungsmechanismus für den langsamen Faltungsweg von kalt denaturiertem Barstar skizzieren. Durch Änderung der Zeitparameter des Heizungszyklus wurde erreicht, dass die Tyr47-Pro48-Amidbindung im ungefalteten Zustand in der cis-Konformation bleibt und daher der schnelle Faltungsweg dominant wird. Das Starten des Magnetisierungstransfers vor der Temperaturänderung ermöglichte die Aufzeichnung eines Spektrums, das den entfalteten Zustand mit dem gefalteten Zustand korreliert. Dieses Spektrum ermöglichte quantitative Analysen des schnellen Faltungsweges und lieferte sogar indirekte Hinweise auf einen Zwischenzustand. Diese Methode aus Kombination von schnellem Temperatursprung und Kaltdenaturierung zeigt ein hohes Potenzial, Proteinfaltung auf atomarer Ebene experimentell zu untersuchen und ein tieferes Verständnis verschiedener Faltungswege zu erlangen.
In meinem zweiten Projekt – das Teil einer interdisziplinären Forschung war – konzentrierte ich mich auf die NMR-spektroskopische Charakterisierung von Nukleinsäuren, die mit einer photolabilen Schutzgruppe modifiziert wurden. Zuerst wurde mithilfe homonuklearer Korrelationsexperimente eine vollständige Protonresonanzzuweisung erreicht. Danach wurde die relative Konfiguration der photolabilen Schutzgruppen bestimmt basierend auf einer dreidimensionalen Modellstruktur und spezifischer NOE-Korrelationen. Des Weiteren wurde ein Strukturmodell unter Verwendung von NOE-Einschränkungen berechnet. Dieses Strukturmodell zeigte eine eingeschränkte Rotation um die CN-Bindung zwischen dem Käfig und der Nukleobase. Das Modell zeigte auch, dass der Käfig in der Hauptrille positioniert ist und nicht in das Lösungsmittel herausklappt. Im Vergleich zu einem zuvor charakterisierten NPE-Käfig führte die erhöhte Größe zu einer weiteren Senkung des Schmelzpunkts, zeigte jedoch einen geringeren Schmelzpunktunterschied zwischen der S- und der R-Konfiguration des Käfigs, wobei die S-Konfiguration zu einer größeren Reduktion des Schmelzpunktes führt. Dieser Trend wurde weiter untersucht und durch ein Screening unterstützt. Durch selektive Wasserinversions-Rückgewinnungsexperimente konnte ich auch zeigen, dass der Käfig die lokale Stabilität nur bis zu einer Entfernung von zwei benachbarten Basenpaaren von der Modifikationsstelle verringert. Die NOE-Daten dienten auch als guter Bezugspunkt, um die Qualität molekulardynamischer Simulationen zu testen, mit denen zusätzliche Käfigdesigns untersucht wurden. Die Kombination aus Synthese, NMR-Spektroskopie und MD-Simulationen ermöglichte bis jetzt die detaillierteste Untersuchung des Effekts vom Einbau eines einzelnen Käfigs zur Destabilisierung der DNA-Sekundärstruktur. Dabei wurden Einschränkungen des möglichen Designs aufgedeckt, aber auch die Entwicklung einer neuen, effizienteren Struktur ermöglicht.
Mein drittes Projekt konzentrierte sich auf die Charakterisierung eines RNA-Modellsystems. NMR-spektroskopische Daten von kleinen RNA-Modellsystemen – wie NOE, skalare Kopplungen, kreuzkorrelierte Relaxationsraten und RDC – sind eine unschätzbare Referenz für MD-Simulationen, obwohl die Menge der verfügbaren Literaturdaten – bis jetzt – sehr begrenzt ist. ...
Hintergrund: Den derzeitigen Therapiestandard in der Behandlung des lokal begrenzten Prostatakarzinoms stellen die radikale Prostatektomie und perkutane Radiotherapie dar. Aufgrund der besonderen Strahlenbiologie des PCa (α-/β-Wert 1,5 Gy) ist von einer höheren Sensitivität gegenüber einer Hypofraktionierung auszugehen. Die aktuellen Literaturdaten zeigen eine Nichtunterlegenheit der moderaten Hypofraktionierung gegenüber dem konventionellen Regime, jedoch sind Langzeitergebnisse hinsichtlich der Spättoxizität noch spärlich. In dieser Arbeit werden onkologische Ergebnisse sowie GI-/ und GU-Toxizität nach moderat hypofraktionierter, intensitätsmodulierter (IMRT/VMAT) und bildgeführter (IGRT) Radiotherapie mit simultan integriertem Boost (SIB) in einem universitären Tumorzentrum untersucht.
Patienten und Methoden: In den Jahren 2010 bis 2016 wurden an der Uniklinik Frankfurt 170 Patienten mit histologisch gesichertem lokal begrenzten bis fortgeschrittenen PCa (T1-4, N0-1, M0) mittels moderat hypofraktionierter EBRT in IG-IMRT- bzw. IG-VMAT- und SIB-Technik behandelt. Alle Patienten wurden nach D’Amico-Klassifikation stratifiziert und risikoadaptiert therapiert. Die GI- und GU-Toxizität wurde gemäß CTC v4.0 wöchentlich unter der Therapie und während der Nachbeobachtungszeit erfasst. Ein biochemisches Rezidiv wurde definiert als PSA-Nadir + 2 ng/ml. Die Nachbeobachtung erfolgte 6-8 Wochen, 2-3 Monate und 6 Monate nach Radiotherapie sowie anschließend mindestens einmal jährlich. Die Datenauswertung erfolgte retrospektiv. Für die statistischen Analysen wurden die Software-Programme Excel und SPSS verwendet. Die Kaplan-Meier-Überlebensanalysen wurden mittels Log-Rank-Test verglichen und bei signifikanten Unterschieden in eine Cox-Regression-Analyse aufgenommen. Ein möglicher Zusammenhang zwischen dosimetrischen/klinischen Parametern und GI-/GU-Toxizität wurde mittels Chi-Quadrat-Test nach Pearson geprüft. Für alle durchgeführten Analysen galt ein p-Wert von <0,05 als statistisch signifikant. Ergebnisse: Patienten der low-risk- (n = 15) sowie intermediate- und high-risk-Gruppe mit Z.n. TURP (n= 14) erhielten eine GRD von 73,6 Gy für das PTV1 bzw. 58,24 Gy (PTV2) mit einer Einzeldosis von 2,3 Gy (SIB) bzw. 1,82 Gy in 32 Fraktionen. Patienten der intermediate- (n = 70) und high-risk- (n = 71) Gruppe erhielten eine GRD von 75,9 Gy (PTV1) bzw. 60,06 Gy (PTV2) mit einer Einzeldosis von 2,3 Gy (SIB) bzw. 1,82 Gy in 33 Fraktionen. Eine zusätzliche Bestrahlung des LAG (PTV3) mit einer GRD von 46,0 Gy und 1,84 Gy Einzeldosis in 25 Fraktionen erhielten alle Patienten mit radiologischer cN1-Situation bzw. im Falle eines LK-Befallsrisikos von >20% nach Roach-Formel (n = 86). Eine (neo-) adjuvante AHT erhielten insg. 98 Patienten. Die mediane Nachbeobachtungszeit betrug 36 Monate (Range: 5-84 Monate). Die 24-, 36-, und 60-Monate-ÜLR lagen in der IR-Gruppe bei 98,4%, 96,1% bzw. 89,7% (OS), 98,6% bzw. 94,9% (BC), 97% bzw. 84,5% (DFS) und 98,6% (FFM), in der HR-Gruppe bei 93,1% bzw. 88,8% (OS), 89%, 84,7% bzw. 75,3% (BC), 82,5%, 74,2% bzw. 65,9% (DFS) und 98%, 95,7% bzw. 84,8% (FFM). Weder für die AHT noch die RT des LAG konnte eine Verbesserung des OS, DFS, FFM sowie der BC gezeigt werden. Eine Akuttoxizität Grad 2 trat bei 6,5% (GI) bzw. 16,5% (GU) und Grad 3 bei 0,6% (GI) bzw. 0% (GU) auf. Eine Spättoxizität Grad 2 trat bei 2,9% (GI) bzw. 12,4% (GU) und Grad 3 bei 0,6% (GI) bzw. 1,2% (GU) auf.
Schlussfolgerung: Mit Implementierung der moderat hypofraktionierten EBRT nach o.g. Schema (73,6 Gy (79,9 Gy nach EQD2 (αβ 1,5)) bzw. 75,9 Gy (82,4 Gy nach EQD2 (αβ 1,5)) konnten im Rahmen dieser retrospektiven Kohortenstudie sehr gute Ergebnisse für intermediate- und high risk-Patienten des lokal begrenzten bis fortgeschrittenen PCa hinsichtlich der onkologischen Endpunkte sowie der GI-/GU-Toxizität, vergleichbar mit den besten Ergebnissen aktueller Publikationen, erzielt werden. Diese Ergebnisse bekräftigen die zunehmende Anwendung dieser Bestrahlungstechnik. Die Kohorte sollte zur Validierung der Ergebnisse weiter expandiert und mit einer längeren Nachbeobachtungszeit erneut ausgewertet werden.
Muskelskeletterkrankungen (MSE) sind die Hauptursache für Arbeitsunfähigkeit bei Büroangestellten in Deutschland. Die Produktionsausfallkosten für MSE beliefen sich im Jahre 2017 auf 17,2 Milliarden Euro. Neben haltungsbezogenen Risikofaktoren wie die statische Körperhaltung am Büroarbeitsplatz, konnten zunehmend psychische Stressoren wie Termin- und Leistungsdruck als Risikofaktoren identifiziert werden. Arbeitgeber versuchen mittels verhaltens- und verhältnispräventiven Maßnahmen im Rahmen der (BGF) am Arbeitsplatz zur Prävention beizutragen. Insbesondere Bewegungsprogramme führen nachweislich zu einer Verringerung von MSE und Stress sowie zu einer Verbesserung der Lebensqualität. Vielversprechend sind untere andrem auch Dehninterventionen wie die wenigen bislang veröffentlichten Studien zeigen. Das „five-Business“ Dehnprogramm, dass an einem Gerät durchgeführt wird, wurde speziell für die Anwendung im Büro konzipiert und beinhaltet fünf einfache Übungen für den Rumpf. Ziel dieser Studie war es daher, die Auswirkungen des "five-Business" Trainingsprogramms für Büroangestellte auf MSE, die Lebensqualität und die Beweglichkeit zu untersuchen.
Im Rahmen der hier vorgestellten Promotionsarbeit wurde zunächst eine konkrete Methode entwickelt (Publikation 1) und anschließend der Effekt dieses Dehntrainings auf die Lebensqualität untersucht (Publikation 2). Insgesamt nahmen 313 Büroangestellte (173m/137f) mit einem Durchschnittsalter von 43,37 ± 11,24 (SD) Jahren, einer Körpergröße von 175,37 ± 9,35 cm und einem Gewicht von 75,76 ± 15,23 kg sowie einem durchschnittlichen BMI von 24,5 ± 3,81 kg/m2 freiwillig an dieser Interventionskontrollstudie teil. Die 158 Teilnehmenden der Interventionsgruppe absolvierten das Dehntraining zweimal wöchentlich für etwa zehn Minuten über eine Dauer von 12 Wochen. Die Kontrollgruppe hingegen sollte ihrem gewöhnlichen Alltag weiter nachgehen. Der Short-Form-36 Fragebogen (SF-36) wurde verwendet, um die Effekte der Intervention zu Beginn und nach 12 Wochen auf die gesundheitsbezogene Lebensqualität zu evaluieren. Nach 12 Wochen Dehntraining traten signifikante Verbesserungen in den Bereichen mentaler Summenscore (p=0,008), körperliche Funktionsfähigkeit (p<0,001), körperliche Schmerzen (p=0,01), Vitalität (p=0,025), Rolleneinschränkungen aufgrund körperlicher Probleme (p=0,018) und psychische Gesundheit (p=0,012) auf. Die Ergebnisse zeigen, dass das Dehntraining nicht nur physische Gesundheitsparameter beeinflusst, sondern ebenfalls positive Effekte bei psychischen Gesundheitsparametern hervorruft. Das Dehntraining ermöglicht demnach sowohl auf physischer als auch auf psychischer Ebene eine Entspannung. Daher deuten die Ergebnisse insgesamt darauf hin, dass ein 12-wöchiges Dehnprogramm geeignet ist, die gesundheitsbezogene Lebensqualität von Büroangestellten zu verbessern. Es kann geschlussfolgert werden, dass ein solches Dehnprogramm als präventive und rehabilitative Maßnahme in der betrieblichen Gesundheitsförderung geeignet sein kann, um aktuelle Herausforderungen des zunehmenden Wettbewerbs und steigenden Produktivitätsanforderungen am Arbeitsplatz entgegenzuwirken.
Seit der Entdeckung des HI-Virus in 1983, wurden diverse Beobachtungen zu neurologischen Komplikationen bei infizierten Patienten publiziert. Dabei standen initial lebensbedrohliche Komplikationen wie opportunistische Infektionen oder cerebrale Lymphome im Vordergrund. In Zeiten der antiretroviralen Therapie rücken jedoch vermehrt andere, chronisch verlaufende Folgen der Erkrankung in den Fokus. Neurokognitive Störungen bei HIV-infizierten wurden bereits erstmals im Jahre 1986 beschrieben. Seitdem wurden neben der manifesten HIV-assoziierten Demenz auch mildere Einbußen im kongitiven Bereich - sogenannte HIV-assoziierte neurokognitive Störungen (HAND) - klassifiziert, deren Diagnostik mittels diverser neuropsychologischer Testungen erfolgen kann. Hierfür sind geeignete Screening-Tools notwendig, die entsprechenden Anforderungen entsprechen sollten. Einheitliche Empfehlungen für einen bestimmten Test finden sich jedoch in aktuellen Leitlinien und Publikationen nicht. Die vorliegende Arbeit wurde zur Evaluation des MoCA-Tests (Montreal Cognitive Assessment) zur Detektion HIV-1-assoziierter neurokognitiver Störungen angefertigt.
Hierfür wurde der MoCA-Test an 89 HIV-infizierten Männern und Frauen zwischen 21 und 64 Jahren des HIV-Centers Frankfurt am Main durchgeführt und die Ergebnisse mit der gut validierten HIV-Demenz-Skala verglichen. Zudem wurde der Einfluss verschiedener Faktoren wie Geschlecht, Alter, CDC-Stadium, antiretrovirale Therapie, Dauer der HIV-Infektion, CD4-Zellzahl, Viruslast, HCV-Koinfektion, Bildung, Risikogruppenzugehörigkeit, Alkoholkonsum und CPE-Score untersucht.
Der Vergleich zwischen den absoluten Ergebnissen der HDS und des MoCA ergab einen hochsignifikanten statistischen Zusammenhang. Ein statistischer Zusammenhang konnte auch für die Parameter Alter, medikamentöse HIV-Therapie, Dauer der HIV-Infektion zum Untersuchungszeitpunkt sowie Bildung errechnet werden. Die relativen MoCA-Testergebnisse wurden sowohl mit einem Cut-off-Wert von 10 als auch einem Cut-off-Wert von 14 der HDS verglichen.
In Zusammenschau der Ergebnisse korreliert der MoCA-Test auf Grundlage der erhobenen Daten mit der HDS, wobei die Sensitivität in Bezug auf mildere kognitive Störungen niedriger als wünschenswert ist. Eine manifeste HIV-Demenz kann zuverlässig diagnostiziert werden, bei der Diagnostik von milderen Funktionseinschränkungen bestehen jedoch Limitationen. Auf Grund der einfachen Durchführung stellt er ein akzeptables alternatives Screening-Tool dar, wobei Personen mit auffälligen Testergebnissen einer weiteren neuropsychologischen Testung zugeführt werden sollten.
This dissertation presents the development of a new radio frequency quadrupole (RFQ) structure of the 4-rod type with an operating frequency of 108 MHz for the acceleration of heavy ions with mass-to-charge ratios of up to 8.5 at high duty cycles up to CW operation ("continuous wave") at the High Charge Injector (HLI) of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt.
The need to develop a completely new RFQ for the HLI arises from the fact that with the previously designed and built 4-rod RFQ structure, which was commissioned at the HLI in 2010 as part of the planned HLI upgrade program, the desired operating modes in both pulsed and CW operation could not be achieved even after several years of operating experience and considerable efforts to eliminate or at least mitigate the severe operational instabilities. Mechanical vibrations of the electrodes, which result in strong modulated power reflection, as well as the high thermal sensitivity proved to be particularly problematic.
In addition to the RF design of the new RFQ by simulations performed with the CST Microwave Studio software, the focus of the investigations fell on the mechanical analysis of vibrations on the electrode rods caused by RF operation, for which the ANSYS Workbench software was used. Due to the high thermal load of the RFQ structure of more than 30 kW/m in CW operation, an accurate analysis of the thermal effects on electrode deformation as well as resulting frequency detuning of the resonator is also required, which was investigated by simulations within the capabilities of CST Mphysics Studio.
Based on the results of the design studies carried out by simulations and the thereby achieved design optimizations, a 4-rod RFQ prototype with 6 stems was finally manufactured, on which most of the properties expected from the simulations could be validated by measurements of the RF characteristics as well as of the vibration behavior.
Finally, based on the results of the pre-tests and considering a newly developed beam dynamics concept, a completely revised RF design for a new full-length HLI-RFQ was derived from the prototype design.
Das Glioblastom ist der häufigste bösartige primäre Hirntumor im Erwachsenenalter. Trotz intensiver Forschungsbemühungen inklusive zahlreicher Therapiestudien liegt die mediane Gesamtüberlebenszeit selbst von Patienten in gutem Allgemeinzustand noch immer unter zwei Jahren. Deshalb ist die Erforschung möglicher Resistenzmechanismen sowie neuer therapeutischer Angriffspunkte dringend erforderlich, um effizientere Therapien zu entwickeln.
Insbesondere der Tumormetabolismus hat in den vergangenen Jahren an Bedeutung in der Krebsforschung gewonnen. Hier zeigte sich in anderen Tumorentitäten, dass der Metabolismus der Aminosäure Serin, insbesondere des Schlüsselenzyms der Serin-Biosynthese, der 3-Phosphoglyceratdehydrogenase (PHGDH), ein Ansatzpunkt für neue Therapien sein kann. Wir stellten uns die Frage, ob auch im Glioblastom der Serinstoffwechsel von Bedeutung für Wachstum und Überleben der Tumorzellen ist und ob dieser somit einen neuen therapeutischen Angriffspunkt darstellen kann.
Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden initial verschiedene Tumorzelllinien hinsichtlich ihrer basalen Expression von PHGDH und weiterer Schlüsselenzyme des Serinstoffwechsels auf mRNA- und Protein-Ebene analysiert. Anschließend wurde untersucht, ob sich die Expression dieser Enzyme durch Zellstress verändert. Zur weiteren Evaluierung der PHGDH als möglichem Ansatz für neue Therapien wurde deren Aktivität pharmakologisch und genetisch inhibiert. In Wachstumsanalysen wurde ferner die Abhängigkeit der Zellen von verschiedenen Serinquellen untersucht. Unter Bedingungen des Tumormikromilieus wurden Zelltod- und Redox-Stress-Parameter untersucht. Abschließend wurden die Ergebnisse durch eine PHGDH-Überexpression validiert.
Die basalen Expressionsniveaus der PHGDH unterschieden sich in den fünf analysierten Gliomzelllinien. Es zeigte sich keine Korrelation mit der Expression der
Serinhydroxymethyltransferase 1 und 2 (SHMT 1 und 2, zytoplasmatische bzw. mitochondriale Isoform), welche ebenfalls Schlüsselenzyme im Serinstoffwechsel sind. Unter Zellstress, welcher mittels Hypoxie oder Aktivierung des Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) induziert wurde, zeigte sich ein Anstieg der Expression von PHGDH und SHMT2. Im nächsten Schritt erfolgten Versuche mit CBR-5884, einem pharmakologischen Inhibitor der PHGDH. CBR-5884 reduzierte signifikant die intrazellulären Serin- und Glycin-Spiegel. Parallel zeigte sich eine dosisabhängige, signifikante Reduktion des Zellwachstums in allen getesteten Linien, ohne eine Induktion von Zelltod. Zelllinien mit niedriger PHGDH-Expression wurden zusätzlich bereits durch Entzug von Serin aus dem Kulturmedium signifikant in ihrem Wachstum gehemmt. Unter realistischen Bedingungen des Tumormikromilieus mit Sauerstoff- und Nährstoffmangel zeigte sich unter zusätzlicher PHGDH-Inhibition mittels CBR-5884 ein signifikanter Anstieg von Zelltod-Parametern und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) einhergehend mit einer reduzierten NADPH/NADP+-Ratio. Die Ergebnisse der pharmakologischen PHGDHInhibition konnten durch eine PHGDH-Gensuppression reproduziert werden.
Umgekehrt bestätigte eine genetische PHGDH-Überexpression den protektiven Effekt eines aktiven Serinmetabolismus für die Tumorzellen.
Zusammenfassend zeigte sich in unseren Versuchen, dass unter Bedingungen des Tumormikromilieus einige Gliomzell-Linien den Serinmetabolismus induzieren, was einen protektiven Effekt für das Überleben unter widrigen Mikromilieusbedingungen zu haben scheint. Umgekehrt reduzierte eine Inhibition der PHGDH als Schlüsselenzym der Serinsynthese unter diesen Bedingungen das Wachstum von Glioblastom-Zellen und induzierte gleichzeitig Zelltod und Redoxstress. Diese Ergebnisse rechtfertigen eine weitere präklinische Testung in in vivo Modellen. Zusammenfassend legen unsere Ergebnisse nahe, dass der Serinmetabolismus einen vielversprechenden Angriffspunkt für neue Therapiestrategien im Glioblastom darstellen könnte.
Das Risiko bakterieller Infektionen durch Thrombozytenkonzentrate (TKs) ist derzeit immer noch das höchste in der Transfusionsmedizin. Dies wird hauptsächlich durch die empfindliche Physiologie der Thrombozyten und die damit verbundene erforderliche Lagerung dieser Produkte bei Raumtemperatur von 22°C ± 2°C bedingt, welche eine optimale Wachstumsbedingung für Bakterien darstellt. Mit Hilfe von predonation sampling und gewissenhaft durchgeführter Hautdesinfektion beim Spender wurden die Grundlagen zur Optimierung der bakteriellen Sicherheit von Thrombozytentransfusionen geschaffen. Allerdings ist die Übertragung von Bakterien bei der Punktion des Spenderarms immer noch die Hauptursache für bakterielle Kontamination von Thrombozytenspenden. In selteneren Fällen ist eine latente Bakteriämie des Spenders ursächlich. Denkbar ist auch eine Verunreinigung bei der Produktion.
Die Studie, welche in drei Phasen verlief, sollte die bakterielle Sicherheit von Thrombozytenkonzentraten und somit auch die Patientensicherheit dieser Produkte verbessern und gleichzeitig die Ressource „Thrombozytenkonzentrat“ optimieren.
In Phase 1 wurden drei zufällig gehäufte Transfusionszwischenfälle des Jahres 2016 untersucht und Wachstumskinetiken der verursachenden Keime erstellt. Es konnte bestätigt werden, dass Hautkeime weiterhin eine relevante Ursache bakterieller Verunreinigung darstellen. Eine Erweiterung des Spenderfragebogens bezüglich der Abfrage eines Risikos für die Übertragung multiresistenter Erreger und Kontakt zu besonderen tierischen Risikogruppen sowie die Einführung einer Mundraumkontrolle bei der ärztlichen Untersuchung könnten das Risiko der bakteriellen Kontamination der Blutspende eventuell reduzieren.
Phase 2 verglich mit PCR, Bactiflow und BacT/ALERT drei bakterielle Schnelltestmethoden synoptisch miteinander. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der diagnostischen Sensitivität nach Poolbildung von bis zu 10 TKs (Pool-TKs sowie Apheresen).
Alle drei getesteten Bakterienscreeningmethoden zeigten einen zuverlässigen Bakteriennachweis auch nach erfolgter Poolbildung. Bactiflow-Mini-Pooltests konnten 2016 in die Routinetests des DRK Blutspendedienstes Baden-Württemberg-Hessen eingeführt werden und haben in der Zeit von 2016 bis 2019 zum Nachweis von zwölf Bakterienstämmen in Thrombozytenkonzentraten geführt und somit Transfusionszwischenfälle verhindert. Die Daten dieser Promotionsarbeit ermöglichen auch die Anwendung einer generischen 16s-DNA PCR-Methode oder des BacT/ALERT-Verfahrens als alternative Schnelltestmethoden.
In Phase 3 wurde schließlich die Transportstabilität der Proben validiert. Dadurch sollte Bactiflow als sicheres Schnelltestverfahren für TK-Pooltests an drei Standorten für den DRK Blutspendedienst Baden-Württemberg-Hessen und den DRK Blutspendedienst Nord-Ost implementiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl nach einem Transport bei Raumtemperatur als auch bei 4°C die Bakterienkonzentration innerhalb von 24 h auch bei 5er- und 10er-Pool-TKs für alle drei Testverfahren nicht unter die Nachweisgrenze fällt. Die Bakterientestung von TKs ist somit auch nach Zentralisierung an den Instituten Frankfurt und Ulm des DRK Blutspendedienstes Baden-Württemberg-Hessen sowie dem Institut Plauen des DRK Blutspendedienstes Nord-Ost zuverlässig möglich.
Die hiesige Studie konnte dabei helfen, mögliche Ursachen für bakterielle Kontaminationen zu detektieren. Ebenso wurden mit Bactiflow, 16s realtime-PCR und BacT/ALERT drei Bakterienscreeningverfahren erfolgreich für Pools von bis zu zehn Pool- oder Apherese-TKs getestet. Zuletzt konnte auch für alle dieser drei Methoden eine sichere Nutzung nach 24-stündigem Transport sowohl bei Raumtemperatur als auch unter Kühlung bei 4 °C gezeigt werden. Insgesamt konnte die Studie somit zu einer Ressourcenoptimierung und einer Verbesserung der Patientensicherheit beitragen.
Hintergrund: Die LCPUFA der Zellmembran sind Ausgangspunkt für die Synthese von Lipidmediatoren und können je nach freigesetzter Fettsäure von der Zelle in pro- oder antientzündliche Mediatoren verstoffwechselt werden. LCPUFA können das Reaktionsprofil von Zellen beeinflussen, indem sie selbst oder die aus ihnen entstandenen Lipidmediatorderivate an Rezeptoren binden oder auf Genebene ihre Wirkung entfalten. Sowohl das antientzündliche Potenzial der Einzelfettsäuren EPA, DHA, GLA und SDA als auch die Wirkung des n-6/n-3-Verhältnisses wurden bereits in zahlreichen Studien gezeigt. Jedoch wurde noch nicht ausführlich auf den Einfluss einer Kombination verschiedener LCPUFA eingegangen, die sich im Hinblick auf die Verstoffwechselung von n-3- und n-6-Fettsäuren durch gleiche Enzyme wechselseitig beeinflussen können.
Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit war es deshalb, den Einfluss von mehrfach ungesättigten Fettsäuren allein und in Kombination auf die COX-2-abhängige Inflammation in A549-Lungenepithelzellen zu untersuchen. Die Inkubation der Zellen mit den Einzelfettsäuren EPA, DHA, GLA und SDA wurde einem LCPUFA-Mix aus diesen vier Fettsäuren gegenübergestellt. Es wurde die IL-6-Produktion und die COX-2-Expression in CM1-stimulierten A549-Zellen als Marker einer Entzündung mittels CBA bzw. Durchflusszytometrie gemessen.
Ergebnisse: Durch die Oberflächencharakterisierung der A549-Zellen mittels Durchflusszytometrie konnte ihre Funktion im Immunsystem hervorgehoben werden. Die Inkubation mit den LCPUFA führte zur Aufnahme in die Zellmembran und zur weiteren Verstoffwechselung der Fettsäuren, wie sich gaschromatographisch nachweisen ließ. Der LCPUFA-Mix (0,02 pmol/Zelle) konnte die CM1 induzierte COX-2-Expression nur tendenziell erniedrigen. Im Gegensatz dazu ließ sich die COX-2-Expression durch eine gleiche Menge an EPA (0,02 pmol/Zelle) sehr signifikant (von 26,81% ± 2,78 auf 16,43% ± 1,45, p < 0,01) reduzieren. Die CM1-induzierte IL-6-Produktion wurde weder durch eine Einzellfettsäure EPA, DHA, GLA oder SDA noch den LCPUFA-Mix signifikant gesenkt.
Diskussion: In Übereinstimmung mit Corbière et al. wurden phänotypische Oberflächenmarker auf den A549-Zellen mittels Durchflusszytometrie gemessen, die sie zur Antigenpräsentation gegenüber T-Lymphozyten befähigen und zeigen, dass sie Teil des Immunsystems sind.[76] Im Gegensatz zum LCPUFA-Mix inhibierte EPA die COX-2-Expression. Zwar ist EPA die Hauptkomponente des LCPUFA-Mixes, dieser enthält aber zusätzlich DHA, GLA und SDA. Eine der vorgenannten drei Fettsäuren könnte den hemmenden Effekt des EPAs auf die COX-2 gemindert haben. Es ist aber auch denkbar, dass eine Interaktion der verschiedenen Fettsäuren zu einer geringeren Hemmung geführt hat. Auch andere Forschungsergebnisse bestätigen, dass die Stärke des Effektes von Fettsäuren abhängig von ihrer Kombination und Konzentration ist. Es stellt sich ein Wirkmaximum auf die Genexpression ein, das durch weitere Erhöhung der Fettsäuren nicht gesteigert werden kann und eventuell sogar ins Gegenteil umschlagen könnte. Gleissman et al. stellten erhöhte Spiegel an AA und COX-2 sowie einen geringeren Anteil an EPA und DHA in Tumorgeweben fest.[37] Für die A549-Zellen zeigten sich in der gaschromatographischen Messung ebenfalls im Vergleich zum AA-Anteil (5,72% ± 0,09) ein geringerer EPA- (0,95% ± 0,37) und DHA-Anteil (0,60% ± 0,07). Für COX-2-Inhibitoren konnten bereits antineoplastische Eigenschaften nachgewiesen werden.[94] Dies könnte ein Grund für die eingeschränkte Zellviabilität im XTT-Test bei höheren Fettsäure-Konzentrationen sein.
Fazit: Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass im Gegensatz zu DHA, GLA, SDA und dem LCPUFA-Mix nur EPA eine signifikante antiinflammatorische Wirkung auf die COX-2 ausübte. Jedoch konnte kein signifikanter antiinflammatorischer Effekt hinsichtlich der Produktion des proinflammatorischen Cytokins IL-6 festgestellt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass weder einer alleinigen Fettsäure noch dem LCPUFA-Mix eine überlegene antiinflammatorische Wirkung auf alle hier untersuchten Parameter zugeordnet werden konnte.
High-energy physics experiments aim to deepen our understanding of the fundamental structure of matter and the governing forces. One of the most challenging aspects of the design of new experiments is data management and event selection. The search for increasingly rare and intricate physics events asks for high-statistics measurements and sophisticated event analysis. With progressively complex event signatures, traditional hardware-based trigger systems reach the limits of realizable latency and complexity. The Compressed Baryonic Matter experiment (CBM) employs a novel approach for data readout and event selection to address these challenges. Self-triggered, free-streaming detectors push all data to a central compute cluster, called First-level Event Selector (FLES), for software-based event analysis and selection. While this concept solves many issues present in classical architectures, it also sets new challenges for the design of the detector readout systems and online event selection.
This thesis presents an efficient solution to the data management challenges presented by self-triggered, free-streaming particle detectors. The FLES must receive asynchronously streamed data from a heterogeneous detector setup at rates of up to 1 TB/s. The real-time processing environment implies that all components have to deliver high performance and reliability to record as much valuable data as possible. The thesis introduces a time-based data model to partition the input streams into containers of fixed length in experiment time for efficient data management. These containers provide all necessary metadata to enable generic, detector-subsystem-agnostic data distribution across the entire cluster. An analysis shows that the introduced data overhead is well below 1 % for a wide range of system parameters.
Furthermore, a concept and the implementation of a detector data input interface for the CBM FLES, optimized for resource-efficient data transport, are presented. The central element of the architecture is an FPGA-based PCIe extension card for the FLES entry nodes. The hardware designs developed in the thesis enable interfacing with a diverse set of detector systems. A custom, high-throughput DMA design structures data in a way that enables low-overhead access and efficient software processing. The ability to share the host DMA buffers with other devices, such as an InfiniBand HCA, allows for true zero-copy data distribution between the cluster nodes. The discussed FLES input interface is fully implemented and has already proven its reliability in production operation in various physics experiments.
Die Dissertation befasst sich mit Daten zum frühinvasiven kolorektalen Karzinom aus der Westpfalz in einem Zeitraum von 6 Jahren (2010 – 2016). In diesem Zeitraum sind 11% (n=130) frühinvasive kolorektale Karzinome aufgetreten. Davon besitzen 11% (n=14) Lymphknotenmetastasen. Beim pT1 Kolonkarzinom (n=92) treten Lymphknotenmetastasen in 13% (n=12) und beim pT1 Rektumkarzinom (n=38) in 5% (n=2) auf. Zur Risikostratifizierung werden pT1 kolorektale Karzinome in Low-Risk (sm1, G1, G2) und High-Risk (sm3, G3, G4) Karzinome eingeteilt. 84% (n=109) der pT1 kolorektalen Karzinome sind gut (G1) und mäßig differenziert (G2) und 35% (n=46) besitzen eine Submucosaeindringtiefe von sm1. 15% der G1 und G2 (n=11 von 73) pT1 Kolonkarzinome und 6% der G1 und G2 (n=2 von 36) pT1 Rektumkarzinome sind nodal positiv. Ein positiver nodaler Status ist in 12% (n=4 von 33) bei pT1sm1 Kolonkarzinomen aufgetreten. Ähnliches gilt für pT1sm1 Rektumkarzinome mit 8% (n=1 von 13). Weder im sm3 Stadium noch beim G3 pT1 Rektumkarzinom ist ein no-dal positiver Status vorgekommen. Dies zeigt, dass die Einteilung in Low- und High-Risk Karzinome nach der S3–Leitlinie zu überdenken ist. Ein positiver Lymphknoten-status tritt auch bei Low-Risk Karzinomen auf und verschlechtert das onkologische Outcome signifikant. Die Überlebensraten verdeutlichen diese Erkenntnis. Frühinvasi-ve kolorektale Karzinome besitzen eine ähnliche 5 Jahres-Überlebensrate von 81% wie fortgeschrittene neoadjuvant behandelte ypT1 kolorektale Karzinome. Das Gleiche gilt für nodal negative pT1 Karzinome (83%) im Vergleich mit fortgeschrittenen nodal negativen ypT0 und ypT1 Karzinomen (81%). Auch nodal positive pT1 Karzinome und fortgeschrittene nodal positive ypT0 und ypT1 Karzinome haben ähnliche Überle-bensraten (66% versus 67%). Auch dieser Vergleich zeigt, dass frühinvasive kolorekta-le Karzinome unterschätzt werden. Zur Optimierung des onkologischen Outcomes ist eine systemische Therapie bei frühinvasiven kolorektalen Karzinomen - auch ohne Lymphknotenmetastasen - zur Verbesserung des Überlebens nach 5 Jahren zu erwägen. Diese Thematik bietet einen Ansatzpunkt für weitere Studien um eine konkrete Aussa-ge über die Signifikanz einer neo-oder adjuvanten Therapie bei frühinvasiven kolorek-talen Karzinomen zu ermöglichen. Ein angepasstes multimodales Therapiekonzept sowie eine adäquate Nachsorge erscheinen bei frühinvasiven kolorektalen Karzinomen unabdingbar.
Während hohe Spiegel von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Form von oxidativem Stress schädliche Auswirkungen auf den Körper haben können, zeigen aktuelle Forschungsarbeiten, dass Redox-Modifikationen an Thiolresten von Proteinen reversible Signalprozesse steuern können. Dieses Prinzip der posttranslationalen Proteinmodifikation durch Redox-Signale scheint auch bei der Verarbeitung und Chronifizierung von Schmerzen von Bedeutung zu sein. Über die potenziellen Redox-modulierten Zielstrukturen im nozizeptiven System ist jedoch bisher nur wenig bekannt.
Ein potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist das kleine EF-Hand Ca2+-bindende Protein S100A4. Wie die anderen Familienmitglieder der S100-Proteinfamilie enthält S100A4 Cysteinreste, die in der Lage sind, redoxabhängig modifiziert zu werden. Studien an menschlichen Biopsien nach Gehirnverletzungen und an Mäusen in Verletzungsmodellen konnten zeigen, dass S100A4 neuroprotektiv wirkt. Darüber hinaus kann S100A4 sezerniert werden und vermittelt extrazellulär insbesondere regulatorische Funktionen innerhalb der Angiogenese, bei der Zellmigration sowie bei zellulären Differenzierungsprozessen. Die Funktionen von S100A4 im nozizeptiven System sind jedoch weitgehend unbekannt. In Vorarbeiten zu diesem Projekt wurde in einem Proteom-Screen beobachtet, dass S100A4 nach einer peripheren Nervenverletzung redoxabhängig im verletzten Nervengewebe hochreguliert wird. Darauf basierend wurde im Rahmen dieser Arbeit die Lokalisation von S100A4 innerhalb des nozizeptiven Systems sowie die funktionelle Bedeutung nach peripherer Nervenverletzung genauer untersucht.
Anhand von Immunfluoreszenzaufnahmen konnte gezeigt werden, dass S100A4 basal in Subpopulationen Peripherin- und NF200-positiver sensorischer Neurone lokalisiert ist. Interessanterweise führt eine Nervenverletzung nicht nur zu einer deutlichen Steigerung der S100A4-Expression im Bereich der Verletzungsstelle, sondern auch zu einer Änderung des neuronalen Verteilungsmusters. Die funktionelle Bedeutung von S100A4 für die Verarbeitung von Schmerzen wurde anhand von Verhaltenstests an Mäusen näher charakterisiert. Dafür wurden gewebsspezifische S100A4 Knockout Mäuse (Adv-S100A4-/-) und globale S100A4 Knockout Mäuse (S100A4-/-) generiert. In Modellen der akuten Nozizeption zeigten sowohl Adv-S100A4-/- als auch S100A4-/- Mäuse eine normale Reaktion auf thermische und mechanische Stimuli. Im „Spared Nerve Injury“ (SNI) Modell für periphere Neuropathien zeigten die S100A4-/- Mäuse eine im Vergleich zu wildtypischen (WT) Mäusen signifikant reduzierte mechanische Hyperalgesie, während bei den gewebsspezifischen Adv-S100A4-/- Mäusen kein verändertes Schmerzverhalten beobachtet werden konnte. Im „Crush Injury“ Modell für periphere Neuropathien war die mechanische Hyperalgesie der S100A4-/- Mäuse im Vergleich zu WT Tieren jedoch nicht verändert. Zusätzlich zur mechanischen Hyperalgesie wurden auch weitere Methoden der Quantifizierung des Schmerzverhaltens (Sciatic Functional Index, Brush Test und Wühlverhalten) etabliert. Allerdings war auch hier das Verhalten der S100A4-/- Mäuse mit dem der WT Mäuse vergleichbar. Darüber hinaus war das durch Applikation eines ROS-Donors induzierte nozizeptive Verhalten von S100A4-/- und WT Mäusen ähnlich. Man kann daher schlussfolgern, dass nach einer peripheren Nervenverletzung die S100A4-Expression insbesondere im Bereich der Verletzungsstelle hochreguliert wird. Dem gegenüber scheint S100A4 jedoch für die Schmerzverarbeitung funktionell nur von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Ein weiteres potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist die lösliche Epoxidhydrolase (soluble epoxide hydrolase, sEH). Die funktionelle Bedeutung von sEH für die Schmerzverarbeitung wurde bereits in früheren Studien belegt, da eine Behandlung mit sEH-Inhibitoren bei Ratten zu einer reduzierten Hypersensitivität in inflammatorischen und neuropathischen Schmerzmodellen führte. Während die analgetische Wirkung von sEH-Inhibitoren bereits gut bekannt ist, wurde eine redoxabhängige Modulation der sEH-Aktivität im nozizeptiven System in bisherigen Forschungsarbeiten kaum untersucht. Bestimmte Elektrophile können die sEH inhibieren, indem sie an das redoxaktive Cystein an Position 521 der sEH binden. Forschungsarbeiten konnten in diesem Zusammenhang bereits zeigen, dass die Cys521-vermittelte Inhibition von sEH durch das Prostaglandin 15d-PGJ2 oder 9-/10-Nitrooleonsäure (NO2-OA) im kardiovaskulären System zu einer Dilatation der Koronargefäße und einer Reduktion des Blutdrucks führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob es durch eine redoxabhängige Hemmung der sEH-Funktion auch innerhalb des nozizeptiven Systems zu einer veränderten Schmerzreaktion bei Mäusen kommt. Um diese Fragestellung beantworten zu können, wurden sEH-Knockin (sEH-KI) Mäuse verwendet, deren redox-sensitives Cystein 521 durch ein Serin ersetzt wurde. Bei diesen Knockin-Mäusen können Elektrophile wie 15d-PGJ2 oder 9-/10-NO2-OA keine Enzyminhibition erzeugen. Die Charakterisierung der sEH-KI Mäuse zeigte sowohl in akuten als auch inflammatorischen Schmerzmodellen (Formalin Test und Zymosan-Pfotenentzündungsmodell) keinen Zusammenhang der Redoxmodifikation mit dem Schmerzverhalten der Mäuse. Auch in neuropathischen und viszeralen Schmerzmodellen (SNI-Modell und Modell der Zymosan-induzierten Peritonitis) konnte kein verändertes Schmerzverhalten der sEH-KI-Mäuse im Vergleich zu Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus war das nozizpetive Verhalten nach Applikation von 15d-PGJ2 bei sEH-KI und WT Mäusen vergleichbar. Die redoxabhängige Modulation der sEH an Cystein 521 scheint demnach, im Gegensatz zum kardiovaskulären System, im nozizeptiven System keine Rolle zu spielen.
The analysis of the global stratospheric meridional circulation, known as the Brewer-Dobson circulation, is an essential part of both experimental and theoretical atmospheric sciences. This large-scale circulation has a crucial influence on the global burden of greenhouse gases and ozone depleting substances throughout the complete atmosphere. This makes it an important factor for the Earth’s radiative budget, which is perceptible at the Earth’s surface despite the remote location of the stratosphere. In the course of climate change it is generally expected that also the Brewer-Dobson circulation undergoes significant changes in structure and strength, although the exact repercussions are still uncertain and thus remain an open scientific question. A general problem for the observational investigation of the dynamical processes in the stratosphere is that residual mean transport cannot be measured directly and hence requires the use of sophisticated proxies. Many studies in the past consider the so-called mean age of air, which is a measure of the average time an air parcel has spent in the stratosphere since passing a certain reference point. While changes in the strength and structure can be detected and visualized using mean age of air, a more thorough distinction between the different involved transport mechanisms of the circulation (residual circulation, mixing) cannot be made. For that, consideration of a full distribution of all relevant transit times through the stratosphere, an age spectrum, is favorable and a powerful tool to analyze the spatial structure as well as possible future changes in detail. Mean age of air and age spectra can be readily derived in atmospheric modeling studies, but an observationally based retrieval is challenging. Mean age of air is usually approximated from measurements of very long-lived trace gas species that act as a dynamical tracer for the stratosphere. The retrieval of age spectra from observations, however, remains an open task for which different methods have been proposed in the past, that often require a combination of strong assumptions and model data explicitly. This is a major issue for a precise and independent investigation of stratospheric dynamics based on measurements. The focus of this cumulative dissertation is on the development process and application of an inversion method to derive stratospheric age spectra from mixing ratios of chemically active substances that combines an applicable and precise ansatz with a minimized amount of necessary model data. Chemically active species have the important benefit that chemistry and transport in the stratosphere are strongly correlated so that the state of depletion of a trace gas can give some information on certain parts of the age spectrum. Considering a sufficient number of distinct trace gases simultaneously, a full approximation of the age spectrum should be possible. The main section of this thesis is split into three parts, which follow the main aspects and key results of the three publications involved (Hauck et al., 2019, 2020; Keber et al., 2020). The newly developed inverse method is based upon the previously established ansatz by Schoeberl et al. (2005), but constrains the shape of the age spectrum by a single parameter inverse Gaussian function. This keeps the balance between applicability and accuracy with a limited amount of measurement data. Additionally, the method introduces a seasonal scaling factor that imposes higher order maxima and minima onto the intrinsically monomodal spectrum based on the seasonal cycle of the tropical upward mass flux to incorporate phases of weaker and stronger transport. A proof of concept of the inverse method is provided using an idealized simulation of the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) model, where the method is applied to a set of artificial radioactive trace gases with known chemical lifetime. The results imply that the method works properly and retrieves age spectra that match the EMAC reference spectra significantly well on the global and seasonal scale. Only in the lower stratosphere, the performance of the inverse method on the seasonal scale decreases as entrainment into the stratosphere is considered only across the tropical tropopause. Transport across the local extratropical tropopause, however, is a key feature for trace gases in the extratropical lowermost stratosphere so that this entrainment must be included explicitly.
In the second part, the discovered problems are approached to make the inverse method applicable to observations. The formulation of the method is extended to incorporate transport explicitly across the tropical (30° S – 30° N), northern extratropical (30° N – 90° N), and southern extratropical tropopause (30° S – 90° S) each with a single age spectrum that can be inverted independently.
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In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, ob die endotracheale Intubation (ETI) der alternativen Atemwegssicherung mittels Larynxtubus (LT) bezüglich der Überlebenswahrscheinlichkeit bei außerklinisch reanimierten Patienten überlegen ist.
Das retrospektiv erfasste Kollektiv dieser monozentrischen Studie umfasst 222 Patienten, die in den Jahren 2006 bis 2014 nach nicht-traumatischem Herz-Kreislauf-Stillstand außerhalb der Klinik (engl.: Out-of-hospital cardiac arrest, OHCA) präklinisch primär mit Endotrachealtubus (ET) oder LT versorgt und anschließend auf die internistische Intensivstation des Universitätsklinikums Frankfurt am Main aufgenommen wurden. Endpunkte der Studie waren die innerklinische Gesamtmortalität während des Krankenhausaufenthaltes sowie die Überlebensrate nach 24 Stunden.
In die Analyse wurden 208 Patienten einbezogen, von denen präklinisch 48 Patienten mit LT (23 %) und 160 Patienten mit ET (77 %) intubiert wurden. Die innerklinische Sterblichkeitsrate lag insgesamt bei 85 % (n=176); darunter 23 % LT- und 77 % ET-versorgte Patienten. Zwischen den beiden Methoden zur Atemwegssicherung zeigten sich sowohl in einer univariaten Analyse (Hazard ratio [HR]=0,98; 95 % Konfidenzintervall [K.I.] 0,69-1,39; p=0,92) als auch in einer multivariaten Cox-Regressionsmodell (adjustierte HR=1,01; 95 % K.I. 0,76-1,56; p=0,62) keine Unterschiede. Die ersten 24 Stunden nach OHCA überlebten 38 % aller Patienten; auch hier unterschieden sich die beiden Patientenkollektive nicht signifikant voneinander (univariate HR=1,04; 95 % K.I. 0,71-1,52; p=0,83).
Ferner veranschaulichte eine Propensity-Score-Matching-Analyse (PSM) mit einer Subgruppe von 120 Patienten, zusammengestellt in einem 3:1 Verhältnis (ET:LT), sowohl mit Blick auf die Überlebensrate bis zur Krankenhausentlassung (Propensity-adjustierte HR=0,99; 95 % K.I. 0,65-1,51; p=0,97) als auch auf die Mortalität in den ersten 24 Stunden (Propensity-adjustierte HR=1,04; 95 % K.I. 0,44-2,36; p=0,96) vergleichbare Ergebnisse beim Atemwegsmanagement mit LT bzw. ET.
Die frühe Durchführung einer Herzkatheteruntersuchung (HR=0,47; 95 % K.I. 0,28-0,77; p=0,003) sowie der frühe Beginn einer systemischen empirischen antibiotischen Therapie (HR=0,28; 95% K.I. 0,17-0,45; p<0,001) konnten überdies als signifikant positive Prädiktoren für das Überleben in einer angepassten Cox-Regressionsanalyse herausgearbeitet werden.
Im Gesamten konnte somit demonstriert werden, dass die initiale präklinische Anwendung des LT nach OHCA der ETI hinsichtlich der Überlebenswahrscheinlichkeit nicht untergeordnet ist. Neuester Literatur zufolge ist sie womöglich sogar überlegen. Dies gilt es in weiteren Studien zu bestätigen.
Muskelskelett-Erkrankungen (MSE) bei Büroangestellten sind häufig mit einer höheren Muskelspannung und einer eingeschränkten Bewegungsreichweite assoziiert. Ein hohes präventives Potential haben daher Dehntrainings, da durch eine muskuläre Relaxation die Muskelspannung reduziert werden kann und gleichzeitig auf psychischer Ebene eine Möglichkeit zur Entspannung geboten wird. Auch im Rahmen von Maßnahmen der betrieblichen Gesundheitsförderung (BGF), die im Kontext der Arbeitsmedizin immer mehr an Bedeutung gewinnt, stellen Dehntrainings einen erfolgsversprechenden Ansatz dar. Allerdings sind die bislang überprüften Ansätze sehr zeitaufwendig, was zu einem erheblichen Verlust an Arbeitszeit führt. Ein Dehnprogramm mit geringem Zeitaufwand ist das gerätegestützte „five-Business“ Dehntraining, bei dem in fünf Übungen ganze Muskelketten intensiv gedehnt werden. Da das Gerät individuell einstellbar ist, ist die Trainingsintensität standardisiert und gleichzeitig individualisiert. Ziel dieser Studie war daher das five-Business“ Dehntraining auf seine Wirksamkeit hinsichtlich einer Verbesserung der Beweglichkeit, der Lebensqualität und von MSE zu evaluieren. Im Rahmen dieser Dissertation wurde in der ersten Publikation zunächst eine konkrete Methode erarbeitet, die anschließend als 12-wöchige Intervention bei Büroangestellten (Training zwei Mal wöchentlich für je 10 Minuten) umgesetzt wurde. Für die zweite Publikation wurden Veränderungen in der Beweglichkeit im Anschluss an die Intervention und deren Abhängigkeit von soziodemographischen und anthropometrischen Faktoren analysiert. Dazu wurden fünf Beweglichkeitstests verwendet: der Finger-Boden-Abstand und die Lateralflexion wurden mit einem Maßband evaluiert, während die Gelenkwinkel beim modifizierten Schultertest nach Janda, dem modifizierten Thomas Test und der Retroflexion des Rumpfes nach Janda mit einem digitalen Inklinometer gemessen wurden. Insgesamt nahmen 216 (79w; 137m) Probanden im Alter von 44,81 ± 10,55 Jahren freiwillig an der Studie teil. Die Probanden waren 1,76 ± 0,09 m groß und wogen 78,03 ± 15,11 kg. Die mittleren Unterschiede zeigten, dass die Probanden im Schultertest (rechts: 2,1 ± 7,7°, p = 0,001; links: 2,7 ± 10,11°, p = 0,001), in der nach Janda modifizierten Retroflexion des Rumpfes (5,4 ± 8,6°, p<0,001), im Finger-Boden-Abstand (-1,9 ± 4,0 cm, p<0,001) und in der Lateralflexion relativ zur Körpergröße (rechts: -0,004 ± 0,01, p = 0,002; links: -0,004 ± 0,01, p<0,001) Zuwächse im Bewegungsausmaß erzielten. Im Thomas Test zeigten die Probanden eine Abnahme der Flexibilität (rechts: -2,1 ± 4,5°, p<0,001; links: -1,2 ± 4,7°, p = 0,001). In allen Tests zeigten die Effektstärken geringe bis mittlere Effekte (d = 0,24 - 0,62). Probanden mit unterdurchschnittlicher Beweglichkeit im Prä-Test zeigten die höchsten Beweglichkeitszuwächse. Weder Alter, Körpergröße, Gewicht, Body-Mass-Index (BMI) noch Geschlecht hatten einen signifikanten Einfluss auf die Beweglichkeitsveränderungen. Insgesamt kann für das „five-Business“ Dehntraining resümiert werden, dass es effektiv zur Beweglichkeitssteigerung beiträgt. Der vergleichsweise geringe Zeitaufwand ist ausreichend, um insbesondere bei unterdurchschnittlicher Flexibilität zu einem Gewinn an Bewegungsreichweite beizutragen. Da weder soziodemographische noch anthropometrische Faktoren die Beweglichkeitsveränderungen signifikant beeinflussten, kann das „five-Business“ Dehntraining auch bei heterogen zusammengesetzten Kollektiven angewendet werden. Somit ist es als wirksame Dehnintervention als BGF Maßnahme für schreibtischgebundenen Büroangestellte einsetzbar.
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Although immune checkpoint inhibitors such as anti-PD-1 antibodies have shown remarkable clinical success in many different tumor types, the proportion of patients benefiting from this treatment option remains low. Therefore, there is a need to sensitize tumors for immune checkpoint blockade. In this study two approaches were tested, a chemoimmunotherapy approach combining PD-1 checkpoint blockade with doxorubicin (DOX) chemotherapy, and ablation of the sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor (S1PR4) based on the following rationale. Chemotherapy was shown to induce immune paralysis which contributes to tumor relapse, while PD-1 signaling was shown to facilitate the acquisition of chemoresistance. Thus, combinatorial chemoimmunotherapy is expected to be beneficial by maintaining or even activating anti-tumor immunity during chemotherapy. S1PR4 is an immune cell specific receptor, whose ablation slowed tumor progression by activating anti-tumor immunity in a mouse model that was previously insensitive to anti-PD-1 monotherapy. This suggested that S1PR4 ablation might pre-activate immunity to sensitize for anti-PD-1 therapy.
To test these combinatorial approaches, two tumor mouse models were employed, namely the MC38 murine adenocarcinoma model as well as the transgenic polyoma middle T oncogene (PyMT) breast cancer model. In the MC38 model, a mild synergistic effect of PD-1 immune checkpoint blockade and S1PR4 ablation was observed, indicated by improved tumor progression and survival as compared to the WT control, and an increased number of tumor-free mice compared to anti-PD-1 therapy alone in WT mice. These observations correlated with an enhanced natural killer (NK) cell infiltrate and increased CXCL9 and CXCL10 production in anti-PD-1 treated S1PR4 KO tumors. As noted before, the PyMT model was largely resistant to anti-PD-1 monotherapy in a therapeutic setting. S1PR4 ablation alone showed significant tumor reduction that was not further enhanced by anti-PD-1 treatment. The same was observed when chemotherapy with DOX was added, where WT tumors relapsed, while S1PR4 KO tumor did not. Addition of anti-PD-1 did only mildly increase tumor control in S1PR4 KO mice, indicating that S1PR4 KO per se very efficiently re-activated anti-tumor immunity. Since S1PR4 KO induces type I 12 interferon (IFN-1) over-production in S1PR4 KO PyMT tumors, a link between high IFN-1 levels and tumor immunity was tested by using mice deficient in the IFN-1 receptor (IFNAR1). Unexpectedly, DOX chemotherapy was most efficient in mice with IFNAR ablation only as compared to WT, S1PR4 KO or S1PR4 and IFNAR1 double KO mice, although deficiency in IFNAR signaling is predominantly regarded as tumor promoting. The underlying mechanisms need to be tested in future studies. Interestingly, chemoimmunotherapy in WT mice prevented tumor relapse to a similar extent than S1PR4 KO and was superior to chemotherapy or immune checkpoint blockade alone. To investigate mechanisms of chemoimmunotherapy success compared to monotherapy, whole transcriptome analysis was used, which identified a set of genes that were upregulated specifically upon chemoimmunotherapy. This gene signature and, more specifically, a condensed four-gene signature predicted favorable survival of human mammary carcinoma patients in the METABRIC cohort.
Moreover, PyMT tumors treated with chemoimmunotherapy contained higher levels of cytotoxic lymphocytes, particularly NK cells. Gene set enrichment analysis and ELISA measurements revealed increased IL-27 production and signaling in PyMT tumors upon chemoimmunotherapy. Moreover, IL-27 improved NK cell cytotoxicity against PyMT cells in vitro. These data supported recent clinical observations indicating a benefit of chemoimmunotherapy compared to monotherapy in breast cancer and suggested potential underlying mechanisms.
Taken together the present work revealed new strategies to reactivate tumor immunity leading to improved chemotherapy response, namely a combination with immune checkpoint blockade and ablation of S1PR4, which activated different lymphocyte compartments within tumors.
The interleukin (IL)-1 family has been described for its numerous involvement in the regulation of inflammatory processes. Certain members are able to induce inflammation, whereas others have the capacity to inhibit inflammation. The newly discovered IL-1 family member IL-38 shows interesting and innovative properties. While most of these cytokines are pro-inflammatory mediators, IL-38 appears to enter the smaller circle of anti-inflammatory mediators. As a pattern, IL-38 appears to suppress IL-17-driven chronic or auto-inflammation by working as receptor antagonist. These properties, as well as its beneficial effects in models of inflammatory and autoimmune diseases suggest the possibility of IL-38-based therapies. Nevertheless, its role in the resolution of acute inflammation, thereby preventing chronic inflammation, remains unclear.
The first part of my thesis elucidated the role of IL-38 in the resolution of inflammation. I found that the complete absence of IL-38 in IL-38 KO mice leads to a delayed resolution of inflammation in the zymosan-induced peritonitis mouse model, compared to WT mice. This was marked by a persistent neutrophilia and a lower production of pro-resolving mediators during the resolution phase, such as TGFβ1 production from macrophages following efferocytosis of apoptotic cells. Reduced TGFβ1 production from macrophages coincided with reduced levels of regulatory T cells (Tregs), which are known to promote the resolution of inflammation. Unexpectedly, the TGFβ1 production capacity of macrophages did not influence the induction of Tregs from naïve T cells. Rather, IL-38 KO mice had an accumulation of Tregs in the thymus compared to WT mice. This was caused by an impairment of CD62L expression at the surface of Tregs, which is required for Tregs migration outside of the thymus. Higher Treg numbers in the thymus correlated with lower level of Tregs in peripheral lymphoid organs. Importantly, CD62L expression at the surface of IL-38 KO Tregs in the thymus was restored by injecting IL-38 i.p. for 24h. These data indicate a potential key function of IL-38 in the regulation of Treg migration, which is triggered in many cases of autoimmunity.
The second part of my thesis was to study the role of IL-38 in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) development, given that EAE is IL-17-dependent. Unexpectedly, IL-38-deficient mice showed strongly reduced clinical scores and histological markers of EAE. This came with reduced inflammatory cell infiltrates, as well as reduced expression of inflammatory markers in the spinal cord. IL-38 mRNA was detected in the spinal cord, mainly by resident and infiltrated phagocytes, but also by other cells, such as ependymal cells. IL-38 was upregulated upon pro-inflammatory stimulation of bone marrow-derived macrophages, and its presence was necessary for a complete activation of inflammatory macrophages. My data suggest an alternative cell-intrinsic role of IL-38 in macrophages to promote inflammation in the central nervous system.
In the last part of my thesis, I initiated a project on the function of IL-38 in B cell physiology and antibody production, given the fact that IL-38 is expressed by B cells. I generated preliminary data showing that the absence of IL-38 in mice decreased antibody production. Furthermore, I showed that IL-38 is particularly expressed by plasma cells in human tonsils. This project remains open and further studies will be conducted to investigate how IL-38 regulates antibody production, both in physiological and autoimmune settings. Understanding the role of IL-38 in autoantibody production could lead to original and innovative therapy for patients suffering from auto-inflammatory disease.
In summary, the different projects of my thesis provide evidence that the pro-resolving function of IL-38 may be indirectly linked to the retention of Tregs in the thymus. Moreover, a possible intracellular role of IL-38 within macrophages was described showing opposite properties in the regulation of inflammation. This function could be causatively involved in EAE development. However, further studies remain to be done to find the mechanism of action by which IL-38 regulates Tregs egression and how it influences the EAE development. Complete understanding of the IL-38 biology and differentiation between its extra- vs potential intracellular functions could make it a promising therapeutic target for chronic inflammatory or autoimmune diseases.
The compound class of the fabclavines was described as secondary or specialized metabolites (SM) for Xenorhabdus budapestensis and X. szentirmaii. Their corresponding structure was elucidated by NMR and further derivatives could be identified in both strains. Biochemically, fabclavines are hybrid SMs derived from two non-ribosomal-peptide-synthetases (NRPS), one type I polyketide-synthase (PKS) and polyunsaturated fatty acid (PUFA) synthases. In detail, a hexapeptide is connected via partially reduced polyketide units to an unsual polyamine. Structurally, they are related to the (pre-)zeamines, described for Serratia plymuthica and Dickeya zeae. Fabclavines exhibit a broad-spectrum bioactivity against a variety of different organisms like Grampositive and Gram-negative bacteria, fungi, protozoa but also against eukaryotic celllines.
In this work, the fabclavine biosynthesis was elucidated and assigned to two independently working assembly lines. The NRPS-PKS-pathway is initiated by the first NRPS FclI via generation of a tetrapeptide, which is elongated by the second NRPS FclJ, leading to a hexapeptide. Alternatively, FclJ can also act as direct start of the biosynthesis, resulting in the final formation of shortened fabclavine derivatives with a diinstead of a hexapeptide. In both cases, the peptide moiety is transferred to the iterative type I PKS FclK, leading to an elongation with partially reduced polyketide units. The resulting NRPS-PKS-intermediate is still enzyme-bound. The PUFA-homologues FclC, FclD and FclE in combination with FclF, FclG and FclH belong to the polyamine-forming pathway. Briefly, repeating decarboxylative Claisen thioester condensation reactions of acyl-coenzym A building blocks lead to the generation of an acyl chain in a PKS- or fatty acid biosynthesis-like manner. The corresponding β-keto-groups are either completely reduced or transaminated in a specific and repetitive way, resulting in the concatenation of so-called amine-units. The final β-keto-group is reduced to a hydroxy-group and the intermediate is reductively released by the thioester reductase FclG. A subsequent transamination step leads to the final polyamine. The NRPS-PKS- as well as the polyamine-pathway are connected by FclL. This condensation domain-like protein catalyzes the condensation of the polyamine with the NRPS-PKS-part, which results in the release of the final fabclavine. The results are described in detail in the first publication (first author).
Fabclavine biosynthesis gene cluster (BGC) are widely spread among the genus Xenorhabdus and Photorhabdus. In Xenorhabdus strains a high degree of conservation regarding the BGC synteny as well as the identity of single proteins can be observed. However, Photorhabdus strains harbor only the PUFA-homologues. While in Photorhabdus no product could be detected, our analysis revealed that the Xenorhabdus strains produce a large chemical diversity of different derivatives. Briefly, the general backbone of the fabclavines is conserved and only four chemical moieties are variable: The second and last amino acids of the NRPS-part, the number of incorporated polyketide units as well as the number of amine units in the polyamine. In combination with the elucidated biosynthesis, these variables could be assigned to single biosynthesis components as diversity mechanisms. Together with the 10 already described derivatives, a total of 32 derivatives could be detected. Interestingly, except for taxonomic closely related strains, all analyzed strains produce their own set of derivatives. Finally, we could confirm that the fabclavines are the major bioactive compound class in the analyzed strains under laboratory conditions. The results are described in detail in the second publication (first author).
Together with our collaboration partner Prof. Selcuk Hazir a potent bioactivity against Enterococcus faecalis, which is associated with endodontic infections, could be contributed to X. cabanillasii. Here, we could confirm that this bioactivity can be assigned to the fabclavines. The results are described in detail in the third publication(co-author).
Among the genus Xenorhabdus, X. bovienii represents an exception as its NRPS and PKS genes of the fabclavine BGC are missing or truncated, resulting in the exclusive production of polyamines. Furthermore, its PUFA-homologue FclC harbors an additional dehydratase (DH) domain. Upon extensive analysis a yet unknown deoxy-polyamine was identified and assigned to this additional domain. Finally, the DH domain was transferred into other polyamine pathways. Regardless of an in cis or in trans integration, the chimeric pathways produced deoxy-derivatives of its naturally occurring polyamines, suggesting that this represents another diversification mechanism. The results are described in detail in the attached manuscript (first author).
Guanosine triphosphate (GTP) cyclohydrolase I (GCH1) catalyzes the conversion of GTP to dihydroneopterin triphosphate (H2NTP), the initiating step in the biosynthesis of tetrahydrobiopterin (BH4). Besides other roles, BH4 functions as cofactor in neurotransmitter biosynthesis. The BH4 biosynthetic pathway and GCH1 have been identified as promising targets to treat pain disorders in patients. The function of mammalian GCH1s is regulated by a metabolic sensing mechanism involving a regulator protein, GCH1 feedback regulatory protein (GFRP). GFRP binds to GCH1 to form inhibited or activated complexes dependent on availability of cofactor ligands, BH4 and phenylalanine, respectively. We determined high-resolution structures of human GCH1−GFRP complexes by cryoelectron microscopy (cryo-EM). Cryo-EM revealed structural flexibility of specific and relevant surface lining loops, which previously was not detected by X-ray crystallography due to crystal packing effects. Further, we studied allosteric regulation of isolated GCH1 by X-ray crystallography. Using the combined structural information, we are able to obtain a comprehensive picture of the mechanism of allosteric regulation. Local rearrangements in the allosteric pocket upon BH4 binding result in drastic changes in the quaternary structure of the enzyme, leading to a more compact, tense form of the inhibited protein, and translocate to the active site, leading to an open, more flexible structure of its surroundings. Inhibition of the enzymatic activity is not a result of hindrance of substrate binding, but rather a consequence of accelerated substrate binding kinetics as shown by saturation transfer difference NMR (STD-NMR) and site-directed mutagenesis. We propose a dissociation rate controlled mechanism of allosteric, noncompetitive inhibition.
Monoterpenes and their monoterpenoid derivatives form a subclass of terpene(oid)s. They are widely used in medicines/pharmaceuticals, as flavor and fragrance compounds, or in agriculture and are also considered as future biofuels. However, for many of these substances, the extraction from natural sources poses challenges such as occurring at low concentrations in their raw material or because the natural sources are diminishing. Furthermore, many of the structurally more complex terpenoids cannot be chemically synthesized in an economic way. Therefore, microbial production provides an attractive alternative, taking advantage of the often distinct regio- and stereoselectivity of enzymatic reactions. However, monoterpenes and monoterpenoids are challenging products for industrial biotechnology processes due to their pronounced cytotoxicity, which complicates the production in microorganisms compared to longer-chain terpenes (sesquiterpenes, diterpenes, etc.).
The aim of this thesis was to generate a biotechnological complement to fossil-resources-based chemical processes for industrial monoterpenoid production. Therefore, a starting point for the further development of a microbial cell factory based on the microbe Pseudomonas putida KT2440 was aimed to be created. This production organism should be able to conduct a whole- cell biocatalysis to selectively oxyfunctionalize monoterpene hydrocarbons using renewable industrial by-products and waste streams as raw material for monoterpenoid production (Figure 1). As a model substance, the production of (-)-menthol should be addressed due to its industrial significance. (-)-Menthol is one of the world’s most widely-used flavor and fragrance compounds by volume as well as a medical component, having an annual production volume of over 30,000 tons. An approach for (-)-menthol production from renewable resources could be a biotechnological(-chemical) two-step conversion (Figure 1), starting from (+)-limonene, a by-product of the citrus fruit processing industry.
The thesis project was divided into three parts. In the first part, enzymes (limonene-3- hydroxylases) were to be identified that can convert (+)-limonene into the precursor of (-)-menthol, (+)-trans-isopiperitenol. To counteract product toxicity, in the second part, the tolerance of the intended production organism P. putida KT2440 towards monoterpenes and their monoterpenoid derivatives should be increased. Finally, in the third part, the identified hydroxylase enzymes would be expressed in the improved P. putida KT2440 strain to create a whole-cell biocatalyst for the first reaction step of a two-step (-)-menthol production, starting from (+)-limonene.
To achieve these objectives, different genetic/molecular biology and analytical methods were applied. In this way, two cytochrome P450 monooxygenase enzymes from the fungi Aureobasidium pullulans and Hormonema carpetanum could be identified and functionally expressed in Pichia pastoris, which can catalyze the intended hydroxylation reaction on (+) limonene with high stereo- and regioselectivity. A further characterization of the enzyme from A. pullulans showed that apart from (+) limonene the protein can also hydroxylate ( ) limonene, - and -pinene, as well as 3-carene.
Furthermore, within this thesis, mechanisms of microbial monoterpenoid resistance of P. putida could be identified. It was shown that the different monoterpenes and monoterpenoids tested have very different toxicity levels and that mainly the Ttg efflux pumps of P. putida GS1 are responsible for the tolerance to many of these compounds. Based on these results, a P. putida KT2440 strain with increased resistance to various monoterpenoids, including isopiperitenol, could then be generated, which can be used as a host organism for the further development of monoterpenoid-producing cell factories.
While within the scope of this work the heterologous expression of the fungal gene in prokaryotic cells in a functional form could not be realized despite different approaches, the identified enzymes, the monoterpenoid-tolerant P. putida strain and a plasmid developed for heterologous gene expression in P. putida provide a starting point for the further design of a microbial cell factory for biotechnological monoterpenoid production.
Reliable and efficient recording of the error-related negativity with a speeded Eriksen Flanker task
(2020)
There is accumulating evidence that the error-related negativity (ERN), an event-related potential elicited after erroneous actions, is altered in different psychiatric disorders and may help to guide treatment options. Thus, the ERN is a promising candidate as a psychiatric biomarker. Basic methodological requirements for a biomarker are standardized and reliable measurements. Additional psychiatry specific requirements are time efficiency and patient-friendliness.
The aim of the present study is to establish ERN acquisition in a reliable, time-efficient and patient-friendly way for use in clinical practice.
Healthy subjects (N=27) performed a modified Eriksen Flanker Task with adaptive reaction time window and only incongruent stimuli that maximizes the number of errors. All participants were tested for mental health by the Mini International Neuropsychiatric Interview (M.I.N.I.). The first N=12 subjects were part of a pilot study and further N=14 subjects were included for analysis (one subject was excluded due to technical problems). In a test-retest design with two sessions separated by 28 days the reliability of the ERN has been assessed. To ensure external validity, we aimed to replicate previously reported correlation patterns of ERN amplitude with (1) number of errors and (2) negative affect. State affect of each subject was measured by the Positive and Negative Affect Schedule. In order to optimize the clinical use of the task, we determined to which extent the task can be shortened while keeping reliability >0.80.
We found excellent reliability of the ERN (intraclass correlation coefficient =0.806-0.947) and replicated specific correlation patterns (ERN amplitude with relative number of errors: r=0.394; p=0.082; ERN amplitude with negative affect: r=-0.583, p=0.014). The task can be shortened to a patient-friendly and clinically feasible length of only 8 minutes keeping reliability >0.80.
To conclude, the present modified task provides reliable and efficient recording of the ERN, facilitating its use as a psychiatric biomarker.
This thesis primarily investigates an (hitherto unnoticed) agreement alternation between Romance and Germanic in D>N>&>N constructions (e.g. “these walls and ceiling”). While Romance exhibits left conjunct agreement, Germanic shows morphologically resolved agreement on the determiner, i.e. the phi-feature mismatching conjuncts can only be licensed if a syncretic form is available. To handle these data the author suggests a theory in which coordination is syntactically and morphologically unspecified and multiple agree is a general option. Infelicitous derivations are ruled out by interface conditions on the semantic and the phonological well formedness. The complete results of the corpus research conducted to deliver a sound empirical basis for the phenomena investigated in this thesis can be found in the appendix.
Evidence is increasingly pointing towards a significant global decline in biodiversity. The drivers of this decline are numerous, including habitat change and overexploitation, rapid deforestation, pollution, exotic species and disease, and finally climate change as an emerging driver of biodiversity change (Nakamura, et al., 2013; Hancocks, 2001; Pereira, Navarro & Martins, 2012). Raising public awareness of the need to conserve biological diversity is essential to safeguard the richness of life forms all over the world (Lindemann-Matthies, 2002). In this regard, institutions such as science museums, zoos and aquariums have the potential to play an important role (Rennie & Stocklmayer, 2003). Especially, zoos can provide a productive learning environment (Miles & Tout, 1992), facilitating the promotion of public conservation awareness and the adoption of pro-environmental behaviours that would reduce negative human impacts on biodiversity (Barongi, et al., 2015).
Based on these concepts, my study contributes to the developing field of visitor studies. Taking as reference non-zoo visitors and zoo visitors, I have focused on reviewing some aspects of conservation education, such as people's awareness of conservation, people's interest in animals and people's feelings towards animals and attitudes towards zoos. The study identified differences between non-regular and regular zoo visitors in interests in animals, as well as visitor attitudes towards conservation issues and zoos. Therefore, the present study indicated that positive emotional reactions and, in particular, a perceived sense of connection to the animal were linked and depended on the frequency of zoo visits. It was as well remarkable, that conservation awareness was influenced by the interest in animals, the interest in visiting zoos, the attitudes towards these institutions, and the age and the country of origin. All these variables had a greater effect in the conservation consciousness of the participants. Additionally interestingly, the main reason for visiting zoos in every country was to learn something about animals. This highlights the educational role of zoos and broadly supports the idea that people want to visit zoos to learn something about animals, in turn facilitating pro-conservation learning and changes in attitude. They are uniquely positioned to interact with visitors, communities, and society and to contribute by providing an informative and entertaining environment. Visiting zoos could led to contribute to promoting animal connectedness and interest in species.
Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist die sechsthäufigste Krebsart mit der zweithäufigsten krebsbedingten Letalität. Sorafenib ist bereits seit über 10 Jahren die einzige verfügbare und zugelassene systemische Chemotherapie. Allerdings zeigen Patienten oft eine Resistenz gegenüber Sorafenib.
In zahlreichen Krebsarten konnte bereits gezeigt werden, dass Sphingolipide bei der Tumorentwicklung und Chemoresistenz eine wichtige Rolle spielen. Sphingolipide sind bioaktive Lipidmoleküle, welche unteranderem für die Beeinflussung verschiedener Signalwege intra- und extrazellulär verantwortlich sind. So konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis zwischen Sphingosin-1-Phosphat (S1P) und Ceramiden eine wichtige Rolle für das Überleben von Zellen spielt, wobei eine Verschiebung des Verhältnisses zugunsten des S1P meist eine proliferative Wirkung auf Zellen hat. Für die Phosphorylierung des Sphingosins zu S1P sind die zwei Enzyme Sphingosinkinase 1 und 2 (SPHK1/2) verantwortlich.
Es gibt bereits Studien, die nachweisen konnten, dass diese Enzyme gerade in Tumorzellen verstärkt exprimiert werden. Auf der anderen Seite kann eine verstärkte Bildung von Ceramiden die Apoptose der Tumorzellen verstärken. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Sphingolipid-Stoffwechsel einen interessanten Angriffspunkt für die Krebstherapie darstellt. Aus diesem Grund sollte in der vorliegenden Arbeit zunächst untersucht werden, ob Sorafenib einen Einfluss auf den Sphingolipid Stoffwechsel hat. Weiter sollte untersucht werden, ob die Beeinflussung des Sphingolipid-Stoffwechsels die Effekte von Sorafenib potenzieren könnte.
Es konnte zunächst gezeigt werden, dass Sorafenib die mRNA-Expression verschiedener Enzyme, die das Verhältnis zwischen Ceramiden und S1P regulieren, beeinflussen kann. Es wurde weiter untersucht, wie sich der Ceramidsynthase Inhibitor FB1 auf die Proliferation und die Induktion der Apoptose auswirkt. Dies wurde ebenfalls mit SLP (SPHK1 Inhibitor), SLM (SPHK2 Inhibitor) und SKI II, einem unspezifischen Inhibitor beider Sphingosinkinasen, untersucht. Es wurden weiter die Einflüsse aller verwendeten Substanzen auf die Bildung verschiedener Sphingolipide untersucht.
Hierbei konnte gezeigt werden, dass Sorafenib in der Lage ist, die Proliferation der Zellen zu hemmen und die Apoptose-Induktion zu fördern. Weiter führte Sorafenib zu einer Akkumulation der Dihydroceramide. Was wiederrum weder mit SKI II, FB1; SLP noch SLM beobachtet werden konnte. Der signifikante Anstieg der Dihydroceramid-Konzentrationen konnte mit dem durch Sorafenib induzierten oxidativen Stress in Verbindung gebracht werden.
SLP und SLM waren nicht in der Lage, die Effekte von Sorafenib auf die Proliferation zu potenzieren. Die Kombination von Sorafenib mit SLP oder SLM führte jedoch in den Huh7.5 Zellen zu einer drastischen Reduktion des S1P-Spiegel.
FB1 und SKI II führten zu einer stärkeren Hemmung der Proliferation als Sorafenib. Wobei gezeigt werden konnte, dass beide Substanzen die Ceramid-Spiegel tendenziell eher vermindern und die S1P-Spiegel erhöhen. Durch die Stimulation mit FB1 kam es sogar zu einer signifikanten Erhöhung der S1P-Spiegel. Es scheint, dass der Einfluss von FB1 und SKI II auf die Proliferation der Zellen unabhängig vom Sphingolipid-Stoffwechsel ist. Diese scheinen eher über andere Mechanismen zu wirken. Es könnte von Interesse sein, gerade diese Signalwege von SKI II im HCC weiter zu untersuchen, da SKI II bereits in Mausmodellen anderer Krebsarten vielversprechende Ergebnisse zeigte.
The post-transcriptional modification of the canonical nucleoside uridine into its rotational isomer pseudouridine occurs in non-coding as well as coding RNA and is the most abundant post-transcriptional modification in all kingdoms of life. While the occurrence of pseudouridine has been linked to the enhancement of stability and the codon-anticodon interaction in tRNAs, enhancement of the translation efficiency in rRNAs, regulatory functions in spliceosomal snRNA and nonsense codon suppression in mRNA, its exact role in many RNAs is still ambiguous. The uridine to pseudouridine isomerization can either be catalyzed by one of various standalone pseudouridylases or it can be performed in an RNA-guided manner by H/ACA ribonucleoproteins. In eukaryotes, the guide RNA always adapts a conserved bipartite, double-hairpin conformation. Each hairpin contains an internal RNA-loop motif, which can recruit a specific substrate RNA via base pairing. The catalytically active RNP is formed by the interactions of the guide RNA with four proteins. While Cbf5 forms the catalytically active center, Nop10 and Nhp2 perform auxiliary functions and Gar1 is involved in substrate turnover. Up until now, most structural knowledge about H/ACA RNPs has been derived from archaeal complexes, while the exact structure-function-relationships between RNA and proteins in eukaryotic RNPs is still ambiguous. While archaeal H/ACA RNPs share many similarities with eukaryotic RNPs and act as good model system, there are also many differences between them like eukaryotic specific protein domains as well as the overall bipartite complex structure, dictated by the snoRNA. Investigating pseudouridylation by eukaryotic H/ACA RNPs opens up a broad area of research and helps to gain a better understanding of this enzyme class – especially since malfunction of H/ACA RNPs has been linked to the genetic disease Dyskeratosis congenita as well as several types of cancer.
The main goal of this thesis was to gain new insights into the RNA/protein interactions in the eukaryotic snR81 H/ACA snoRNP from Saccharomyces cerevisiae on a structural as well as dynamical level. In the first part of this thesis, the main goal was to in vitro prepare a functionally active snR81 H/ACA RNP. The guiding snoRNA was prepared by in vitro transcription and purification, while the Saccharomyces cerevisiae proteins were recombinantly expressed from Escherichia coli. Apart from the full length, bipartite snR81 snoRNP, several sub-complexes of the RNP were reconstituted. Therefore, snoRNA constructs were designed and prepared, which only contained a single hairpin motif of the complex. Furthermore, snoRNA constructs in which the apical hairpin stem was replaced by a stable tetraloop were prepared, to investigate the influence of the apical stem on protein binding and activity. Also, for the eukaryotic proteins, a shortened version of Gar1 (Gar1Δ) was utilized, which lacks the eukaryotic specific RGG domains, that have been characterized as accessory RNA binding motifs. Reconstituted snoRNPs were utilized in catalytic activity assays, monitoring the turnover rate of uridine to pseudouridine. For this purpose, radioactively labeled substrate RNAs were prepared by phosphorylation and splinted ligation of oligonucleotides and were objected to reconstituted H/ACA RNPs under single as well as multiple turnover conditions. In the second part of this thesis, the RNA/protein interactions were dissected via single molecule FRET spectroscopy. Therefore, the snoRNA was labeled with an acceptor fluorophore via NHS ester/amine-reaction. Furthermore, the snoRNA contained a biotin-handle, allowing immobilization of the complex during the experimental time-window of the spectroscopic analysis. Eukaryotic specific protein Nhp2 was labeled with a donor fluorophore via “click” chemistry, which included the chemical synthesis and incorporation by genetic code expansion of non-canonical amino acids. The interactions of Nhp2 with the different snoRNA constructs (standalone-hairpins “H5” and “H3”, as well as hairpins lacking the apical binding motif “H5Δ” and “H3Δ”) were monitored on a single molecule level.
In summary, it was possible to gain new insights into the complex structure and the dynamical behavior of the still sparsely characterized eukaryotic H/ACA RNPs. Especially, new knowledge could be obtained about the hairpin specific behavior on the bipartite RNA complex structure, including the rather ambiguous role of the protein Nhp2 and the contribution of the eukaryotic specific features of Gar1 in their interaction with the guide/substrate RNA.
Carotinoide sind Pigmente, die in Pflanzen, Algen, einigen Pilzen und Bakterien vorkommen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Photosynthese durch Absorption von Licht und beim Lichtschutz. Sie sind verantwortlich für die braunen, roten, orangen und gelben Farben von Obst, Gemüse, Herbstblättern und die Farbe einiger Blumen und Algen. Tiere können keine Carotinoide synthetisieren, daher ist ihre Anwesenheit auf die Nahrungsaufnahme zurückzuführen. Carotinoide sind Tetraterpenoide (40C), die aus Isoprenoidmolekülen (5C) synthetisiert werden. Der Methylerythritol-phosphatweg ist der Carotinoid-Vorläuferweg, der die Isoprenoideinheiten bildet. Carotinoide haben aufgrund ihrer gesundheitlichen Vorteile das Interesse der Nutrazeutika-Industrie geweckt.
Fucoxanthin ist ein Carotinoid, das nur in Kieselalgen, Braunalgen, Haptophyten und einigen Dinoflagellaten vorkommt. Aufgrund seiner Vorteile zur Vorbeugung von Krebs, kognitiven Erkrankungen und Fettleibigkeit sowie seiner antioxidativen Eigenschaften ist Fucoxanthin ein sehr interessantes Molekül fur die Nutrazeutikabranche.
Fucoxanthin hat eine komplexe chemische Struktur mit einer Allenbindung und einer Epoxyketogruppe. Daher wäre seine chemische Synthese kompliziert, da es auch eine stereokontrollierte Synthese erfordert86. Aus diesem Grund ist die Extraktion aus Makroalgen oder Mikroalgen die Methode der Wahl für die kommerzielle Herstellung von Fucoxanthin.
In dieser Arbeit bestand das Ziel darin, die Fucoxanthin-Produktivität in Kieselalgen mit gentechnischen Methoden zu steigern, damit die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Zu diesem Zweck wurde der Effekt der Insertion zusätzlicher Kopien von Genen in das Genom untersucht, die für geschwindigkeitsbestimmende oder Schlüsselenzyme im Carotinoid- und MEP-Weg kodieren.
Zu Beginn wurden diese Effekte bei einzelnen Mutanten beobachtet. Letztendlich ist es jedoch das Ziel, eine Mutante zu erzeugen, die mehrere geschwindigkeitsbestimmende Enzyme überexprimiert, um auf diese Weise Engpässe zu vermeiden. In früheren Studien erreichten Eilers et al.54 durch die einmalige Überexpression der psy- und dxs-Gene in der Kieselalge P. tricornutum einen 2.4- und 1.8-fachen Anstieg der Fucoxanthin-Spiegel.
In dieser Arbeit führte die Insertion zusätzlicher Kopien der Gene idi und pds2 nicht dazu, dass die Zellen mehr Fucoxanthin produzieren. Im Gegensatz dazu erreichten die Mutanten mit zusätzlichen Kopien der Gen ggpps und mit zusätzlichen Kopien sowohl von psy als auch von dxs seine um 28% bzw. 10% höhere Fucoxanthin-Produktivität pro Million Zellen. Bei diesen Mutanten ist die Gesamtproduktivität jedoch geringer als beim Wildtyp, da ihr Wachstum langsamer als beim Wildtyp ist.
Unter Berücksichtigung der besten Zielgene wurden Mutanten erzeugt, die gleichzeitig zusätzliche Kopien von psy, dxs und ggpps enthielten. Die Mutanten hatten unter sehr niedriegen Lichtbedingungen eine um bis zu 61% höhere Produktivität pro Million Zellen als der Wildtyp. Ausnahmsweise wurden diese Mutanten bei sehr schwachem Licht (10 µE m-2 s-1) gezüchtet, da sie sehr gestresst waren und als Zellklumpen wuchsen. Obwohl die Gesamt-Fucoxanthin-Spiegel in diesen Mutanten unter diesen Bedingungen höher sind als im Wildtyp, sind sie daher niedriger als die Fucoxanthin-Spiegel bei den in anderen Experimenten verwendeten Lichtbedingungen (50 µE m-2 s-1). Als Ergebnis dieser Experimente kann gesagt werden, dass die Belastung der Zellen nach den genetischen Veränderungen untersucht werden muss, da dies zu einer Abnahme der Biomasse und folglich zu einer Abnahme der Fucoxanthinproduktion führt. Alternativ könnte auch eine 2-Stufen-Kultur etabliert werden, in der in einem ersten Schritt eine hohe Biomasse erreicht wird und im zweiten Schritt die Expression der interessierenden Gene induziert wird.
Aufgrund der antioxidativen Eigenschaften von Carotinoiden besteht eine übliche Strategie zur Akkumulation von Carotinoiden darin, die Zellen unter oxidative Stressbedingungen zu setzen. Diese Strategie ist jedoch nicht wirksam für die Anreicherung von Fucoxanthin unter hohen Salzkonzentrationen oder hohen Lichtbedingungen. Bessere Versuchspläne könnten jedoch eine 2-Stufen-Kultur oder adaptive Laborbedingungen gewesen sein.
Eine andere mögliche Strategie zur Erhöhung des Fucoxanthinspiegels wäre die Durchführung einer zufälligen Mutagenese der Zellen. Auf diese Weise sind keine Vorkenntnisse über den Carotinoidsyntheseweg und seine Regulation erforderlich und es kann zu Veränderungen in Genen führen, die keine offensichtlichen Ziele sind.
Experimente mit zufälliger Mutagenese erfordern ein Hochdurchsatz-Screeningsystem, da Hunderte oder sogar Tausende von Mutanten erhalten werden. Eine mögliche Strategie, um die Kultivierung der hohen Anzahl von Mutanten zu vereinfachen, ist die Einkapselung dieser Mutanten in Alginatkügelchen. Auf diese Weise können alle Mutanten in demselben Gefäß kultiviert werden. Die eingekapselten Zellen können dann beispielsweise mit einem Durchflusszytometer auf große Partikel durch Fluoreszenz- oder Absorptionsmessungen gescreent werden.
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Im Mittelpunkt der Studie steht die Überprüfung der Wirksamkeit der Fortbildungs¬reihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten, die von der Verfasserin konzipiert und hessenweit für Lehrpersonen aller Schulformen angeboten wurde. Bislang sind kohärente Konzepte zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten oder zur individuellen Förderung zumindest nicht weit verbreitet. Das Erkenntnisinteresse der vorliegenden Studie war daher auf die Frage gerichtet, ob sich durch eine dieser Art konzipierten Fortbildungsreihe tatsächlich die Nutzung ausgewählter Prinzipien, Instrumente und Verfahren sowie die Selbstwirksamkeitserwartungen bezüglich der Steuerung und Unterstützung von Lernprozessen verändern und beeinflussen lassen. Diese Fragestellung kann aufgrund der empirischen Daten bejaht werden.
Als wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten kann die in den formativen Evaluationen ermittelte Akzeptanz der Fortbildung und der Fortbildungsinhalte angesehen werden. Sie bildet die Grundlage für Veränderungsprozesse, die sich messbar insbesondere in der Follow-Up-Erhebung in der Zunahme der Nutzung von Prinzipien, Instrumente und Verfahren und in den Selbstwirksamkeitserwartungen der Lehrpersonen niederschlagen. Dieser Veränderungsprozess kann als bemerkenswert bezeichnet werden, da in den formativen Evaluationen die Frage nach der Nutzung und Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht stets durch niedrigere Zustimmungswerte gekennzeichnet war und damit das Zutrauen und die Überzeugung in den persönlichen Veränderungsprozess zurückhaltend war im Vergleich zu den Zustimmungswerten zu den Inhalten der Fortbildungsreihe sowie zu deren Sinnhaftigkeit.
Akzeptanz, Zustimmung und die Einsicht in die Sinnhaftigkeit sowie die Überzeugung der Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht können als Schlüsselelemente für die Veränderung der Handlungskompetenz von Lehrpersonen gesehen werden und stehen in Übereinstimmung mit entsprechenden Befunden der Conceptual-Change-Forschung. Damit konnte ein wesentliches Element erfolgreicher, da wirksamer Fortbildung insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung empirisch belegt. Diese sollte nach ca. einem halben Jahr nach dem Ende der Fortbildungsreihe Aufschluss über die Nachhaltigkeit der Wirkung der Fortbildungsinhalte erbringen. Einschränkend soll hier jedoch auf die Reduktion der Stichprobe hingewiesen werden: Waren es zum 1.MZP 422 Lehrpersonen (270 FG, 152 KG), die an der Erhebung teilgenommen haben, waren es zum 2.MZP noch 347 Lehrpersonen (229 FG, 118 KG) und zum 3. Messzeitpunkt nur 172 Lehrpersonen (101 FG, 71 KG).
Insbesondere die durch die Fortbildungsreihe erzielten positiven Veränderungen der Selbstwirksamkeitserwartungen unterstreichen den Forschungsstand zu deren Bedeutung für nachhaltige Veränderung des Unterrichtshandelns von Lehrpersonen aller Schulformen. Von besonderem Interesse für die Konzeptualisierung von Lehrerfortbildungen erscheint der Zusammenhang zwischen der Vermittlung von Wissen und den Selbstwirksamkeitserwartungen. Aufgrund von Forschungsbefunden kann angenommen werden, dass ohne die Überzeugung und die Zuversicht, das erworbene Wissen erfolgreich im eigenen Unterricht umsetzen und in Handlungskompetenz überleiten zu können, keine Veränderungsprozesse und Lernen ausgelöst und ermöglicht werden. Dieser Zusammenhang sollte stärker in weiteren Studien überprüft werden, um Lehrpersonen künftig gezielter für und auf Veränderungen im Unterrichtshandeln vorbereiten und unterstützen zu können. Desweiteren gilt es, die Anleitung der Lehrpersonen zur Reflexion ihres Unter¬richtshandelns genauer in den Blick zu nehmen. Nach dem kompetenztheoretischen Ansatz von Baumert und Kunter (2006) und entsprechenden Forschungsbefunden kann die Selbstreflexion als ein wesentlicher Faktor für Veränderungsprozesse und vor allem für die Selbstwirksamkeitserwartungen angenommen werden. In der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten wurden die Lehrpersonen jeweils zu Beginn jeder Veranstaltung zur Reflexion angeleitet über die umgesetzten Fortbildungsinhalte sowie deren Wirkung auf die Schülerinnen und Schüler. Hierzu sind weitergehende Forschungen wünschenswert, um auf der Grundlage entsprechender Befunde wirksame Fortbildungsangebote gestalten zu können.
Weiterer Klärungsbedarf besteht hinsichtlich der Implementation von Fortbil¬dungsinhalten in die Unterrichtspraxis. In der vorliegenden empirischen Studie konnte insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung gezeigt werden, dass die Umsetzung und Implementation der Fortbildungsinhalte gelungen zu sein scheint und die Verbesserung der Nutzung von Prinzipien, Instrumenten und Verfahren zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten sowie die Steigerung der Selbstwirksamkeitserwartungen erkennbar sind. Dabei gilt als einschränkend zu bedenken, dass es sich bei den erhobenen Werten um Selbstauskünfte der Teilnehmer/-innen handelt. Gleichwohl kann insbesondere der signifikante Zuwachs in den Selbstwirksamkeitserwartungen als bedeutsam eingeschätzt werden, nachdem durch Forschungsbefunde nachdrücklich darauf verwiesen wird, dass gerade Überzeugungen von Lehrpersonen schwer zugänglich und veränderbar sind.
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Für ausgewählten Patienten mit Aortenklappeninsuffizienz (AI) bietet die Aortenklappenrekonstruktion eine sehr attraktive Alternative zum Klappenersatz, wodurch mögliche prothesenbezogene Komplikationen vermieden werden können.
Die begrenzte Zahl der Langzeitstudien sowie das Fehlen von standardisierten Verfahren machen die klappenerhaltende Aortenklappenchirurgie technisch anspruchsvoll.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Langzeitergebnisse nach Aortenklappenrekonstruktion zu erfassen und die Haltbarkeit sowie die klappenbezogenen Komplikationen nach klappenerhaltender Aortenklappenchirurgie zu untersuchen.
Hierzu analysierten wir die klinischen Daten von 560 Patienten, die eine operative Versorgung mittels Aortenklappenrekonstruktion erhielten. Dabei wurden sowohl Segelpathologien (bikuspid sowie trikuspid) als auch Aortenwurzelpathologien berücksichtigt. Bei 56% der Patienten (n=313) wurde eine Reimplantation nach David durchgeführt. Bei 247 Patienten wurde bei isolierter Segelpathologie ohne Aortenwurzelbeteiligung eine Segelrekonstruktion durchgeführt. Pathologien der Aortenwurzel konnten mit subkommissuralen Nähten (bei 62 Patienten) oder mit Rekonstruktion des sinotubulären Übergangs (bei 60 Patienten) behoben werden. Begleitende Aorteneingriffe bei Aneurysma oder Dissektion der thorakalen Aorta wurden ebenfalls durchgeführt. So wurden bei 78 Patienten ein partieller Aortenbogenersatz, bei 12 Patienten ein kompletter Aortenbogenersatz und bei 14 Patienten ein Bogenersatz mit „Elephant Trunk“ Technik durchgeführt.
Die Nachuntersuchungen erfolgten anhand eines standardisierten Fragebogens 5 sowie durch transthorakal echokardiographische Verlaufskontrollen. Die durchschnittliche Nachuntersuchungszeit betrug 6.3 ± 4.6 Jahre, 97% der Patienten konnten dabei erfasst werden.
Die 30-Tage-Mortalität betrug 1,4%. Im Langzeitverlauf wurden 132 Verstorbene beobachtet, wobei 13 Patienten aufgrund eines kardiovaskulären Ereignisses verstarben. Das 10-Jahres-Überleben betrug 70%. Eine Reoperation war bei 39 Patienten notwendig, in 25 Fällen aufgrund von signifikanter Restinsuffizienz der Aortenklappe, in 5 Fällen aufgrund eines kombinierten Aortenklappenvitium. Endokarditis führte in 9 Fällen zur Reoperation (0,2% pro Patientenjahr). Die Freiheit von Reoperation betrug 88% nach 10 Jahren. Die klappenbezogenen Komplikationen ergaben eine kumulative linearisierte Inzidenz von 2% pro Patientenjahr.
Schlussfolgernd kann man sagen, dass die Aortenklappenrekonstruktion für ausgewählte Patienten eine gute Alternative zum Aortenklappenersatz darstellt. Die Haltbarkeit der Klappenfunktion erwies sich in der Langzeitbeobachtung als gut. Die adäquate Wahl der Operationstechnik bezogen auf die Pathologie führen zu guten Ergebnissen der Aortenklappenrekonstruktion mit akzeptabler Mortalität und Morbidität im Langzeitverlauf.
Schwerverletzte Patienten folgen einem biphasischen Mortalitätsmuster, mit einem ersten frühen Mortalitätsgipfel aufgrund von schweren Verletzungen des zentralen Nervensystems oder durch massiven Blutverlust. Der zweite, später auftretende Traumatod ist mit einer immunologischen Dysregulierung verbunden, welche durch eine ausgeprägte Inflammation häufig im (Multi)-Organversagen endet. Insbesonders thorakale Verletzungen sowie das Erleiden eines hämorrhagischen Schocks prädisponieren den Organismus für die Entwicklung von pulmonalen Komplikationen im klinischen Folgevelauf. Alkohol spielt hierbei eine wichtige Rolle. In den vergangenen 15 Jahren hat sich zwar die Anzahl der „Alkoholunfälle“ mit Personenschaden reduziert, dennoch tritt Alkohol als eine der häufigsten Unfallursachen bei 18-34jährigen auf. Zudem hat Alkohol durch seine immunmodulatorischen Eigenschaften einen signifikanten Einfluss auf die Entwicklung und Prognose von (infektiösen) Komplikationen im klinischen Folgeverlauf. Verunfallte Patienten mit einer akuten Alkoholintoxikation zeigen im Vergleich zu chronisch Alkoholisierten eine verringerte 24-Stunden-Letalität nach Trauma. Die Studienlage zu den Hintergründen ist äußerst kontrovers, und stellt den Kern der vorliegenden Arbeit dar. Eine zentrale Rolle in der Genese der post-traumatisch inflammatorischen Immunantwort nehmen die Monozyten, sowie die Alveolarmakrophagen (AM) in der Lunge, aber auch zirkulierende polymorphonukleäre Leukozyten (PMNL) insbesondere neutrophile Granulozyten ein. Die Monozyten aktivieren bspw. über die Inflammasomassemblierung Caspase-1 (Pyroptose), die das inaktive Interleukin (IL)-1β in seine aktive Form prozessiert, aktiviert und seine Sezernierung induziert. Neutrophile Granulozyten, die ebenfalls durch inflammatorische und chemotaktische Reize aktiviert werden, infiltieren durch Modifikationen ihrer Oberflächenrezeptoren wie CD11b, CD62L und CD31 entzündetes Gewebe. Am Ort der „Schädigung“ weisen sie eine prolongierte Lebensspanne auf, und tragen durch ihre verstärkte Akkumulation so zu einem hyper-inflammatorischen Zustand bei. Folglich wird das eigene Gewebe geschädigt, was im Verlust der Zell- und Organintegrität enden kann. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen wurden in diversen Studien mit der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB assoziiert. Interessanterweise konnte die anti-inflammatorische Wirkung einer akuten Alkoholexposition mit der Hemmung des NF-κB, aber auch mit einer reduzierten Inflammasomassemblierung in vitro assoziiert werden.
Für die Untersuchung der akuten Alkoholwirkung wurde ein klinisch relevantes double hit Modell bestehend aus stumpfen Thoraxtrauma und hämorrhagischem Schock mit anschließender Flüssigkeitstherapie (TxT+H/R) genutzt. Um den Einfluss von Alkohol auf die posttraumatische Immunantwort mit Fokus auf die Rolle der zirkulierenden neutrophilen Granulozyten und Monozyten in der Genese pulmonaler Schädigungen zu untersuchen, erfolgte im vorliegenden Modell eine akute Gabe von Ethanol (5 g/kg, 30%, EtOH) zwei Stunden vor Hämorrhagie und Reperfusion. Zwei Stunden nach Reperfusion wurden die inflammatorischen Prozesse und das Outcome der Tiere untersucht.
Die Ergebnisse zeigen, dass TxT+H/R zu diffusen histopathologischen Lungenschäden führt, welche mit einer erhöhten Proteinkonzentration in der bronchoalveolären Lavage (BAL), verstärkten Infiltration des Lungengewebes mit PMNL sowie einer systemischen Aktivierung von neutrophilen Granulozyten und Monozyten verbunden war. Neutrophile Granulozyten zeigten eine signifikante Reduktion der Oberflächenexpression von CD62L und einen signifikanten Anstieg von CD11b und CD31; in zirkulierenden Monozyten konnte eine Inflammasomaktivierung durch direkten Nachweis der aktiven Caspase-1 gezeigt werden. Die Analyse der aktiven Effektorcaspasen der Apoptose Caspase-3 und -7 zeigte eine reduzierte Apoptose in zirkulierenden neutrophilen Granulozyten. Orale Gavage EtOH reduzierte signifikant die lokale Inflammation in der Lunge, welche mit einer verminderten PMNL Infiltration, verminderten IL-6 Genexpression und reduziertem BAL Proteingehalt einherging. Während die reduzierte Proteinkonzentration in der BAL durchaus für einen verminderten Lungenschaden spricht, war dieser histopathologisch nicht festellbar. Systemisch modulierte die akute EtOH-Gabe Oberflächenrezeptorexpression auf zirkulierenden neutrophilen Granulozyten, was deren reduzierte Aktivierung bestätigt. Die verminderte inflammatorische Aktivierung von zirkulierenden Monozyten und Granulozyten zeigte sich ebenfalls in der reduzierten Inflammasomaktivität.
Wir konnten wichtige Erkenntnisse für das Verständnis der Genese von pulmonalen Komplikationen nach TxT und HS, sowie die immunmodulatorischen Eigenschaften von Alkohol auf das angeborene Immunsystem darstellen. Die akute Alkoholexposition reduzierte die systemische Immunantwort, welcher in diesem klinisch relevanten Kombinationstrauma vermutlich eine reduzierte lokale Inflammationsantwort folgte. In weiterführenden Studien sollten die zugrundeliegenden Signalwege, Einfluss der Traumachwere sowie der Schwere der Alkoholintoxikation untersucht werden.
Autophagy, together with the ubiquitin-proteasome system, is the main quality control pathway responsible for maintaining cell homeostasis. There are several types of autophagy distinguished by cargo selectivity and means of induction. This thesis focuses on macroautophagy, hereafter autophagy, where a double-layered membrane is formed originating from the endoplasmatic reticulum (ER) engulfing cargo selectively or unselectively. Subsequently, a vesicle forms around the cargo, an autophagosome, and eventually fuses with the lysosome leading to degradation of the vesicle content and release of the cargo “building blocks”. Basal autophagy continuously occurs, unselectively engulfing a portion of the cytoplasm. However, autophagy can also be induced by stress such as starvation, protein aggregation, damaged organelles, intracellular pathogens etc. In this case, the cargo is selectively targeted, and the fate of the autophagosome is the same as in basal autophagy. In recent years, interest in identifying mechanisms of autophagy regulation has risen due to its importance in neurodegenerative diseases and cancer. Given the complexity of the process, its execution is tightly regulated from initiation, autophagosome formation, expansion, closure, and finally fusion with the lysosome. Each of the steps involves different protein complexes, whose timely activity is orchestrated by post-translational modifications. One of them is ubiquitination. Ubiquitin is a small, 76-amino acid protein conjugated in a 3-step reaction to other proteins, in a reversible manner, meaning undone by deubiquitinases. Originally described as a degradation signal targeting proteins to the proteasome, today it is known it has various additional non-proteolytic functions, such as regulating a protein’s activity, localization, or interaction partners. The role of ubiquitin in autophagy has already been shown. However, given the reversibility and fine-tuning of the ubiquitin signal, many expected regulators remain unidentified. This work aimed to identify novel deubiquitinating enzymes that regulate autophagy. We identified ubiquitin-specific protease 11 (USP11) as a novel, negative regulator of autophagy. Loss of USP11 leads to an increase in autophagic flux, whereas overexpression of USP11 attenuates it. Moreover, this observation was reproducible in model organism Caenorhabditis elegans, emphasizing the importance of USP11 in autophagy regulation. To identify the mechanism of USP11-dependent autophagy regulation, we performed a USP11 interactome screen after 4 hour Torin1 treatment and identified a plethora of autophagy-related proteins. Following the most prominent hits, we have investigated versatile ways in which USP11 regulates autophagy. USP11 interacts with the PI3KC3 complex, the role of which is phosphorylating lipids of the ER, thereby initiating the formation of the autophagosomal membrane. Phosphorylated lipids serve as a recruitment signal for downstream effector proteins necessary for the membrane expansion. The core components of the complex are VPS34, the lipid kinase, ATG14, the protein responsible for targeting the complex to the ER, VPS15, a pseudokinase with a scaffolding role, Beclin1, a regulatory subunit, and NRBF2, the dimer-inducing subunit. We have found USP11 interacts with the complex and, based on its activity, USP11 influences post-translational status of all the aforementioned subunits, except for ATG14. Moreover, we have found that loss of USP11 leads to an increase in NRBF2 levels, whereas it does not change the levels of the other proteins. Given that the dimerization of the complex leads to an increase in complex activity, we investigated if the complex is more tightly formed in the absence of USP11, and if it is more active. We have found both to be the case. Although the exact mechanism of USP11-dependent PI3KC3 complex regulation remains to be identified, we found that loss of USP11 stimulates the complex formation and activity, likely contributing to the general effect of USP11 on autophagy flux. Additionally, we found that USP11 modulates levels of mTOR, the most upstream kinase in autophagy initiation steps and general multifaceted metabolism regulator. Loss of USP11 led to downregulation of mTOR levels, suggesting USP11 may rescue mTOR from proteasome-mediated degradation. Furthermore, we found mTOR to be differentially modified depending on the activity of USP11. However, it remains to be shown if USP11-dependent mTOR regulation contributes to the observed autophagy phenotype. Taken together, USP11 is a novel, versatile, negative regulator of autophagy, and an important addition to our knowledge on the regulation of autophagy by the ubiquitin system.
In vitro release testing as an alternative to establishing bioequivalence of drug products in vivo
(2020)
Generische Arzneimittel werden als Arzneimittel definiert, die im Vergleich zu einem Referenzarzneimittel hinsichtlich der meisten pharmazeutischen Aspekte identisch sind.
Um die therapeutische Äquivalenz zum Referenzprodukt sicherzustellen, sind Bioverfügbarkeitsstudien erforderlich. Für Arzneimittel, die als feste, perorale, schnell freisetzende Darreichungsformen formuliert sind, kann auf den Nachweis der Bioäquivalenz in vivo zugunsten eines vergleichenden Freisetzungstests in vitro im Rahmen eines sogenannten Biopharmaceutics Classification System (BCS) basierten Biowaivers verzichtet werden.
Der BCS-basierte Biowaiver ist ein vielversprechendes Instrument, welches Kosteneinsparungen sowie eine Verringerung des regulatorischen Aufwands im Zuge der behördlichen Zulassung von Generika ermöglicht und dazu beitragen kann, die Zugänglichkeit unentbehrlicher Arzneimittel zu verbessern. Dabei gibt es jedoch auch Hürden, welche die weitläufige Anwendung des Verfahrens verhindern: Unklare Löslichkeits- und Permeabilitätsklassifizierungen von Wirkstoffen, Arzneimittel, welche die in vitro Freisetzungskriterien nicht erfüllen, sowie Zweifel an der Eignung der regulatorischen Spezifikationen, Freisetzungsunterschiede in vitro erfassen zu können, die für das Verhalten in vivo relevant sind.
In der vorliegenden Dissertation werden diese Probleme thematisiert, indem eine umfassende Bewertung der Anwendbarkeit und Einschränkungen des BCS-basierten Biowaivers in seinem aktuell regulatorisch vorgeschriebenen Ablauf vorgenommen wird. Mögliche Anpassungen des Verfahrens wurden auf der Grundlage experimenteller in vitro Daten untersucht, bewertet und mithilfe von in silico Simulationsmodellen auf die Situation in vivo extrapoliert.
Ziel dieser klinischen Studie war es, die Ergebnisse der operativen Behandlung eines idiopathischen Makulaforamens durch Vitrektomie, ggf. in Kombination mit einer Phakoemulsifikation, ILM-Peeling und einer Tamponade entweder mit Luft oder mit 20%-igem SF6-Gas zu vergleichen. Primärer Endpunkt war die Verschlussrate nach einer Vitrektomie und die Reoperationsrate bei primär nicht geschlossenen Makulaforamina. Sekundärer Endpunkt war die Visusentwicklung in der ersten postoperativen Woche und nach 3 Monaten.
In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu retrospektiv 117 Augen von 117 konsekutiven Patienten analysiert. Es wurden die Ergebnisse von 2 Patientengruppen verglichen. In der ersten Gruppe wurden 66 Augen (m=27, w=39, Altersmedian 70 Jahre), bei denen am Ende der Vitrektomie eine Tamponade mit Luft erfolgte, untersucht. In der zweiten Gruppe wurden die Ergebnisse von 51 Augen (m=20, w=31, Altersmedian 71 Jahre), bei denen 20%-SF6-Gas als Tamponade verwendet wurde, ausgewertet. Bei etwa 70 % der Augen beider Gruppen erfolgte eine simultane Phakoemulsifikation. Der Verschluss des Makulaforamens wurde bereits in den ersten postoperativen Tagen mit einem modifizierten Fourier Domain-OCT untersucht. Sobald der Verschluss des Makulaforamens im OCT gesichert werden konnte, wurde die postoperative „Gesicht nach unten“-Lagerung („Bauchlage“) beendet. Die mediane Lagerungszeit betrug 1 Tag (Spanne 1-6 Tage). Der Zeitraum der Nachbeobachtung betrug 3 Monate (Median).
Die Verschlussrate nach einer Vitrektomie aller Makulaforamina betrug 87,2% (102/117 Augen). Die primäre Verschlussrate der Luft-Gruppe und der SF6-Gas-Gruppe betrug 83,3% (55/66 Augen) bzw. 92,2% (47/51 Augen). Bei Augen mit einem persistierenden Foramen erfolgte eine frühe Reoperation. Die Verschlussrate nach 3 Monaten lag insgesamt bei 99,1% (116/117 Augen), in der Luft-Gruppe bei 98,5% (65/66 Augen) und in der SF6-Gas-Gruppe bei 100% (51/51 Augen). Es zeigte sich kein statistisch signifikanter Unterschied der Verschlussrate bzw. der anatomischen Ergebnisse zwischen den beiden Endotamponade-Gruppen.
Es konnte jedoch ein statistisch signifikanter Unterschied des Fernvisus bei der Entlassung zwischen beiden Endotamponadegruppen nachgewiesen werden. Der logMAR-Visus bei Entlassung lag in der Luft-Gruppe mit 1,3 (Median) deutlich unter dem Visus der SF6-Gas-Gruppe mit 1,9 (Median). Die Anwendung von Luft führte somit im Vergleich zu SF6 zu einem schnelleren postoperativen Visusanstieg. In beiden Gruppen zeigte sich nach 3 Monaten eine signifikante Visusbesserung. Es ließ sich kein signifikanter Unterschied des Fernvisus zwischen den beiden Gruppen mehr nachweisen.
Die Makulaforamenchirurgie mit pars plana Vitrektomie und Peeling der ILM erzielte sowohl mit einer Luft- als auch mit einer 20%-SF6-Gas-Tamponade guten anatomischen und funktionellen Ergebnissen. Mit einer kurz wirksamen Endotamponade erscheint eine postoperative Lagerung essenziell, dürfte aber in den meisten Fällen nur wenige Tage erforderlich sein, um den Verschluss eines durchgreifenden Makulaforamens zu erreichen. Die Reoperations-Rate nach einer Lufttamponade war bei sehr großen Foramina (> 600 µm) signifikant höher als bei Foramina mit einem Durchmesser kleiner 600 µm. Daher scheint die Anwendung von Gasen, die länger als Luft wirken, nur bei sehr großen Foramina erforderlich zu sein. Vorteil einer kurz wirkenden Lufttamponade ist die postoperativ um einige Tage schneller einsetzende visuelle Rehabilitation, so dass die Patienten früher in ihren Alltag zurückkehren können. Eine frühe postoperative Untersuchung der Makula unter Einsatz der optischen Kohärenztomographie ist Voraussetzung für eine individualisierte Steuerung der Lagerung und für eine möglichst frühe Erkennung und Reoperation von nicht geschlossenen Makulalöchern.
Throughout their life cells of eukaryotic organisms can be confronted with a variety of proteotoxic stresses and in order to survive, corresponding resistance mechanisms had to evolve. Proteotoxic stresses can cause misfolding of proteins and accumulation of toxic protein aggregates. Failure to remove aggregates of misfolded proteins compromises cellular function and can ultimately cause cell death and disease. To deal with this challenge, cells utilize a complex network of protein quality control pathways, including chaperones, the ubiquitin-proteasome system and the autophagy system.
Another mechanism to cope with proteotoxic stresses is the stalling of translation initiation in order to save valuable resources and prevent faulty translation. Upon stress, intrinsically disordered RNA-binding proteins such as TIA-1 or G3BP1/2 are recruited to stalled preinitiation complexes and a network of multivalent interactions between RNAs and proteins is formed. These mRNP networks can merge with each other and phase separate into membraneless liquid-like structures called stress granules (SGs). Once stress is released, SGs are quickly resolved and translation continues. Yet, chronic stress or mutations of SG-associated proteins can cause persistent SGs, which can sequester misfolded proteins and have been linked to neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis or frontotemporal dementia.
In mammalian cells, three isoforms of the small ubiquitin-related modifier (SUMO), SUMO1, SUMO2 and SUMO3 are covalently attached to lysine residues of target proteins. SUMO conjugation is catalyzed via an enzymatic cascade of an heteromeric E1 activating enzyme, the E2 conjugating enzyme Ubc9 and in some cases one of a limited number of E3 SUMO ligases. SUMOylation is a dynamic modification and can be reversed by SUMO isopeptidases, the best characterized of which belong to the SENP family. Cellular stresses such as heat or oxidative stress strongly induce SUMOylation resulting in increased numbers of poly-SUMOylation (formation of SUMO2/3 chains) on nuclear proteins.
The SUMO-targeted ubiquitin ligase (STUbL) RNF4 harbors four SUMO interaction motifs in its N-terminal domain. This feature allows RNF4 to specifically bind poly-SUMOylated proteins and catalyze their proteolytic or non-proteolytic ubiquitylation.
A variety of substrate proteins have been shown to undergo SUMO-primed ubiquitylation by RNF4 in response to stress or DNA damage. RNF4-mediated ubiquitylation is often a signal for proteolytic degradation of these substrates.
In this work we aimed by identify novel RNF4 targets, in heat-stressed cells in order to gain a wider understanding of the nuclear proteotoxic stress response. Analysis by mass spectrometry revealed that a large fraction of RNF4-interacting proteins in heatstressed cells are nuclear RNA-binding proteins, many of which shuttle outside the nucleus and associate with SGs upon stress. We validated, that nuclear RNA-binding proteins, such as TDP-43 and hnRNP M are indeed heat-induced targets of SUMOprimed ubiquitylation by RNF4.
These initial results led us to further investigate the links between the SUMO/RNF4-mediated, nuclear protein quality control and the dynamics of cytosolic heat- or arsenite-induced SGs. SUMO2/3 and RNF4 are mainly nuclear proteins and we confirmed that they do not associate with SGs. Yet, we could demonstrate that depletion of SUMO2/3, the E3 SUMO ligase PML or RNF4 as well as chemical inhibition of SUMOylation strongly delayed SG clearance upon stress release, indicating that a functional STUbL pathway is essential for the timely clearance of SGs.
Next, we investigated how stress-induced poly-SUMOylation is regulated. Our data shows that SENP levels and activities are reduced in response to heat and arsenite stress, which allows the buildup of poly-SUMO chains on nuclear proteins. Limitation of poly-SUMOylation by overexpression of the SUMO chain-specific isopeptidases SENP6 and SENP7 induced SG formation. In contrast, poly-SUMO-priming by chemical depletion of SENP6 with the drug hinokiflavone drastically limited SG formation upon stress treatment. These results indicate a clear role of chain-specific SENPs in the regulation of stress-induced poly-SUMOylation and SG dynamics.
Last, we investigated whether the STUbL pathway could affect the phase separation of FUSP525 (an ALS-linked mutant of the SG-associated protein FUS) and observed that perturbations of the STUbL pathway lead to an increased phase separation of FUSP525L.
Thus, our work connects the SUMO/RNF4 protein quality control mechanism to the dynamics of SGs supporting the hypothesis that release of proteotoxic stress in the nucleus facilitates the clearance of cytosolic SGs. Thereby, we discovered a previously unknown link between the nuclear and cytosolic axis of proteotoxic stress response.
In the past decade, tissue-resident innate lymphoid cells (ILC) have become a central field of immunological research. ILC are a family of innate immune cells comprising cytotoxic Natural Killer (NK) cells and the non-cytotoxic helper like ILC1, ILC2 and ILC3. They mirror the functions and phenotypes of T cells, but do not require rearranged antigen-specific receptors for their rapid response to signals from injured or infected tissue. As potent cytokine producers being enriched in mucosal tissue, ILC play an essential role in tissue maintenance and regulating immunity to chronic inflammation and infection (Vivier et al., 2018). Although heterogeneity and plasticity of ILC complicates their classification, the pathophysiology of a broad variety of autoimmune and chronic inflammatory diseases have been associated with dysregulations in ILC subset distribution and functions (Dzopalic et al., 2019). This highlights their importance in human health and disease and accounts for the need for markers unambiguously describing the different ILC subtypes. This work introduces NKp65, a C-type lectin-like receptor (CTLR) encoded in the natural killer gene complex by the KLRF2 gene, as an exclusive marker for human ILC3. NKp65 expression especially discerns ILC3-like NK cell precursor from mature NK cells which express the NKp65-relative NKp80. Moreover, flow cytometric analysis of NKp65 expression aids in the demarcation of natural cytotoxicity receptor (NCR) expressing ILC3, from the closely related but functionally distinct RORt+ LTi cells and NCR- ILC3. This work further provides insights into NK cell development by in vitro differentiation studies in which NKp65 expressing cells are generated in presence of OP9 feeder cells and cytokines to support development. In such cultures, NKp65 expressing in vitro ILC (ivILC) acquire NKp80 expression in a Notch-dependent manner indicating their differentiation into mature NK cells. Acquisition of NK cell phenotypic markers is accompanied by NKp65 downregulation which leads to the mutually exclusive expression of NKp80 on NK cells and NKp65 on ILC3-like cells. Further insights are provided into the functional consequences of NKp65 engagement by its cognate high affinity ligand ‘keratinocyte-associated C-type lectin’ (KACL) which is selectively expressed on human keratinocytes (Bauer et al., 2015; Spreu et al., 2010). Expressed on ivILC, NKp65 mediates killing of KACL expressing target cells, suggesting that NKp65-KACL interaction promotes cellular cytotoxicity. In this context, the observed metalloproteinase dependent shedding of NKp65 might play a role in the termination of the cellular interaction. The findings on the regulation of NKp65 expression demonstrate the presence of a functional STAT5 response element in the KLRF2 promoter endowing a transcriptional control of NKp65 expression by IL-7 signaling. This provides an interesting link between the dependency of ILC3 on IL-7 signaling for their maintenance and the specific expression of NKp65 on these cells.
In summary, this study provides new insights into the physiologic expression of the CTLR NKp65 on human ILC3. The dependency of NKp65 surface expression on sustained STAT5 signaling provided by IL-7 underlines the connection of NKp65 expression and an ILC3 phenotype which might contribute to promote future research in discerning the interspersed pathways of ILC3 and NK cell development. The tissue and cell specific expression of NKp65 on ILC3 and its ligand KACL on keratinocytes of the human skin further suggests an important role of this genetically coupled receptor-ligand pair in tissue specific immunosurveillance.
Die Frage der Frauenrechte in Afghanistan diente nach dem Sturz des Taliban-Regimes als Legitimation für das militärische und entwicklungspolitische Engagement der internationalen Gemeinschaft. Jedoch existieren bis heute nur wenige empirische Arbeiten, die Aufschluss über Lebenslagen afghanischer Frauen geben und Interventionen lokaler Akteur*innen untersuchen, die diese adressieren. Die vorliegende Dissertation, die in der feministischen Ethnologie und in der Ethnologie der Menschenrechte verortet ist, trägt dazu bei, diese Forschungslücken zu schließen.
Die Daten wurden in mehrmonatigen teilnehmenden Beobachtungen in zwei afghanischen Frauenrechts-NGOs und einem Frauenrechtsnetzwerk erhoben, ergänzt von 38 Interviews. Vier Interventionsformen gegen Gewalt an Frauen werden analysiert: Neben Frauenselbsthilfegruppen und Frauenhäusern sind dies Interaktionen mit religiösen und anderen Machtakteuren. Nach Merry (2006) werden die Interventionen als Aushandlungs- und Übersetzungsprozesse divergierender Vorstellungen über Geschlechternormen und soziale Praktiken innerhalb des afghanischen Normenpluralismus konzeptualisiert.
Die Studie liefert Ergebnisse auf mehreren Ebenen. Erstens werden sowohl spezifische Bedingungen für die Wirksamkeit der untersuchten Interventionsformen herausgearbeitet als auch ihre jeweiligen Begrenzungen, welche in den vorherrschenden Machtdynamiken begründet sind. Deutlich wird zweitens der Nutzen der universalen Menschenrechte als Bezugs- und Legitimationsrahmen für die Aktivist*innen, wobei sich gleichermaßen zeigt, wo sich der Bezug auf Menschenrechte als problematisch erweist. Um Rückschlüsse für zukünftige Interventionen von Frauenrechts-NGOs auch über den afghanischen Kontext hinaus ziehen zu können, wird drittens eine Erweiterung des Theorie-Praxis-Modells nach Merry (2006) vorgeschlagen, welche die Kontextualisierung in Machtverhältnisse miteinbezieht, sowie Begrenzungen als Indikatoren für Aushandlungsspielräume postuliert.
Hintergrund: Die Einnahme vieler Antidepressiva und Antipsychotika in der frühen Schwangerschaft kann nach aktuellem Forschungsstand als sicher bezüglich des Risikos für Fehlbildungen erachtet werden. Daten hinsichtlich der Sicherheit einer Psychopharmakotherapie während der Stillperiode sind hingegen rar. Die meisten Betroffenen würden einerseits gerne ihre Kinder stillen, andererseits wollen sie aber auch sicher sein, dass sie ihrem Nachwuchs dadurch nicht schaden.
Ziele: Unser Ziel war es herauszufinden ob eine Korrelation zwischen der Tagesdosis der Psychopharmaka und der Medikamentenkonzentration im Serum sowie in der Muttermilch (MM) besteht. Weiterhin untersuchten wir, ob es eine allgemeingültige Regeln gibt, wie sich Muttermilchmedikamentenkonzentrationen im Tagesverlauf verhalten. Außerdem wollten wir herausfinden ob die Medikamentenexposition in der Schwangerschaft und/oder Stillperiode einen Einfluss auf die Entwicklung des Kindes in den ersten zwölf Lebensmonaten hat.
Methoden: Wir untersuchten therapeutische Medikamentenspiegel parallel in Serum und MM zu verschiedenen Zeitpunkten um herauszufinden wann die höchsten/niedrigsten Konzentrationen ermittelt werden konnten. Neben dem Talspiegel, nach 12 h oder 24 h (T1), sammelten wir Proben 4 h (T5) und 8 h (T6) nach der Medikamenteneinnahme sowie direkt nach der Medikamenteneinnahme (T2), 1 h nach T2 (T3) und direkt beim nächsten Stillen (T4). Die Messungen wurden im TDM Labor im Zentrum für psychsiche Gesundheit, Universitätsklinikum Würzburg mittels isokratischer reversed-phase high performance liquid Chromatographie durchgeführt. Wir rekrutierten 25 Patientinnen, die in der ambulanten Spezialsprechstunde für psychiatrische Erkrankungen in Schwangerschaft und Stillzeit behandelt wurden. 68% der Patientinnen nahmen in der Schwangerschaft schon ein Psychopharmakon ein. Die Patientinnen litten an unipolaren Depressionen (n = 15), bipolaren Störungen (n = 2), schizoaffektiven Störungen (n = 2) sowie Angst- (n = 4) und Zwangsstörungen (n = 2). Das Spektrum von Antidepressiva und Antipsychotika erstreckte sich von Amitriptylin/Nortriptylin, Clomipramin/N-Desmethyl-Clomipramin, Mirtazapin, Escitalopram, Citalopram, Sertralin, Venlafaxin/ O-Desmethyl-Venlafaxin bis hin zu Lamotrigin und Quetiapin. Weiterhin erfassten wir ob es postnatale Auffälligkeiten sowie im Verlauf Entwicklungsauffälligkeiten bei den exponierten Kinder gab (Daten aus den routinemäßigen U-Untersuchungen der ersten 12 Lebensmonate). Um mehr Daten zur Kindesentwicklung zu sammeln, interviewten wir in einem retrospektiven Unterprojekt 14 weitere Patientinnen, die in der Vergangenheit von der Thematik betroffen waren.
Ergebnisse: Die parallel bestimmten Talspiegel in Serum und MM korrelierten nicht signifikant bei der Analyse aller Medikamente zusammen oder bei der Analyse der einzelnen Medikamente (Spearman Rho Korrelation, p > 0,05). Die Talspiegel im Serum korrelierten weder signifikant mit den Muttermilchkonzentration nach 4 h (T5), noch mit denen nach 8 h (T6) (Spearman Rho Korrelation, p = 0,46; p = 0,08). Die Tagesdosis korrelierte signifikant mit dem Talspiegel im Serum (p = 0,001), jedoch nicht mit den gleichzeitig bestimmten Muttermilchkonzentrationen (p = 0,88). Die Konzentrationen von Venlafaxin in der MM fielen relativ hoch aus. Es zeigte sich eine große interindividuelle Variation der Konzentrationen der unterschiedlichen Medikamente zu verschiedenen Zeitpunkten. Clomipramin und Quetiapin konnten gar nicht oder nur in sehr niedrigen Konzentrationen in der MM gemessen werden (n = 2, n = 4) wie auch Sertralin (ohne Ausreißer-Werte) und Escitalopram. Auch konnte Quetiapin nicht im Serum eines gestillten Kindes nachgewiesen werden, bei dem wir Blutproben gewinnen konnten (n = 1). Keines der gestillten Kinder zeigte negative Auswirkungen aufgrund der Medikation. Die höchste „concentration-bydose-ratio“ (C/D) in der MM wurden für Venlafaxin (n = 4, C/D MM = 5,11) und Lamotrigin (n = 1, C/D MM = 10,0) errechnet, während Clomipramin (n = 2, C/D MM = 0,0), Quetiapin (n = 4, C/D MM = 0,02) und Sertralin (n = 3, C/D MM = 0,03) die niedrigsten Quotienten zeigten. Wir kalkulierten die höchste „milk-to-plasma-ratio“ (M/P) für Mirtazapin (n = 3, M/P = 3,92) und Venlafaxin (n = 2, M/P = 2,4) sowie die niedrigsten für Clomipramin (n = 2, M/P = 0), Quetiapin (n = 3, M/P = 0,03) und Sertralin (n = 3, M/P = 0,08), was für ein niedriges Eindringungsvermögen vom Serum in die MM spricht.
Den photoaktivierbaren Schutzgruppen PPGs wurde als wichtige Werkzeuge, um z. B. biologische Prozesse zu untersuchen, in den letzten Jahren eine beachtliche Aufmerksamkeit zuteil. Der Einsatz von PPGs weist gegenüber chemischen Schutzgruppen wertvolle Vorteile auf, was deren Einsatz für biologische Konzepte attraktiv macht. Insbesondere, da keine weiteren Reagenzien außer Licht als Mittel für die Photolyse benötigt werden. Darüber hinaus ist es möglich, durch Einsatz moderner Lasertechnik, eine homogene Bestrahlung des Reaktionsvolumens mit einer hohen Lichtdosis auf einer, im Vergleich zu klassischen Lichtquellen, kürzeren Zeitskala zu gewährleisten.
Die Diversität der einsetzbaren photosensitiven Schutzgruppen, kommt einerseits der Vielfalt der anwachsenden biochemischen Fragestellungen insofern zugute, als dass die ausgewählten PPGs auf verschiedenste Anforderungen der zu untersuchenden Systeme zugeschnitten werden können. Anderseits kann die, durch einige Problemstellungen, erforderte chromatische Orthogonalität der eingesetzten Schutzgruppen, gewährleistet
werden, deren Umsetzung sich in den letzten Jahren in zahlreichen Studien als erfolgsversprechend erwies. Beide Aspekte sind unter anderem Gegenstand der vorliegenden Arbeit.
Zum einen sollte das Photocaged Puromycin als photolabiles Antibiotikum Derivat, mithilfe der Cumarinylmethyl-Schutzgruppe (DEACM-Puromycin) optimiert werden und mit dem vorherigen Nitrobenzyl-geschützten NVOC-Puromycin mittels spektroskopischer und biochemischer Methoden verglichen werden. Zum anderen sollte eine neue Strategie etabliert werden, mit deren Hilfe das photolytisch entschützte Puromycin erneut deaktiviert werden kann.
DEACM-Puromycin konnte mithilfe eines fünfstufigen Syntheseweges hergestellt werden. Ausgehend von 7-Amino-4-methylcumarin, dessen allylische Methylgruppe durch die Riley-Reaktion mit Selendioxid Se2O zum entsprechenden DEACM-Aldehyd oxidiert wurde und anschließende Reduzierung in Anwesenheit von NaBH4 zum Cumarinalkohol DEACM-OH. Eine nicht toxische Variante, bei welcher Selendioxid umgangen wurde, zeichnete sich ebenso als zielführend aus. DEACM-OH und Puromycin konnten im Anschluss über ein Carbonat-Intermediat miteinander als Carbamat verknüpft und mithilfe von HPLC aufgetrennt werden.
Die Vorrangigkeit des neuen photolabilen Puromycin Derivates (DEACM-Puromycin), wurde zuerst mithilfe der Laser-NMR-Spektroskopie sowie HPLC Verfahren erfasst. Spektroskopische Analysen im Rahmen einer Kollaboration mit dem AK von Professor Wachtveitl bestätigten, dass DEACM-Puromycin für biologische Anwendungen geeignetere photolytische Eigenschaften, wie z. B. einen höheren Extinktionskoeffizienten, eine bathochrome Verschiebung des Absorptionsmaximums, sowie eine höhere Quantenausbeute und Uncaging Effizienz der Photolyse, aufwies. Basierend auf einer vergleichbaren HOMO-LUMO Differenz beider Verbindungen (DEACM-OH und DEACM-Puromycin), konnte die Spaltung der Schutzgruppe mithilfe der Differenz der Fluoreszenzslebensdauern mit einer Rate von 0,71*108 s-1 charakterisiert werden. Dies war im Vergleich zum vorherigen NVOC-Puromycin um eine Größenordnung höher. Weitere durchgeführte spektroskopische Methoden wurden mittels quantenchemischer Rechnungen unterstützt, um wichtige Erkenntnisse der kinetischen und dynamischen Abläufe der Photolyse des geschützten Puromycins anzueignen, z. B.:
• Der zur Photolyse von DEACM-Puromycin konkurrierende Fluoreszenzprozess, kann durch protische Medien unterdrückt werden. Dies und die somit ermöglichten Wasserstoffbrückenbindungen, welche die entstehenden ionischen Intermediate während der Photolyse stabilisieren, könnten sich für die Erhöhung der Quantenausbeute der photolytischen Abspaltung von DEACM-Puromycin zu Nutze gemacht werden.
• Anhand von Experimenten auf der ultrakurzen Zeitskala wurde die Population eines angeregten S1-ICT-Zustandes detektiert. Bei diesem findet, in Anwesenheit von polarem Lösungsmittel, einen Ladungstransfer der Diethylaminoreste auf den Cumarinring statt.
• Polare Lösungsmittel bewirken ebenfalls den Übergang zu einem TICT Zustand, welcher als nichtstrahlende Relaxation die Fluoreszenz des DEACM-Puromycins reduziert. Die Auswahl von Substituenten sowie polaren und protischen Lösungsmitteln zur Begünstigung der ICT- sowie TICT- Zustände, könnte zukünftig zur Optimierung der Photolyse Effizienz herangezogen werden.
Die gelungene Optimierung des geschützten Puromycins als ein photosensitives Antibiotikum, durch die DEACM-Schutzgruppe, konnte mittels eines XTT-Zellviabilität-Experimentes mit sf9-Insektenzellen nachgewiesen werden. Zusätzlich konnte die lichtkontrollierte Puromycylierung zur Visualisierung neu synthetisierter Proteine als weitere Funktion des optimierten photoaktivierbaren Puromycins in Zusammenarbeit mit dem AK. Schumann (MPI für
Hirnforschung, Frankfurt am Main) nachgeprüft werden. Obwohl beide photocaged Verbindungen, DEACM- sowie das vorherige NVOC-Puromycin, eine vergleichbare Zellpermeabilität zu den präparierten Neurozellen aufwiesen, zeigte DEACM-Puromycin unter gleichen Bedingungen nach der Belichtung ein signifikant intensiveres Puromycylierungsignal als NVOC-Puromycin. Unter der Annahme, dass sich mehr NVOC- als DEACM-Puromycin in
den Zellen befand, bestätigt diese Beobachtung die Vorrangigkeit des DEACM-Derivates, aufgrund seiner bereits optimierten photochemischen Eigenschaften. Durch den Einsatz eines Zwei-Photonen-Lasers, konnte die Eignung von DEACM-Puromycin für die raumselektive Steuerung der Detektion von neu exprimierten Proteinen, mit größerer Auflösung auf subzellularem Level, nachgewiesen werden.
...
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Erzeugung und Charakterisierung verschiedenartiger piezoresistiver Dünnschichten für die Druck- und Dehnungssensorik bei hohen Temperaturen, die mittels Sputterdeposition abgeschieden werden:
- metallische Schichten aus Chrom mit Verunreinigungen aus Sauerstoff, Stickstoff oder Platin,
- granulare Keramik-Metall-Schichten (Cermets), mit Platin oder Nickel als Metallkomponente und Aluminiumoxid (Al2O3) oder Bornitrid (BN) als Keramikkomponente.
Beide Schichttypen können mit geeigneten Beschichtungsparametern erhebliche piezoresistive Effekte aufweisen, also einen Widerstands-Dehnungs-Effekt, der den von typischen Metallschichten um ein Mehrfaches übersteigt. Der Effekt wird quantifiziert durch den k-Faktor, der die relative Änderung des Widerstands R auf die relative Änderung der Länge l, d.h. die Dehnung ε=Δl/l, bezieht: k=ΔR/(R ε).
In Beschichtungsreihen werden die Schichtzusammensetzung und die Depositionsbedingungen variiert und die Auswirkungen auf den elektrischen Widerstand, dessen Temperaturkoeffizienten (TKR), sowie den k-Faktor untersucht. Die k-Faktoren der chrombasierten Schichten liegen bei 10 bis 20 mit um null einstellbarem TKR. Die Cermet-Schichten erreichen je nach Material k-Faktoren von 7 bis über 70 mit meist stark negativen TKR von mehreren -0,1 %/K.
Die Chrom- und Chrom-Stickstoff-Schichten erweisen sich als geeignete Sensorschichten für Membran-Drucksensoren. Daher wird eine Reihe von Sensoren mit Wheatstone-Messbrücken erzeugt und charakterisiert. Sie zeigen den hohen k-Faktoren entsprechende hohe Signalspannen. Die guten Sensoreigenschaften bleiben auch bei hohen Temperaturen bis 230 °C erhalten.
Nach den ersten Untersuchungen bei Dehnungen bis maximal 0,1 % wird zusätzlich das Verhalten der Schichten bei höheren Dehnungen bis 1,4 % untersucht. Es zeigt sich vorwiegend ein lineares Widerstands-Dehnungs-Verhalten. Die Leiterbahnen der spröden chrombasierten Schichten werden bei Dehnungen um 0,7 % jedoch durch Risse zerstört, die sich von den Rändern der Schicht her ausbreiten.
Die Platin-Aluminiumoxid-Schicht zeigt einen enorm großen, nichtlinearen Widerstands-Dehnungs-Effekt, der auf Risse zurückgeführt werden kann, die sich nach einigen Belastungszyklen reproduzierbar öffnen und schließen.
Tieftemperaturmessungen von 2 bis 300 K zeigen Widerstandsminima der Chrom-Stickstoff-Schichten; Magnetwiderstandsmessungen deuten jedoch nicht auf den Kondo-Effekt hin.
Die Cermet-Schichten zeigen thermisch aktivierte Leitfähigkeit.
Ausgewählte Schichten werden bei Temperaturen bis 420 °C (693 K) charakterisiert. Die chrombasierten Schichten haben bei hohen Temperaturen stabile Widerstände, zeigen jedoch stark nichtlineare Temperaturverläufe von Widerstand und k-Faktor. Oberhalb einer gewissen Temperatur verschwindet der piezoresistive Effekt, kehrt jedoch beim Abkühlen zurück. Die Verläufe lassen sich durch die Schichtzusammensetzung und auch durch Temperaturbehandlungen modifizieren.
Die Platin-Aluminiumoxid-Schicht ist ebenfalls temperaturstabil und zeigt geringe Änderungen des k-Faktors im Temperaturverlauf. Platin-Bornitrid zeigt große, reversible Widerstandsänderungen bei höheren Temperaturen, die auf mögliche Gaseinlagerungen hindeuten.
Aus den experimentellen Ergebnissen lassen sich die Ursachen der Piezoresistivität ableiten: Die chrombasierten Schichten bilden, wie in der Literatur vielfach beschrieben, unterhalb einer Ordnungstemperatur einen Spindichtewellen-Antiferromagnetismus aus. Dieser Zustand führt zu einem zusätzlichen Widerstandsbeitrag, der die beschriebenen Nichtlinearitäten der Widerstands-Temperatur-Verläufe verursacht und zudem empfindlich auf mechanische Dehnung reagiert und so zu erhöhten k-Faktoren führt.
Die Piezoresistivität der Cermet-Schichten resultiert aus der granularen Struktur, in der Ladungsträger zwischen Metallpartikeln tunneln. Mit exponentiell vom Partikelabstand abhängigen Widerständen der Tunnelübergänge resultieren hohe k-Faktoren. Mithilfe von Modellbetrachtungen, in denen Gleichungen für Tunnelwiderstände auf granulare Systeme angewendet werden, werden die experimentellen Ergebnisse diskutiert. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Eigenschaften der Keramik vorrangig auf den Betrag der k-Faktoren auswirken und die Eigenschaften des Metalls vor allem den TKR beeinflussen.
This PhD thesis is dedicated to the extension of the portfolio of nuclear magnetic resonance (NMR) methods to characterize ribonucleic acids (RNAs). Only within the last few decades it has been realized that the cellular role of RNA goes well beyond the central dogma of molecular biology. In fact, RNA takes part in numerous cellular processes, executes numerous functions and acts either as a single player or in larger complexes, mostly RNA-protein complexes (RNPs) such as the ribosome or the spliceosome. This versatility in RNA function is coupled to a structural variety and the ability to adopt multiple long-lived and intricate conformations. Due to this high molecular complexity special demands are placed on the methods that are required for RNA structural characterization. With the ability to capture dynamics at atomic resolution and to measure under close to native conditions, NMR spectroscopy is undoubtedly a prime method for this purpose.
A general introduction to the current state of research, selected achievements as well as challenges in the field of NMR spectroscopy on RNA is given in Chapter I. This thesis is further composed of three independent chapters covering the three separate projects, which form the main body of work within the course of this thesis.
The imino group found in two of the four RNA nucleobases is generally considered to be the most powerful reporter group in the process of the NMR spectroscopic characterization of RNA. Its resonance assignment provides key information for a rapid determination of the RNA’s secondary structure. This is possible, since the imino proton can only be detected, if it is protected from rapid solvent exchange through hydrogen bonding interactions or, in rare cases, steric shielding. Consequently, information on flexible regions of RNA that are not protected against solvent exchange cannot be derived using this NMR spy. It is a key finding of the thesis that nucleobase interactions can also be mapped through the amino groups, as they similarly take part in base pairing or RNA-ligand interactions. Notably, solvent exchange of the amino protons is always slower compared to the imino proton. Thus, 1H,15N resonances of the amino group can be detected even for dynamic regions of RNA. Moreover, focusing on characterizing amino groups of RNA nucleobases increases the number of available reporters as amino groups are present in three out of four RNA nucleobases.
However, there is a reason that up to work conducted in this thesis, amino groups have not been used for monitoring RNA nucleobases: the rate of the C-NH2 bond rotation is most often close to the chemical shift differences of the two non-identical amino proton resonances, in particular for guanosines and adenosines, amino resonances regularly remain elusive in NMR spectra. Therefore, we developed experiments that excite double quantum (DQ) coherences of the two amino group protons and that further utilize 13C-detection. Results on these experiments are discussed in Chapter II and show that the rotational exchange can be avoided by evolving double quantum instead of single quantum (SQ) coherence in the indirect dimension of a 13C-detected C(N)H-HDQC experiment. The new experiment enables the detection of a full set of sharp amino resonances. The advantages of this experiment are immediately apparent when comparing the number of observable imino resonances in a classic 1H,15N-HSQC spectrum with the number of amino resonances obtained in the 13C-detected C(N)H-HDQC spectrum of the same RNA.
Furthermore, based on the newly available resonance assignment of amino groups, we developed a 13C-detected “amino”-NOESY experiment to obtain precious additional structural restraints. The 13C-detected “amino”-NOESY experiment enables the observation of NOE contacts that are not accessible using other 1H-detected NOESY experiment. Among these new NOE contacts are valuable, inter-residual correlations, which are otherwise scarce in RNA due to the proton deficiency of its nucleobases. We showed that the newly obtained NOE contacts are especially important in the structure determination of RNAs with only few NOE restraints. Under such circumstances, the inclusion of the newly obtained amino NOE contacts lead to a significant improvement in the root-mean-square deviation (RMSD) of the three-dimensional structure of the 34 nts GTP class II aptamer. Together the novel 13C-detected NMR experiments developed within this PhD project provide a valuable alternative for the imino-based characterization of nucleobase interactions.
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Die Extrakorporale Membranoxygenierung (ECMO) ist ein extrakorporales Organersatzverfahren, welches heutzutage insbesondere als Lungenersatzverfahren oder als kreislaufunterstützendes Verfahren zum Einsatz kommt. Seit dem ersten Einsatz 1971 im Rahmen eines posttraumatischen „Acute Respiratory Distress Syndrom“ (ARDS) ist die Zahl der ECMO-Behandlungen im kardiopulmonalen Bereich massiv gestiegen. Dennoch wird der Nutzen der ECMO kontrovers diskutiert. Die aktuellste randomisiert kontrollierte Studie aus dem Jahre 2018 konnte keinen signifikanten Nachweis erbringen, dass die Therapie des ARDS mittels einer ECMO einen Überlebensvorteil bringt. Randomisiert kontrollierte Studien bei Patienten mit kardiogenem Schock liegen zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht vor und für den Einsatz bei septischem Schock ist die Datenlage und Evidenz schwach. Angesichts der ungeklärten Evidenz und weil die ECMO ein komplexes, kostenintensives und mit Risiken verbundenes Verfahren ist, scheint eine sorgfältige Indikationsstellung unverzichtbar zu sein. Das Ziel unserer Studie war daher die Analyse der Mortalität bei Patienten mit Lungenversagen, kardiogenem Schock und septischem Schock. Darüber hinaus sollten mit der Mortalität assoziierte prognostische Variablen identifiziert werden. Des Weiteren sollte untersucht werden, ob sich mit steigender Fallzahl eine Lernkurve beobachten lässt.
Zu diesem Zwecke führten wir eine retrospektive Kohortenstudie an 131 Patienten durch, die zwischen April 2011 und Juli 2016 in der Asklepios Klinik Langen mit einer ECMO behandelt wurden. Die Patienten wurden hierbei in die drei oben genannten Gruppen kategorisiert. Mithilfe logistischer Regression erfolgte die Identifizierung prognostischer Variablen. Eine Lernkurve wurde anhand des „non-risk-adjusted cumulative observed minus expected failure graph“-Verfahrens erstellt.
Die Analyse der Daten ergab eine Gesamtmortalität von 56%. Die Mortalität bei Patienten mit Lungenversagen, kardiogenem Schock und septischem Schock betrug 54%, 59% bzw. 58%. Bei Patienten mit Lungenversagen waren das Alter, das Jahr und weniger als 20 Fälle pro Jahr signifikant mit der Mortalität assoziiert. Bei Patienten mit kardiogenem Schock waren mit der Mortalität assoziierte Variablen das Alter, der SAPS II-Score, der pH-Wert, der Serumlaktatwert prä-ECMO, der Basenüberschuss prä-ECMO sowie eine Hyperlipidämie. Bei Patienten mit septischem Schock konnten keine mit der Mortalität assoziierten Variablen identifiziert werden. In der multivariaten Regressionsanalyse nach Modellabbau zeigten sich in der gesamten Kohorte das Alter, das prä-ECMO Serumlaktat sowie weniger als 20 Fälle pro Jahr als signifikant mit der Mortalität assoziierte Variablen. Patienten, die vor 2014 behandelt wurden, also in einem Zeitraum mit weniger als 20 ECMO-Fällen pro Jahr, hatten eine signifikant höhere Mortalität als Patienten die im Intervall 2014-2016 behandelt wurden. Mit steigender Fallzahl konnte eine Lernkurve nachgewiesen werden, die einen Wendepunkt im Jahr 2014 zeigte. Der im Jahr 2014 beginnende Abwärtstrend signalisierte eine geringere Sterblichkeitsrate als erwartet.
Zusammenfassend ist die Mortalität in allen Indikationen weiter hoch. Die Fallzahl und damit auch die Erfahrung scheint eine wichtige Rolle in Bezug auf die Mortalität zu spielen. Des Weiteren unterstützen unsere Ergebnisse frühere Studien, die einen Einfluss des Alters und des prä-ECMO Laktat-Wertes auf die Mortalität zeigen konnten.
Flat Panel CT Pooled Blood Volume-Mappen vor mechanischer Rekanalisation beim akuten Schlaganfall
(2020)
In der Akutdiagnostik des Schlaganfalles sind die Multislice Computertomographie (MSCT) sowie gegebenenfalls die Kernspintomographie die radiologischen Methoden der Wahl zunächst zur Differenzierung eines ischämischen oder hämorrhagischen Geschehens sowie im Falle einer Ischämie zur Darstellung des Gefäßverschlusses und der Perfusionssituation. Mit Hilfe von Flat Panel Detektoren (flat panel detector computed tomography (FDCT)) in Angiographie-Einheiten konnten zunächst Schnittbilder des Kopfes ähnlich denen einer konventionellen MSCT angefertigt werden, womit ein Blutungsausschluss möglich ist. Des Weiteren wurden sogenannte „Pooled Blood Volume“ (PBV)-Karten entwickelt, welche konzipiert wurden, um das Areal mit vermindertem zerebralem Blutvolumen (cerebral blood volume = CBV) und somit annäherungsweise den Infarktkern darzustellen.
Innerhalb der letzten 10 Jahre hat sich die mechanische Rekanalisation als Therapie des akuten Verschlusses proximaler zerebraler Arterien durchgesetzt. Häufig müssen Patienten für die Intervention aus peripheren Krankenhäusern in Schlaganfall-Zentren verlegt werden, sodass eine Aktualisierung der zerebralen Perfusionsparameter zur Darstellung der Progression der Ischämie und zur Prognose-Abschätzung erstrebenswert ist. Gäbe es die Möglichkeit einer solchen Bildgebung innerhalb der Angiographie- und Interventions-Einheit, so könnte wertvolle Zeit, welche sonst für den innerklinischen Transport, Umlagerung des Patienten etc. benötigt wird, eingespart werden. Auch bei schwer betroffenen Patienten, welche direkt in das jeweilige Schlaganfall-Zentrum eingeliefert werden, könnte somit die Zeit zwischen Ankunft in der Klinik bis zur Gefäß-Rekanalisation bedeutsam verkürzt werden.
In der vorliegenden Studie wurde die Zuverlässigkeit der PBV-Karten hinsichtlich der Abschätzung des späteren Infarktareales untersucht. Hierfür wurden bei 29 aufeinanderfolgenden Patienten mit akuten intrakraniellen Verschlüssen der Arteria carotis interna oder Arteria cerebri media das präinterventionelle Volumen der in den Quellbildern der PBV-Karten dargestellten Minderperfusion mit dem finalen Infarktvolumen, wie es sich in den postinterventionellen konventionellen MSCT-Kontrollen darstellte, verglichen. Außerdem wurde durch Bestimmung der Hounsfield-Einheiten die Stärke der Minderperfusion in dem Areal der PBV-Veränderung gemessen und mit der gesunden Gegenseite verglichen. Die mechanische Rekanalisation war bei 26 der Patienten erfolgreich.
Insgesamt war das mediane präinterventionelle PBV-Defizit 9-mal größer als das mediane finale Infarktvolumen (86,4 ml (10,3; 111,6) versus 9,6 ml (3,6; 36,8)). Dieses Ergebnis basierte insbesondere auf der Subgruppe der erfolgreich rekanalisierten Patienten (PBV Defizit: 87,5 ml (10,6; 115,1), finales Infarktvolumen: 8,7 ml (3,6; 29)). Im Falle einer frustranen Intervention wurde das finale Infarktvolumen eher unterschätzt (PBV Defizit: 86,4 ml (5,9; -), finales Infarktvolumen: 116,4 ml (3,5; -)). Es gab keinen signifikanten Unterschied zwischen der HU Ratio im Bereich des später infarzierten Gewebes (0,45 (0,29; 0,51)) und der umgebenden minderperfundierten „Penumbra“ (0,4 (0,33; 0,5)) (p=0,679). Die HU Ratio zeigte eine signifikante negative Korrelation mit dem Volumen der PBV-Läsion (r= -0,448, p= 0,008).
Zusammenfassend wurde aus den Ergebnissen dieser Studie geschlossen, dass die FDCT PBV-Karten nicht zuverlässig das finale Infarktvolumen prognostizieren und daher keinen Einfluss auf die akute Therapieentscheidung haben sollten. Ursächlich sind technische und methodische Limitationen sowie die Art des untersuchten Perfusionsparameters.
As fossil resources are diminishing, environmental concerns arise and chemical synthesis often involves expensive catalysts or extensive extraction procedures, the demand for production of industrially relevant compounds from renewable resources increases. In this context, engineering microorganisms for production of specialty chemicals, such as 3-alkylphenols, presents an attractive, environmental-friendly approach. 3-alkylphenols have various applications: due to their antiseptic and stabilizing properties many 3-alkylphenols, including 3-methylphenol (3-MP), are utilized as additives in disinfectant reagents and biological products, while they can be also implemented as platform chemicals for production of lubricating oil additives or flavors. Some 3-akylphenols have potential for transmission control of the disease sleeping sickness that is transmitted by tsetse flies in sub-saharan Africa, since 3-ethylphenol (3-EP) and 3-propylphenol (3-PP) and to a lesser degree 3-MP were found to attract tsetse flies and improved catch rates in impregnated tsetse fly traps. Microbial fermentation of 3-alkylphenols would provide a simple and inexpensive way for local communities in Africa to produce these compounds and prepare their own tsetse fly traps.
Some molds synthesize 3-MP as an intermediate during biosynthesis of the mycotoxin patulin. However, the heterologous host Saccharomyces cerevisiae has advantageous traits for industrial application, since it is well characterized, robust, simple to handle and easily genetically accessible. In this thesis, genetical engineering approaches were utilized to establish the yeast S. cerevisiae for biotechnological production of 3-alkylphenols. As a proof of concept, the iterative polyketide synthase from Penicillium patulum, 6-methylsalicylic acid synthase (MSAS), and 6-methylsalicylic acid (6-MSA) decarboxylase PatG from Aspergillus clavatus were heterologously expressed in S. cerevisiae resulting in the first reported de novo biosynthesis of 3-MP via 6-MSA in yeast from sugars (Hitschler & Boles, 2019). It was shown that codon-optimization and genomic integration of heterologous genes, high initial cell densities and a balanced expression of PatG were beneficial for heterologous production of up to 589 mg/L 3-MP in S. cerevisiae. However, toxicity of 3-MP limited higher product accumulation.
Different in vivo detoxification strategies were implemented to face this bottleneck. Growth tests revealed that 3-methylanisole (3-MA) is less toxic to the yeast cells than 3-MP. Expression of an orcinol-O-methyltransferase from chinese rose hybrids (OOMT2) was combined with in situ extraction converting the toxic 3-MP product into the volatile 3-MA and accumulating up to 211 mg/L 3-MA in the dodecane phase. Alternatively, up to 533 mg/L 3-MP glucoside were synthesized by expression of a UDP-glycosyltransferase (UGT72B27) from Vitis vinifera in the 3-MP producing strain, revealing saccharose as beneficial carbon source and ethanol growth phase as essential for high 3-MP production, although 3-MP conversions were not yet complete. Both detoxification strategies allowed circumvention of the toxicity imposed limited product accumulation. This was demonstrated when both detoxification strategies were combined with redirection of the carbon flux through deletion of phosphoglucose isomerase gene PGI1 and feeding a mixture of fructose and glucose leading to majorly improved product formation, with up to 899 mg/L 3-MA/3-MP and 873 mg/L 3-MP/3-MP glucoside, compared to less than 313 mg/L product titers in the wild type controls (Hitschler & Boles, 2020).
For provision of the tsetse fly attractants 3-EP from propionyl-CoA and 3-PP from butyryl-CoA, the substrate promiscuities of MSAS and PatG were exploited. However, slower formation rates with the alternative substrates propionyl-CoA and butyryl-CoA suggested that competing formation of 6-MSA from the preferred priming unit acetyl-CoA was dominating in vivo. Indeed, 3-EP or 3-PP formation was not observed in 3-MP producing yeast strains. Assuming that intracellular levels of propionyl-CoA and butyryl-CoA were limiting 3-EP and 3-PP formation, different strategies were implemented to raise the supply of these alternative priming units and successfully compete with acetyl-CoA for MSAS priming.
Supplementation of propionate increased propionyl-CoA levels by endogenous pathways sufficiently to enable 3-EP formation in yeast mediated by MSAS and PatG. Deletion of the 2-methylcitrate synthases CIT2 and CIT3 revealed that degradation of propionyl-CoA was not limiting 3-EP formation at this stage. In order to raise propionyl-CoA levels further, a heterologous propionyl-CoA synthase (PrpE) was expressed in the 3-MP producing yeast strain leading to up to 12.5 mg/L 3-EP with propionate feeding and blockage of degradation. Moreover, PrpE enabled also 3-EP formation without propionate supplementation suggesting that an endogenous supply of propionate existed that was reactivated by PrpE. As threonine or 2-ketobutyrate feeding increased 3-EP titers in combination with PrpE, this indicated that threonine degradation via 2-ketobutyrate was responsible for the endogenous propionate supply. Moreover, expression of branched-chain ketoacid dehydrogenase complex from Pseudomonas putida combined with PrpE provided propionyl-CoA from endogenous 2-ketobutyrate and raised 3-EP titers up to 5.9 mg/L compared to 2.8 mg/L with only PrpE indicating a potential route for optimization of 3-EP titers independent of propionate or threonine feeding.
For 3-PP production from butyryl-CoA, a heterologous ‘reverse ß-oxidation’ pathway was introduced in the 3-MP producing yeast strain providing sufficient butyryl-CoA for biosynthesis of up to 2 mg/L 3-PP. Degradation of the precursor via ß-oxidation was slightly limiting, since deletion of fatty acyl-CoA oxidase POX1 increased 3-PP titers slightly to 2.6 mg/L.
As the concentrations of 3-alkylphenols are close to the concentrations implemented in tsetse fly traps, the engineered yeast strains have the potential for simple and inexpensive on-site production of 3-alkylphenols as tsetse fly attractants by local rural communities in Africa. In spite of this success, 3-MP remained the main product in the developed yeast strains. Since 3-EP and 3-PP are more efficient tsetse fly attractants, a shift in substrate specificities of MSAS and PatG is desirable for a more favorable 3-EP/3-MP and 3-PP/3-MP product ratio regarding tsetse fly attraction. During rational engineering of MSAS, the MSASQ625A/I752V mutant showed a beneficial shift of product ratios with up to 11 mg/L 3-EP/63 mg/L 3-MP and 4.5 mg/L 3-PP/116 mg/L 3-MP, compared to a higher proportion of 3-MP with up to 343 mg/L, 11 mg/L 3-EP and 1.5 mg/L 3-PP in the wild type controls. Further engineering of MSAS and PatG might majorly improve production of 3-EP and 3-PP.
In summary, this thesis successfully established the yeast S. cerevisiae as cell factory for production of different 3-alkylphenols optimizing expression of the heterologous production pathway, elucidating means to detoxify products and establishing different approaches to increase intracellular levels of acyl-CoA precursors. The engineered yeast strains can be potentially implemented for simple and inexpensive fermentation of tsetse fly attractants in Africa.
Diese Arbeit behandelt die Rolle der Proteinkinasen IKKe und TBK1 in der Progression von humanen malignene Melanomen und die Rolle von alpha-Synuclein in der Schmerzwahrnehmung von Mäusen.
Für die vorliegende Arbeit wurden zur Analyse des Auger-Zerfalls kleiner Moleküle nach Photoionisation die aus der Zerfallsreaktion resultierenden Impuls- und Energiespektren von Photo- und Auger-Elektronen in Koinzidenz mit denen der ionischen Fragmente aufgenommen. Dies ermöglichte eine getrennte Betrachtung der während des Ionisationsschrittes und des Zerfallsschrittes dieses Prozesses besetzten Molekülzustände. Um weitere Einsicht in die Dynamik des Zerfalls zu erhalten, wurden vorhandene theoretische Modelle, welche insbesondere die Interaktion der durch die Reaktion produzierten geladenen Teilchen (Post Collision Interaction) einbeziehen, an die gemessenen Energiespektren angepasst. Dies ermöglichte die separate Betrachtung der im Ionisationsschritt besetzten Molekülzustände. So konnten die Emissionswinkelverteilungen der Photoelektronen im molekülfesten Koordinatensystem für jeden besetzten Anfangszustand einzeln betrachtet werden. Die Trennung der Endzustände des Zerfalls erfolgte über die Analyse des Spektrums der Ionen-Aufbruchsenergie (Kinetic Energy Release) und den Vergleich mit berechneten Potentialkurven der beitragenden Endzustände.
Durch die nach den Anfangszuständen separierte Betrachtung des Auger-Zerfalls wurde es auch möglich, die Auswirkungen dieser Zustände auf die Zerfallsdynamik zu analysieren. Dafür lieferte die Anpassung der Modellprofile die Lebensdauer des jeweiligen 1s-Lochzustandes in dem entsprechenden Zerfallskanal. Diese jeweiligen Lebensdauern eines jeden Zustandes wurden abhängig von verschiedenen Parametern mit einer Genauigkeit im Attosekunden-Bereich aus den Energiespektren der Photoelektronen ermittelt.
We study continuous dually epi-translation invariant valuations on certain cones of convex functions containing the space of finite-valued convex functions. Using the homogeneous decomposition of this space, we associate a certain distribution to any homogeneous valuation similar to the Goodey-Weil embedding for translation invariant valuations on convex bodies. The support of these distributions induces a corresponding notion of support for the underlying valuations, which imposes certain restrictions on these functionals, and we study the relation between the support of a valuation and its domain. This gives a partial answer to the question which dually epi-translation invariant valuations on finite-valued convex functions can be extended to larger cones of convex functions.
We also study topological properties of spaces of valuations with support contained in a fixed compact set. As an application of these results, we introduce the class of smooth valuations on convex functions and show that the subspace of smooth dually epi-translation invariant valuations is dense in the space of continuous dually epi-translation invariant valuation on finite-valued convex functions. These smooth valuations are given by integrating certain smooth differential forms over the graph of the differential of a convex function. We use this construction to give a characterization of a dense subspace of all continuous valuations on finite-valued convex functions that are rotation invariant as well as dually epi-translation invariant.
Using results from Alesker's theory of smooth valuations on convex bodies, we also show that any smooth valuation can be written as a convergent sum of mixed Hessian valuations. In particular, mixed Hessian valuations span a dense subspace, which is a version of McMullen’s conjecture for valuations on convex functions.
In the last two decades, new unpredicted charmonium-like states with extraordinary characteristics have been observed experimentally. These states also known as the XYZ states, e.g., the Y(4260) or the X(3872), are mostly interpreted as QCD allowed exotic hadrons. One of the leading hadron physics experiments in the world, the Beijing Electron Spectrometer III (BESIII) at the Beijing Electron-Positron Collider II (BEPCII) is aiming towards revealing the internal structure of these states. It has brought numerous breakthrough discoveries including the discovery of the charged Zc(3900). In order to understand the nature of the Y(4260) state and its decay patterns, an inclusive analysis is performed for different recoil systems (π+π−,K+K− and K±π∓) using the BESIII data samples for center of mass energies above 4 GeV collected between 2013 and 2019. The aim of this analysis is twofold: on one hand, we search for new unobserved charmonium-like decay channels using the missing mass technique and on the other hand, it provides an accurate inclusive cross section measurement for e+e−→X π+π−, with the X being the J/ψ, hc and ψ(2S), respectively. Two resonant structures, the Y(4220) and the Y(4390), are observed in the inclusive energy dependent Born cross section of e+e−→hc π+π−, which is consistent with the BESIII exclusive measurements. Moreover, the energy dependent cross section of e+e−→J/ψ π+π− is investigated, in which two resonances have consistently been observed with the previous BESIII exclusive studies, namely, the Y(4220) and the Y(4320). In the (K±π±) recoil system, possible Y(4260) open charm decay channels are investigated. Two enhancements are observed in the inclusive energy dependent cross section of e+e−→DD above 4.13GeV, which could possibly be the ψ(4160)and the ψ(4415).
Classical Hodgkin lymphoma (cHL) is one of the most common malignant lymphomas in Western Europe. The nodular sclerosing subtype of cHL (NS cHL) is characterised by a proliferation of fibroblasts in the tumour microenvironment, leading to fibrotic bands surrounding the lymphoma infiltrate. Several studies have described a crosstalk between the tumour cells of cHL, the Hodgkin- and Reed-Sternberg (HRS) cells, and cancerassociated fibroblasts (CAF). However, to date a deep molecular understanding of these fibroblasts is lacking. Aim of the present study therefore was a comprehensive
characterisation of these fibroblasts. Moreover, only a few studies describe the interplay of HRS cells and CAF. The paracrine communication and direct interaction of these two
cellular fractions have been investigated within this study. Finally, the influence of a few HRS cells within a lymph node orchestrate the mere alteration of its architecture and
morphology. Gene expression and methylation profiles of fibroblasts isolated from primary lymph node suspensions revealed persistent differences between fibroblasts obtained from NS cHL and lymphadenitis. NS cHL derived fibroblasts exhibit a myofibroblastic - inflammatory phenotype characterised by MYOCD, CNN1 and IL-6 expression. TIMP3, an inhibitor of matrix metalloproteinases, was strongly upregulated in NS cHL fibroblasts, likely contributing to the accumulation of collagen in sclerotic bands of NS cHL. Treatment by luteolin could reverse this fibroblast phenotype and decrease TIMP3 secretion. NS cHL fibroblasts showed enhanced proliferation when they were exposed to soluble factors released from HRS cells. For HRS cells, soluble
factors from fibroblasts were not sufficient to protect them from Brentuximab-Vedotin(BV) induced cell death. However, HRS cells adherent to fibroblasts were protected from BV-induced injury. The cHL specific interaction of both cell fractions reveals an initiation of inflammatory key regulators such as IL13 and IL4. Among important adhesion molecules known from literature the blocking of integrin beta 1 solely interrupted the adhesion of HRS cells to CAF. In summary, this study proves the stable reprograming of CAF phenotype and expression derived from NS cHL. It presents a suitable in vitro model for studying the interaction of HRS cells and CAF by paracrine factors and adherence. Most importantly the observations confirm the importance of fibroblasts for HRS cells´ inflammatory niche and cell survival associated with TIMP3 which probably acts as a major factor to the typical accumulation of fibrosis observed in NS cHL.
In der vorgelegten kumulativen Arbeit wurden strukturelle und funktionale Untersuchungen an Nukleinsäuren durchgeführt, hauptsächlich, aber nicht ausschließlich unter Verwendung von NMR-Spektroskopie (Kernspin Resonanzspektroskopie) als Analysemethode. Die untersuchten Biomoleküle umfassten kleinere und größere biologisch relevante RNAs sowie einen artifiziellen DNA G-Quadruplex. Hierbei konnten Ergebnisse im Bereich der Bestimmung der molekularen Struktur, der Aufklärung der biologischen Funktion und der Wirkstoffentwicklung gewonnen werden, die in sechs verschiedenen Publikationen dargelegt sind, an deren Erstellung der Autor maßgeblich oder hauptverantwortlich beteiligt war. Des Weiteren wird in einem mehrgliedrigen Einleitungssegment auf den Stand der aktuellen Forschung in den jeweiligen Teilgebieten eingegangen.
This manuscript-based thesis is divided into four chapters. Chapter one is an introduction to lichens and the Antarctic. It introduces the goal of the thesis and the problems related with lichen systematics and the lack of knowledge about Antarctic lichens. The Antarctic is one of the last wildernesses, isolated from the other continents by the Antarctic Circumpolar Current, the Subantarctic Front, the Antarctic Polar Front, and the Drake Passage. Terrestrial life in Antarctica is restricted to widely separated and small ice-free areas that cover only 0.3% of the continent. Colonization of the Antarctic is a challenge for many taxa and is related to their ability for long-range dispersal and their adaptation to the harsh climate. Antarctic terrestrial ecosystems are significantly threatened by climate change, invasive species, and their interactions. Glacial retreat caused by higher than average temperatures exposes new habitats that can be easily colonized from local biota, but non-native species can also be favored by the new climatic conditions. In addition, propagule movement mediated by humans can introduce new species or change the population structure of many taxa. The terrestrial biota is comprised almost exclusively by “lower organisms” (invertebrates, bryophytes, algae, lichenized fungi, and microorganisms). Lichens are the dominant component, and the most important primary producers. Lichens are symbiotic associations consisting of a fungus (mycobiont) and one or more photosynthetic (photobiont) partners. They can disperse sexually or vegetatively. There are several problems related to the symbiotic nature of lichens that do not facilitate easy identification; although molecular data offers additional evidence, species delimitation in lichens is still not straightforward. The true number of species is underestimated due to the presence of cryptic species and species pairs. Recommended universal fungal barcode sequences (e. g. ITS) sometimes fail to delimit species pairs. Thus, it is necessary to identify fast-evolving markers that allow for the delimitation of closely related species before proceeding with the analysis of lichen populations. The goal of this thesis is to elucidate the so far unknown genetic structure among Antarctic lichen populations because of the immediate consequences for conservation strategies. The thesis focuses not only on patterns of differentiation and gene flow, but also investigates the question of human-mediated propagule transfer into Antarctica and among Antarctic sites. This project provides data on the genetic structure of Antarctic lichens that is urgently needed to develop conservation strategies in the face of global warming and increased human activities in the region. Due to the fact that it is not possible to apply all of the unspecific fingerprinting methods to lichens, microsatellites or simple sequence repeats (SSRs) are one of the best tools to investigate the genetic structure of lichen populations. SSRs offer the possibility to discriminate the lichen partners, but species-specific microsatellites have been developed for only a few species. Regarding the Antarctic, only one species has been studied with SSRs.
The second chapter describes new methods and tools to delimit closely related species of lichens and provides fast evolving markers to characterize their genetic structure. The chapter introduces the lichen species analysed in this thesis and the problems related to their correct identification by morphological methods and molecular data. Chapter two explains the sampling methods for lichen populations and the localities from small areas in which the species pairs occur together. Then the methods used to generate and validate fungal specific microsatellites that cross-amplify species pairs are described. This chapter focuses on the species pair Usnea antarctica and U. aurantiacoatra because they are the most common lichens in the Maritime Antarctic. An internal transcribed spacer (ITS) marker do not discriminate between these species, and some authors have suggested to synonymize them. Unpublished results from another Antarctic species pair, Placopsis antarctica and P. contortuplicata, are included to confirm the capability of SSRs to discriminate closely related lichen species. This thesis is the first study to generate SSRs that cross amplify species pairs, using BLAST to compare one genome against the other to obtain markers with the same length in flanking regions. The de novo developed SSRs are able to discriminate the two closely related species, and can detect variability at the population level. In the end of the chapter, ITS sequences, microsatellites, and SNPs are used to delimit the species of Usnea antarctica and U. aurantiacoatra. The chapter exposes the importance of a correct species delimitation and the ability of SSRs and SNPs to delimit the Antarctic Usnea species pair compared with the recommended universal fungal barcode sequence ITS. ...
Freshwater is one of the most fundamental resources for life and is the habitat for a wide diversity of species. One of the most diverse aquatic insect taxa is Trichoptera Kirby, 1813, caddisflies. These semi-aquatic insects have aquatic larvae and terrestrial adults and are found all around the globe in freshwater habitats. Water is also one of the most important natural resources for the human population, but alarmingly, freshwaters are among the most threatened natural habitats. Thus, the monitoring and preservation of the quality of freshwater habitats should have a high priority. In order to track changes in the biota a baseline reference is necessary, but freshwater biodiversity is under-studied in many parts of the Earth such as the biodiversity hotspots of the Himalaya and the Hengduan Mountains. This thesis treats the trichopteran genus Himalopsyche Banks, 1940 (Rhyacophilidae) which has its diversity center in the Himalayas and the Hengduan Mountains. Himalopsyche larvae are large and conspicuous and only occur in clean, unpolluted streams. This makes Himalopsyche potentially suited as indicator organisms for freshwater quality monitoring, but taxonomic knowledge is yet insufficient. Based on samples from a field survey in the Hengduan Mountains targeting both larvae and adults I uncovered three new Himalopsyche species which are described in this thesis (Chapter II), and with the aid of molecular data I associated larvae of Himalopsyche to adult species (Chapter I). The molecular association enabled the first comparative morphological study of Himalopsyche species in the larval stage, and the morphological study in Chapter II revealed that there are four distinct larval types of Himalopsyche. However, no diagnostic characters to identify Himalopsyche larvae to species level were found. To understand Himalopsyche larval morphology from an evolutionary perspective, I reconstructed the first molecular phylogeny of the genus (Chapter III). This demonstrated that each larval type corresponds to a deep phylogenetic split, indicating that larval types evolved early in Himalopsyche evolution and remained constant since. Based on the phylogenetic results as well as larval and adult morphology, I re-defined five species groups of Himalopsyche: H. kuldschensis Group, H. lepcha Group, H. navasi Group, H. phryganea Group, and H. tibetana Group. The species groups differ with respect to their diversity centers. The monotypic H. lepcha Group resides in the Himalayas, and the monotypic H. phryganea Group inhabits Western Nearctic. The H. kuldschensis and H. tibetana Groups are geographically overlapping with distributions in the Himalayas, but the distribution of H. kuldschensis Group stretches more to the west to include the Tian Shan, and the H. tibetana Group is more concentrated around the eastern Himalayas and the Hengduan Mountains. The H. navasi Group has a more eastern distribution than most Himalopsyche including isolated areas such as Japan and Indonesia. The earliest split in Himalopsyche divides the H. navasi Group from remaining Himalopsyche, suggesting a more eastern area of origin of Himalopsyche than its current diversity center, with subsequent radiations in the Himalayas and Hengduan Mountains. In addition to the three chapters, in this thesis I discuss further aspects of Himalopsyche biology including genital evolution, species complexes, and Himalopsyche ecology.
Xenorhabdus and Photorhabdus are bacterial genera that live in symbiosis with entomopathogenic nematodes of the genera Steinernema and Heterorhabditis, respectively. These nematodes infect insect larvae through the trachea and then enter the hemocoel. Once inside the hemocoel, the nematodes release the bacteria through their intestine. Thereafter, the bacteria become active and kill the larvae within 48 h. During this process, the immune system of the insect host is compromised by molecules produced and secreted by the bacteria. This illustrates that the bacteria possess not only a large arsenal of biological weaponry such as antibiotics and fungicides but also lipases, proteases, etc. Therefore, they are not only able to kill the insect but also protect the cadaver from other food competitors.
During the past decades, a large number of natural products have been identified from Xenorhabdus and Photorhabdus. However, the targets and functions for many of these biological molecules are still unknown. Therefore, the goal of the doctoral thesis is to elucidate the modes of action of these natural products from Xenorhabdus and Photorhabdus with the main focus on non-ribosomal peptides (NRPs). The work can be divided into two parts. Initially, it starts with the synthesis of natural compounds and various chemically modified derivatives. Besides that, a number of peptides were synthesized for other projects to either verify their structures or quantify the amount produced by the bacteria. Then, secondary analysis methods are applied and provide additional insight into the modes of action of these compounds.
During the thesis, I carried out peptide synthesis either manually or with an automatic synthesizer system from Biotage. Here, the Fmoc-protecting group strategy was preferred in most cases. Natural products, such as silathride, xenoautoxin, phenylethylamide, tryptamide, rhabdopeptide, 3-hydroxyoctanoic acid, and PAX, were produced during this process. Furthermore, new peptide derivatives derived from synthetic NRPS approaches using the XU concept or SYNZIP were generated as standards.
Most of these natural compounds were experimentally verified by MIC tests (broth microdilution, plate diffusion) to be biologically active. For example, silathride, phenylethylamide, and tryptamide showed quorum quenching effects when tested against Chromobacterium violaceum. Initial results from collaborators (PD Dr. Nadja Hellmann/Mainz) showed that tryptamide and phenylethylamide interact with membrane or membrane proteins.
(R)-3-hydroxyoctanoic acid was synthesized to verify the molecule structure of phototemtide A, a cyclic lipopeptide with antiprotozoal activity. The rhabdopeptides are another class, which showed remarkable antiprotozoal effects. However, their mode of action was unknown. These compounds are relatively short peptide sequences, which contain hydrophobic residues, such as valine, leucine, or phenylalanine. Moreover, they possess N methylation, resulting in a rod-shaped highly hydrophobic structure. In this work, I synthesized eight new derivatives of rhabdopeptides for photo-affinity labeling (PAL). These molecules should react covalently under UV-light irradiation with the biological target of the peptides. In addition, these derivatives can be enriched in a pull-down assay using click chemistry. Afterward, analytic methods such as mass detection (proteome analysis) can be applied to elucidate the protein targets.
The PAX peptides derivatives are well-known to have anti-microbial activities and believed to be secreted into the environment by the producing bacteria. However, I found that the majority of these peptides are located in the cell pellet fraction and not in the supernatant. This has been shown through quantification using HPLC MS. New PAX derivatives were synthesized, which carry a moiety suitable for covalent modification using click-chemistry, therefore being functionalizable with a fluorescence dye. In collaboration with Dr. Christoph Spahn (Prof. Dr. Mike Heilemann group), we used confocal, as well as super-resolution microscopy, in particular, single-molecule localization microscopy (SMLM) to investigate the spatial distribution of clickable PAX molecules and revealed that they localize at the bacterial membrane. Furthermore, bioactivity assays revealed that the promotor exchanged X. doucetiae PAX mutants, which do not produce PAX molecules without chemical induction (hereby termed as pax-), were more susceptible to several insect AMPs tested. Based on these findings, a new dual mechanism of action for PAX was proposed. Besides the previously shown antimicrobial activity, these molecules with a positive net charge of +5 (pH = 7) would bind to the negatively charged bacterial surface. Hereby, the surface charge (typically negative) would be inversed resulting in a protective effect for Xenorhabdus against other positively charged AMPs. Furthermore, PAX was investigated as AMP against E. coli to study its antimicrobial mechanism of action. Here, the results show that PAX can disrupt the E. coli membrane at higher concentrations (> 30 µg/ml), enter the cytosol, and lead to reorganization of subcellular structures, such as the nucleoid during this process.
Another aspect of secondary analysis is the application of proteomic analysis. Therefore, I induced X. nematophila, X. szentirmaii, and P. luminescens with insect lysate. These samples were analyzed using HPLC-MS/MS (Q Exactive) together with a database approach (Maxquant/Andromeda). The results showed that in all strains the lipid degradation and the glyoxylate pathway were induced. This is in line with the given insect lysate diet, which mostly contained lipids. Moreover, several interesting unknown peptides and proteins were also upregulated and might get into the focus of future research.
H/ACA-RNPs are involved in RNA guided pseudouridylation of rRNAs and snRNAs. In this thesis I reconstituted active and labeled archaeal as well as eukaryotic H/ACA-RNPs and studied the structural dynamics of complex assembly and pseudouridine formation. Single molecule FRET spectroscopy was used as method of analysis to study structure, assembly and dynamics of these important complexes.
The genus Giraffa likely evolved around seven million years ago in Indo-Asia and spread over the Arabian-African land bridge into Eastern Africa. The oldest fossil of the African lineage was found in Kenya and dated to 7-5.4 Mya. Beside modern giraffe, four additional African species have likely existed (G. gracilis, G. pygmaea, G. stillei, and G. jumae). Based on their morphological similarities, G. gracilis is often considered to be the closest relative of the modern giraffe. Nevertheless, the phylogeny within the genus Giraffa is largely unresolved.
Modern giraffe (Giraffa sp.) have been neglected by the scientific community for a long time and still very little is known about their biology. Traditionally, present-day giraffe have been considered a single species (G. camelopardalis) which is divided into six to eleven subspecies, with nine subspecies being the most accepted classification. This classification was based on morphological differences and geographic ranges. However, recent genetic analyses found hidden diversity within Giraffa and proposed four genetically distinct giraffe species (G. camelopardalis, G. reticulata, G. tippelskirchi, G. giraffa) with presumably little gene flow among them.
Gene flow on a population level is the exchange of genetic information among populations facilitated by the migration of individuals between populations. Additionally, it is an important criterion to delineate species, because many species concepts, especially the Biological Species Concept, rely on the concept of reproductive isolation. Yet, new genetic methods are identifying an increasing number of species that show signs of introgressive hybridization or gene flow among them. Therefore, strict reproductive isolation cannot always be applied to delineate species, especially in young, probably still diverging, species such as giraffe.
Therefore, giraffe are ideal study organisms to investigate the level of gene flow in recently diverged species with adjacent or potentially overlapping ranges. Furthermore, their recent classification as “Vulnerable” by the IUCN and their unreliable distribution maps require the genetic evaluation of their population structure, distribution and conservation status.
In Publication 1 (Winter et al. (2018a), Ecological Genetics and Genomics, 7–8, 1–5), I studied the distribution and matrilineal population structure of Angolan giraffe (G. giraffa angolensis) using sequences from the cytochrome b gene (1,140 bp) and the mitochondrial control region for individuals from across their known range and beyond, and additionally including individuals from all known giraffe species and subspecies. The reconstruction of a phylogenetic tree and a mitochondrial haplotype network allowed to identify the most easterly known natural population of Angolan giraffe, a population that was previously assigned to their sister-subspecies South African giraffe (G. giraffa giraffa), indicating the limit of classification by morphology and geography. Furthermore, the analyses show that Namibia’s iconic desert-dwelling giraffe population is genetically distinct, even from the nearest population at Etosha National Park, suggesting very limited, if any, natural exchange of matrilines. Yet, no geographic barriers are known for this region that would prevent genetic exchange. Therefore, the two populations are likely on different evolutionary trajectories. Limited individuals with an Etosha haplotype further suggest that translocation of Etosha giraffe into the desert population had only a minor impact on the local population. Two separate haplogroups within Etosha National Park suggest an “out of Etosha” radiation of Angolan giraffe to the East followed by a later back-migration.
In Publication 2 (Winter et al. (2018b), Ecology and Evolution, 8(20), 10156–10165), I investigated the genetic population structure of giraffe across their range (n = 137) with focus on the amount of gene flow among the proposed giraffe species with a 3-fold increased set of nuclear introns (n = 21). Limited gene flow of less than one effective migrant per generation, even between the closely related northern (G. camelopardalis) and reticulated giraffe (G. reticulata) further supports the existence of four giraffe species by a different methodology, gene flow. This is significant because most species concepts build on reproductive isolation. Furthermore, this result is corroborated by four distinct major clades in a phylogenetic tree analysis, and distinct clusters in Principal Component Analysis and STRUCTURE analysis. All these analyses suggest a low level of genetic exchange among the four giraffe species and, therefore, a high degree of reproductive isolation in accordance with the Biological Species Concept (BSC). In Addition, only a single individual in 137 was identified as being potential of natural hybrid origin, which promotes the four-species concept further. ...
Es gibt zwei Leitmotive, die sich konsequent in der Rhetorik der Forschungsliteratur zu Anselm Kiefer beobachten lassen: zum einen die Auseinandersetzung des Künstlers mit dem Nationalsozialismus und in der Folge mit der nordisch-germanischen Mythologie und zum anderen die Beschäftigung mit dem Judentum und der jüdischen Mystik. Innerhalb des Gesamtoeuvres sind jedoch diejenigen Arbeiten, die sich augenscheinlich und sehr offensichtlich mit dem Nationalsozialismus beschäftigen nur eine sehr kleine Gruppe. In seiner 50 Jahre umfassenden künstlerischen Laufbahn hat er lediglich in den ersten Jahren eine offensive Auseinandersetzung mit der NS-Vergangenheit Deutschlands gesucht. Sie bildet gleichsam den Startpunkt seiner künstlerischen Karriere. Mittlerweile ist der Künstler Anselm Kiefer mit der Aufarbeitung des Nationalsozialismus und den Begrifflichkeiten Vergangenheitsbewältigung, Erinnerungsarbeit und Trauerarbeit kanonisiert. Doch je länger der Schaffensprozess von Kiefer andauert und je weiter man auf sein produktives Œuvre zurückblicken kann, umso deutlicher erkennt man nachweisbar zwei ganz andere bildimmanente Leitkategorien in diversen Facetten und Nuancen, die in ihrer Überordnung eine völlig neue Dimension einschlagen: die Dimension von Zeit und Raum respektive Zeitlichkeit und Räumlichkeit in Kiefers gesamtem Werkkomplex.
Insistent beschäftigt sich Kiefer mit allgemeingültigen Themen der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft oder diskutiert zeitlose und damit verbunden auch schwer zugängliche Inhalte. Zeitlos meint in diesem Fall, dass er sich nicht mehr mit den ihm vorher typischen Referenzen der Historie und Geschichte (wie eben dem Nationalsozialismus) beschäftigt, sondern vielmehr auch mit zeitlichen Dimensionen wie der kosmologischen, geologischen oder Lebens-Zeit. Zunehmens treten ab Mitte der achtziger Jahre Raumbezogene Kosmos- und Genesisthemen aus dem Alten Testament oder der Kabbala in den Mittelpunkt. Raum und Zeit als zwei Leitkategorien breiten sich wie eine Art Dach über Kiefers gesamtes Œuvre und über die üblichen ikonografischen Interpretationsmodelle aus. Sie werden von mir als alternative Lesart der Forschung empfohlen.
Jedes Bildwerk besitzt neben seiner räumlichen Gestalt und seinem kompositorischen Bildaufbau auch eine implizite Bildzeit. Beide Determinanten bedingen als Ordnungsraster nicht nur die jeweilige formale Bildgestalt, sondern auch den strukturellen Bildgehalt in Form eines zeitlich-räumlichen Ausdrucks. Raum und Zeit sind als normativ zu verstehen, im Sinne eines Standards, gleichsam als eine Regel, die grundsätzlich für die Annäherung und Interpretation der Kieferschen Arbeiten angewendet werden kann. Die Wahrnehmung von Raum und Zeit bei Kiefer kann gleichsam übergreifend in die folgenden drei Kategorien eingeteilt werden: 1.) die thematische Referenz auf die beiden Dimensionen, 2.) der tatsächlich motivische Bezug oder 3.) die faktische Umsetzung anhand der Dimension des Bildträgers oder der Entstehungszeit des Werkes. Raum und Zeit liegen zudem ganz grundsätzlich dem kosmologischen Weltentwurf zugrunde, da Alles in Zeit und Raum ist. Die beiden Dimensionen sind dem Kieferschen Sternenbild qua seiner Existenz daher schon anhaftig.
Kiefer hat in den Jahren 1995 bis 2010 eine beachtliche Anzahl an Sternenbildern geschaffen. Er fertigt die Bilder vor allem seriell an, so dass diese Fülle auf Basis diverser formaler Bildanlagen von mir in zwei Gruppen unterteilt wurde.
Die erste Gruppe folgt einer traditionellen Bildform, indem sie grundsätzlich den Bildträger kompositorisch in eine irdische und eine stellare räumliche Zone unterteilen. Der nächtliche Sternenhimmel breitet sich darin geschlossen über einer Landschaft oder einem Innenraum aus. Der Betrachter wird gleichsam von seinem irdischen Standpunkt aus auf den Blick gen Sternenhimmel gelenkt. Die Sternenbilder aus irdischer Perspektive versammeln philosophisches und literarisches Gedankengut der historischen Personen Immanuel Kant, Ingeborg Bachmann und Pierre Corneille. Die zweite Gruppe umfasst jene Arbeiten, die den irdischen Standpunkt verlassen und keine Horizontlinie mehr aufweisen. Bei diesen Arbeiten begreift Kiefer den Bildträger in seiner kompletten Dimensionalität als rein stellaren Bildraum. In den Werken wird als Konsequenz eine für Kiefers Sternenbilder neue bildräumliche Perspektive obligat.
Die Sternenbilder Kiefers fokussieren grundsätzlich kosmologische Fragestellungen, seien sie philosophisch, literaturwissenschaftlich, naturphilosophisch, naturwissenschaftlich oder religiös konnotiert. Damit folgen sie der Tradition vorangegangener Künstlergenerationen. In einem Einführungskapitel, welches für die Verortung Kiefers in die Tradition des Sternenbildes wichtig ist, wird aufgezeigt, dass das Bild der Sterne stets in enger Verbindung mit den eben genannten Disziplinen steht, durch diese maßgeblich beeinflusst wurde und weiterhin wird. Den Künstlern ist die Tatsache gemein, dass sie mit ihrer Darstellung des Sternenhimmels der Frage nach einer räumlichen und zeitlichen Ordnung der Welt, gleichsam als Kosmos verstanden, sowie ihrer Entstehungsursache und des „Bauplans“ nachgehen. Den Sternenbildern scheint gemein zu sein, dass sie realiter durch Beobachtungen, Erkenntnisse und Ergebnisse Wissensräume sichtbar machen, determinieren und das jeweilige Wissen transportieren.
Kiefers kosmologischer Diskurs verläuft in dem großen Bereich des Nicht-Wissens, mit dem Versuch einen ontologischen Sinn herzustellen. Die Arbeiten, die auf Kant referenzieren, auf Bachmann und auf Corneille zeugen von Kiefers kosmologischer Auseinandersetzung, seiner Frage nach Gott, seiner Verortung im Kosmos, seiner Beschäftigung mit dem Darstellbaren und Un-Darstellbaren und einer damit verbundenen Sinnsuche.
The $p$-adic section conjecture predicts that for a smooth, proper, hyperbolic curve $X$ over a $p$-adic field $k$, every section of the map of étale fundamental groups $\pi_1(X) \to G_k$ is induced by a unique $k$-rational point of $X$. While this conjecture is still open, the birational variant in which $X$ is replaced by its generic point is known due to Koenigsmann. Generalising an alternative proof of Pop, we extend this result to certain localisations of $X$ at a set of closed points $S$, an intermediate version in between the full section conjecture and its birational variant. As one application, we prove the section conjecture for $X_S$ whenever $S$ is a countable set of closed points.
Inhibitoren der Apoptose (IAP, inhibitor of apoptosis) Proteine spielen eine wichtige Rolle in Bezug auf Zelltodregulation und es ist anzunehmen, dass eine Dysregulation dieser Proteine zu einer Tumorentwicklung und Tumorprogression beiträgt. Erhöhte Expressionslevel von IAP Proteinen verhindern die Aktivierbarkeit des Zelltodprogrammes von Tumorzellen und eine Reihe von Studien konnte bereits erhöhte IAP Level in Tumorzelllinien sowie in primären Tumorproben nachweisen. Des Weiteren korrelieren erhöhte Expressionslevel von IAPs in Tumoren mit Behandlungsresistenzen und schlechten Prognosen für die Patienten.
Das diffuse großzellige B-Zell Lymphom (DLBCL, diffuse large B-cell lymphoma) zählt zu den häufigsten Subtypen der Non-Hodgkin Lymphome (NHL) mit 40 % aller neu diagnostizierten NHL Fälle. DLBCL ist eine sehr heterogene Erkrankung die in drei verschiedene Gruppen klassifiziert wurde: aktivierter B-Zell Typ (ABC, activated B-cell), Keimzentrum B-Zell Typ (GCB, germinal center B-Cell) und Mediastinaler großzelliger B-Zell Typ (PMBL, primary mediastinal B-cell lymphoma). Erhöhte Expressionslevel von zellulärem IAP1 (cIAP, cellular IAP) und cIAP2 wurden ebenfalls in primären Tumorproben von DLBCL Patienten nachgewiesen. Smac mimetics wurden entwickelt, um IAPs zu antagonisieren und stellen damit eine Behandlungsstrategie für DLBCL Patienten dar, denn ca. 40 % aller DLBCL Patienten entwickeln ein Rezidiv oder erreichen gar keine Remission unter Standardtherapie. Jedoch ist der Effekt von Smac mimetics in einer Einzelbehandlung limitiert, weswegen Kombinationstherapien mit Smac mimetics eine vielversprechende Strategie für ihren klinischen Einsatz darstellen. Aus diesem Grund haben wir in dieser Arbeit den Effekt von Smac mimetic in Kombination mit Proteasom-Inhibitoren analysiert und einen speziellen Fokus auf den molekularen Mechanismus des ausgelösten Zelltodsignalweges gelegt.
Die Kombination verschiedener Konzentrationen des Smac mimetics BV6 mit dem Proteasom-Inhibitor carfilzomib (CFZ) löst in allen drei getesteten DLBCL Subtypen (ABC, GCB und PMBL) Zelltod aus. Die Kalkulation des Kombinationsindexes (CI, combination index) sowie des Bliss Scores, zwei quantitative Parameter zur Bestimmung eines Synergismus, zeigen, dass fast alle getesteten Kombinationen einen Synergismus aufweisen. Dies verdeutlicht, dass eine Co-Behandlung von BV6 und CFZ eine wirksame Kombination ist um Zelltod in DLBCL Zelllinien auszulösen. Außerdem zeigt eine Kombination von BV6 mit anderen Proteasom-Inhibitoren wie ixazomib (IXA) oder oprozomib (OPR), ebenfalls eine synergistische Reduktion der Zellviabilität. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der detektierte Effekt nicht auf eine Substanz limitiert ist, sondern, dass ein genereller Effekt von Smac mimetic und Proteasom-Inhibitoren vorliegt, um Zellviabilität in DLBCL zu reduzieren. BV6 und CFZ induzieren einen apoptotischen Zelltod, da sie die Spaltung und Aktivierung von Initiator- und Effektorcaspasen (Caspasen-3, -7, -8 und -9) initiieren und sich der induzierte Zelltod mit Hilfe des Caspasen-Inhibitors zVAD.fmk verhindern lässt. Die Behandlung mit BV6 und CFZ führt zu einer Akkumulation von NIK, ein Protein welches zur Aktivierung des non-kanonischen NF-kB Signalweges benötigt wird. Weitere Untersuchungen zeigen jedoch, dass NIK nicht an der Zelltodinduktion beteiligt ist, da eine siRNA-basierte Herunterregulierung des NIK Proteins keinen Einfluss auf die Zelltodinduktion nimmt. Ebenfalls ist der Zelltod unabhängig von dem TNFa Signalweg, da weder eine Behandlung mit dem TNFa Inhibitor Enbrel den Zelltod verringern kann noch eine zusätzliche Gabe von TNFa den Zelltod erhöht. Weitere mechanistische Studien zeigen eine kritische Rolle der mitochondrialen Apoptose für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod. Unter Behandlung mit BV6/CFZ wurde eine Aktivierung von BAX und BAK nachgewiesen, welche beide mit verantwortlich für die Porenbildung in der mitochondrialen Membran sind. Eine Herunterregulation dieser beiden Proteine mittels siRNA reduziert signifikant den durch BV6/CFZ-induzierten Zelltod auf ein Minimum. Gleichzeitig löst eine Co-Behandlung mit BV6/CFZ einen Verlust des mitochondrialen Membranpotentials (LOMMP, loss of mitochondrial membrane potential) aus. In Übereinstimmung mit den vorherigen Experimenten, zeigen wir eine Akkumulation von mitochondrialen reaktiven Sauerstoffspezies (ROS; reactive oxygen species), sowie einen generellen Anstieg des allgemeinen ROS Levels. Eine Behandlung mit BV6/CFZ zeigt eine deutliche Akkumulation des pro-apoptotischen Proteins NOXA. Um dessen funktionelle Relevanz zu überprüfen, wurde die Proteinmenge von NOXA mittels siRNA stark reduziert. Eine Behandlung mit der Kombination aus BV6 und CFZ zeigt daraufhin eine signifikant reduzierte Zelltodinduktion, was die funktionelle Relevanz von NOXA für den BV6/CFZ-vermittelten Zelltod unterstreicht. Immunopräzipitationsstudien zeigen, dass in RIVA und U2932 Zellen NOXA konstitutiv an seinen anti-apoptotischen Bindungspartner MCL-1 gebunden ist, was die Zellen bereits darauf vorbereitet Apoptose zu durchlaufen. Dieses sogenannte „primen“ für Apoptose wird durch die Behandlung mit BV6 und CFZ weiter verstärkt, da es die Bindung zwischen NOXA und MCL-1 weiter erhöht. Dadurch wird die Balance zwischen pro- und anti-apoptotischen Proteinen zu Gunsten der pro-apoptotischen Proteine verschoben und die Induktion von Apoptose begünstigt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass DLBCL Zelllinien sensitiv auf eine Behandlung mit Smac mimetic und Proteasom-Inhibitor reagieren und damit eine mögliche neue Behandlungsstrategie für diese heterogene Tumorerkrankung darstellt.
Alzheimer’s disease (AD) is the major cause of dementia. It is characterized by the accumulation of abnormal proteins (amyloid-β plaque and neurofibrillary tangles) leading to loss of synapses, dendrites, neurons, memory and cognition. Sporadic late-onset AD is the major type of AD characterized by unclear etiology and a lack of disease-modifying therapy. To understand this disease, an alternative AD hypothesis has been proposed: AD may resemble diabetes in the brain or “diabetes type 3”. This hypothesis is supported by the fact that (1) brain glucose hypometabolism precedes AD clinical symptoms and (2) diabetes increases the risk of AD. To test this hypothesis, wild-type rats receiving intracerebroventricular administration of streptozotocin (icv-STZ) were used as a model. Streptozotocin (STZ) is a glucosamine-nitrosourea compound commonly used to induce experimental diabetes by peripheral administration. A similar pathological mechanism to peripheral STZ is then proposed to explain icv-STZ toxicity: insulin receptor signaling impairment results in glucose hypometabolism leading to cognitive deficits.
Objective: Icv-STZ model seems promising as a toxin-induced, non-transgenic AD model with the possibility to connect AD and diabetes mellitus (DM), one of the risk factors for AD. However, the mechanisms of how icv-STZ induced AD-like symptoms are unclear. Therefore, using microdialysis as the main technique, we tested 2 AD hypotheses in this model: (1) the glucose hypometabolism as an alternative AD hypothesis and (2) the cholinergic deficit as an important characteristic of AD pathology. Hippocampus was chosen because cholinergic function in this region is severely affected in AD. In comparison, the striatum was chosen because it contains cholinergic interneurons and is less affected in AD.
Methods: In this study, we used male Wistar rats of 190-220 g body weight (5 weeks of age). The rats were injected intracerebrally with STZ at a dose of 3 mg/kg (2x1.5 mg/kg; „high dose“) and 0.6 mg/kg („low dose“) with saline as control. After 21 days, samples were collected to investigate cholinergic and metabolic changes using histology, biochemistry, and neurochemistry. Brain injury was confirmed using GFAP staining and Fluoro jade staining in the hippocampus. Mitochondrial toxicity was investigated by measurement of mitochondrial
respiratory function in both hippocampus and striatum. Cholinergic markers such as acetylcholinesterase (AChE) activity, choline acetyltransferase (ChAT) activity, and choline transporter (CHT-1) activity, commonly known as high-affinity choline uptake (HACU), were measured in both hippocampus and striatum using a spectrophotometer and a scintillator.
Microdialysis is the main technique in our study. It was done in awake animals under behavioral or pharmacological stimulation. We used a self-built probe with a semi-permeable membrane (pore size of 30 kDa) that was implanted in either hippocampus or striatum. The probes were then perfused with artificial cerebrospinal fluid (aCSF) supplemented with 0.1 μM neostigmine for extracellular acetylcholine level measurement. During the perfusion, small hydrophilic compounds from brain extracellular space diffuse into the dialysates. Dialysates of 15 minutes intervals were collected for 90 minutes and used for analysis. After collection of dialysates for the first 90 minutes (basal data), rats were moved to an open field box (35x32x20 cm) for behavioral stimulation. After collection of the second 90 minute dialysates, the rats were transferred back to the microdialysis cage and dialysates were collected for another 90 minutes. On day 2, after collection of dialysates under basal conditions, 1 μM scopolamine was added to the perfusion solution for stimulation of acetylcholine release. The dialysates were also collected for 90 min followed by another 90 min of dialysis without scopolamine. The microdialysate samples were then analyzed as follows. ACh level was measured by HPLC-ECD. Glucose metabolites (glucose, lactate, pyruvate) were measured by a CMA-600 microanalyzer. An alternative energy metabolite (beta-hydroxybutyrate/BHB) was measured by GC-MS. Choline and glycerol as membrane breakdown markers were also measured by HPLC-ECD and CMA-600 microanalyzer, respectively. Markers of oxidative stress (isoprostanes) were measured using a commercially available ELISA kit.
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A novel role for mutant mRNA degradation in triggering transcriptional adaptation to mutations
(2020)
Robustness to mutations promotes organisms’ well-being and fitness. The increasing number of mutants in various model organisms, and humans, showing no obvious phenotype (Bouche and Bouchez, 2001; Chen et al., 2016b; Giaever et al., 2002; Kok et al., 2015) has renewed interest into how organisms adapt to gene loss. In the presence of deleterious mutations, genetic compensation by transcriptional upregulation of related gene(s) (also known as transcriptional adaptation) has been reported in numerous systems (El-Brolosy and Stainier, 2017; Rossi et al., 2015; Tondeleir et al., 2012); however, the molecular mechanisms underlying this response remained unclear. To investigate this phenomenon, I develop and study multiple models of transcriptional adaptation in zebrafish and mouse cell lines. I first show that transcriptional adaptation is not caused by loss of protein function, indicating that the trigger lies upstream, and find that the response involves enhanced transcription of the related gene(s). Furthermore, I observe a correlation between levels of mutant mRNA degradation and upregulation of related genes. To investigate the role of mutant mRNA degradation in triggering the response, I generate mutant alleles that do not transcribe the mutated gene and find that they fail to induce a transcriptional response and display stronger phenotypes. Transcriptome analysis of alleles displaying mutant mRNA degradation revealed upregulation of a significant proportion of genes displaying sequence similarity with the mutated gene’s mRNA, suggesting a model whereby mRNA degradation intermediates induce transcriptional adaptation via sequence similarity. Further mechanistic analyses suggested RNA-decay factors-dependent chromatin remodeling, and repression of antisense RNAs to be implicated in the response. These results identify a novel role for mutant mRNA degradation in buffering against mutations. Besides, they hold huge implications on understanding disease-causing mutations and shall help in designing mutations that lead to minimal transcriptional adaptation-induced compensation, facilitating studying gene function in model organisms.
An overexpression of the E3 ubiquitin ligase TRIM25 is implicated in several human cancers and frequently correlates with a poor prognosis and occurrence of therapy resistance in patients. Previous studies of our group have identified the mRNA encoding the pro-apoptotic caspase-2 as a direct target of the ubiquitous RNA binding protein human antigen R (HuR). The constitutive HuR binding observed in colon carcinoma cells negatively interferes with the translation of caspase-2 mainly through binding to the 5' untranslated region (UTR) of caspase-2 and thereby confers an increased survival of tumor cells. The main objective of this thesis was to unravel novel regulatory proteins critically involved in the control of caspase-2 translation and their impact on therapeutic drug resistance of human colon carcinoma cells. By employing RNA affinity chromatography in combination with mass-spectrometry, among several putative caspase-2 mRNA binding proteins, we have identified the tripartite motif-containing protein 25 (TRIM25) as novel caspase-2 translation regulatory protein in colon carcinoma cells. The constitutive TRIM25 binding to caspase-2 mRNA in two different human colorectal carcinoma cell lines was validated by ribonucleoprotein (RNP)-immunoprecipitation (RIP)-RT-PCR assay and by means of biotin-labeled RNA-pull-down assay. Since caspase-2 is a caspase which is particularly involved in the DNA-damage-induced apoptosis, I tested the functional relevance of negative caspase-2 regulation by TRIM25 for chemotherapeutic drug-induced cell death of different adenocarcinoma cells by RNA interference (RNAi)- mediated loss-of-function and gain-of-function approaches. In the first part of the thesis, I could demonstrate that transient silencing of TRIM25 caused a significant increase in caspase-2 protein levels without affecting the amount of corresponding mRNAs. Mechanistically, the TRIM25 silencing-triggered increase in caspase-2 was totally impaired by cycloheximide, indicating that the stimulatory effects on caspase-2 levels depend on protein synthesis. This finding was corroborated by RNP/polysomal fractionation, which revealed that the transient knockdown of TRIM25 caused a significant redistribution of caspase-2 transcripts from the fraction of RNP particles to that from translationally active polyribosomes.
The second part of my thesis aimed at the elucidation of the functional consequences of the negative caspase-2 regulation by TRIM25 for enhanced tumor cell survival. Thereby, I found that the siRNA-mediated knockdown of TRIM25 caused a significant increase in the chemotherapeutic drug-induced cleavage of caspase-3 and to elevations in cytoplasmic cytochrome c levels implicating that TRIM25 depletion did mainly affect the intrinsic apoptotic pathway. Concordantly, the ectopic expression of TRIM25 caused a reduction in caspase-2 protein levels, concomitant with an attenuated sensitivity of tumor cells to doxorubicin.
To test the functional impact of caspase-2 in the TRIM25 depletion-dependent sensitization to drug-induced apoptosis, I employed a siRNA-mediated knockdown of caspase-2. Interestingly, the strong induction of caspase-3 and -7 cleavage after doxorubicin treatment was fully impaired after the additional knockdown of caspase-2, indicating the sensitizing effects by TRIM25 knockdown depend on caspase-2.
Data from this thesis identified the TRIM25 as a novel RNA-binding protein of caspase-2 mRNA, which negatively interferes with the translation of caspase-2 and which functionally contributes to chemotherapeutic drug resistance of colon carcinoma cells. Interfering with the negative TRIM25-caspase-2 axis may represent a promising therapeutic avenue for sensitizing colorectal cancers to conventional anti-tumor therapies.
Bipolar disorder (BD) and major depressive disorder (MDD) are severe mood disorders that belong to the most debilitating diseases worldwide. Differentiating both mood disorders often poses a major clinical challenge, leading to frequent misdiagnoses. Objective biomarkers able to differentiate individuals with BD and MDD therefore represent a psychiatric research field of utmost importance. Recent studies have applied resting-state fMRI paradigms and found promising results differentiating both disorders based on the acquired data. However, most of these studies have focused their efforts on acutely depressed patients. Thus, it remains unclear whether the aberrations remain in a symptomless disease state.
The here presented study addresses these issues by evaluating the ability to differentiate both disorders from one another by conducting a between-group comparison of functional brain network connectivity (FNC) obtained from resting-state fMRI data. Data were collected from 20 BD, 15 MDD patients and 30 age- and gender-matched healthy controls (HC). Graph theoretical analyses were applied to detect differences in functional network organization between the groups on a global and regional network level.
Network analysis detected frontal, temporal and subcortical nodes in emotion regulation areas such as the limbic system and associated regions exhibiting significant differences in network integration and segregation in BD compared to MDD patients and HC. Participants with MDD and HC only differed in frontal and insular network centrality.
These results indicate that a significantly altered brain network topology in the limbic system might be a trait marker specific to BD. Brain network analysis in these regions may therefore be used to differentiate euthymic BD not only from HC but also from patients with MDD.
Dopaminerge Neurone sind vor allem im Mittelhirn lokalisiert und modulieren die Funktion der Basalganglien, welche eine wichtige Rolle bei motorischem, kognitivem und emotionalem Verhalten spielen. Eine Dysregulation dopaminerger Neurotransmission, speziell die veränderte Belohnungsverarbeitung, spielt eine zentrale Rolle in der Ätiopathogenese der Aufmerksamkeitsdefizit- und Hyperaktivitätsstörung (ADHS), die im Erwachsenenalter häufig durch Komorbiditäten wie affektive Störungen, Angststörungen, Substanzgebrauch-Störungen, Persönlichkeitsstörungen oder Adipositas geprägt ist. Im Rahmen einer Teilstudie eines multizentrischen europäischen Projekts, CoCA (englisch: Comorbid Conditions in ADHD) genannt, soll die Modulation des dopaminergen Belohnungssystems bei gesunden Probanden durch einen pharmakologischen Provokationstest geprüft werden. Die funktionelle Magnetresonanztomographie (MRT) stellt hierbei ein nützliches bildgebendes Verfahren dar, das nicht-invasiv und bei hoher örtlicher Auflösung Veränderungen des sogenannten BOLD-Signals (englisch: blood oxygen level dependent) misst.
Die vorliegende Arbeit untersucht, inwiefern das dopaminerge Belohnungssystem durch einen pharmakologischen Provokationstest mit einem Dopaminagonisten sowie einem Dopaminantagonisten im Vergleich zu Placebo zu modulieren ist. Dazu wurde die BOLD-Antwort mittels funktionellem MRT während eines Gewinnspiels (Monetary Incentive Delay Tasks) mit inbegriffener Antizipations- und Feedback-Phase erforscht. Es wurde zuvor postuliert, dass sich die Aktivität belohnungsabhängiger Strukturen (wie ventrales Striatum, Putamen, Caudatus, anteriore Insula und medialer präfrontaler Kortex) während des Monetary Incentive Delay Tasks in einem pharmakologisch neutralen Haupteffekt reproduzieren lässt. Außerdem wurde ein Unterschied im Aktivitätsniveau des Belohnungssystems unter Pharmaka-Administration versus Placebo erwartet, sodass unter Amisulprid eine Dämpfung, und unter Levodopa eine Aktivitätssteigerung dessen darstellbar werden sollte.
Ein kontrolliert randomisiertes, doppelblindes Cross-over-Studiendesign, umfasste 45 gesunde Probanden, die durchschnittlich circa 23 Jahre alt (SD = 2,71 Jahre) waren. Die Studienteilnehmer absolvierten einen pharmakologischen Provokationstest mit Levodopa (100mg/ 25mg Carbidopa), Amisulprid (200mg) und Placebo sowie anschließender fMRT-Messung in einem 3 Tesla Scanner in randomisierter Reihenfolge. Die Analyse der fMRT-Daten erfolgte anhand von zwei primär definierten Kontrasten: Antizipation Gewinnbedingung > Feedback Gewinnbedingung und Antizipation Gewinnbedingung > Antizipation Kontrollbedingung zur Untersuchung von Belohnungserwartung und Feedback mittels der gemessenen BOLD-Antworten. Das verwendete GewinnspielParadigma, Monetary Incentive Delay Task genannt, erlaubt hierbei eine Beobachtung verschiedener Anteile der Belohnungsverarbeitung.
Im Haupteffekt der beiden Kontraste konnte eine signifikante BOLD-Aktivität in belohnungsabhängigen Gehirnregionen wie Putamen, anteriore Insula und Thalamus dargestellt werden. Unter Amisulprid-Administration konnte ein signifikanter dämpfender Effekt im Vergleich zu Placebo gezeigt werden. Für Levodopa ergab sich wider Erwarten jedoch kein signifikanter Unterschied im Aktivitätsniveau des Belohnungssystems.
Die vorhandenen Ergebnisse der durchgeführten Studie bieten eine Basis, die veränderte Regulation dopaminerger Neurotransmission im Rahmen psychiatrischer Erkrankungen besser zu beurteilen und weiter zu erforschen. Um ADHS mit seinen Komorbiditäten umfänglicher zu erfassen, ist es unvermeidbar, den Pathomechanismus der Dysregulation dopaminerger Neurotransmission, mit der daraus folgenden veränderten Belohnungsverarbeitung, in zukünftigen Studien genauer zu untersuchen.
Investigating the inhibition of anti-apoptotic BCL-2 family proteins in pediatric cancer cells
(2020)
Cancer is amongst the leading causes of death in childhood. Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequently occurring soft tissue sarcoma in children and adolescents. It presumably arises from mesenchymal progenitors of skeletal muscle cells and presents with different subtypes that differ both histologically and genetically. Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (ES) are the most frequently diagnosed pediatric bone tumors. Even though the prognosis of these cancer entities improved significantly during recent decades, the survival rates are currently stagnating. Especially, dismal prognosis of relapsed and metastasizing cases of these malignancies urgently call for novel treatment options. BCL-2 proteins are vital guardians that control intrinsic apoptosis. Furthermore, it was shown that BCL-2 proteins critically regulate apoptosis in pediatric solid tumors. BH3 mimetics are small molecules that bind and inhibit anti-apoptotic BCL-2 proteins. They have already been investigated as cancer therapeutics for several years and show first encouraging clinical results. Therefore, we hypothesized that targeting BCL-2, MCL-1 and BCL-XL might be a promising approach to treat RMS, OS and ES.
In this study, we aimed to comprehensively evaluate the potential of anti-apoptotic BCL-2 family proteins as therapeutic targets for pediatric solid tumors such as RMS, OS and ES.
Notably, RMS, OS and ES cells largely expressed the most relevant BCL-2 family protein members. However, cells were widely insensitive to single pharmacological inhibition of either BCL-XL, BCL-2 or MCL-1 by A-1331852, ABT-199 and S63845, respectively. This finding was independent of their BCL-2 family protein expression levels. Significantly, co-administration of A-1331852 and S63845 induced cell death in RMS, OS and ES cell lines in a highly synergistic manner. Transient silencing of MCL-1 and/or BCL-XL verified the co-dependency of RMS cells on these proteins for survival. Importantly, A-1331852/S63845 co-treatment was more efficient in causing cell death in RMS, OS and ES cells than either inhibitor combined with ABT-199. Efficacy of A-1331852/S63845 co-treatment could be additionally demonstrated in a primary sample of pediatric malignant epithelioid mesothelioma.
Mechanistically, concomitant A-1331852/S63845 treatment mediated rapid intrinsic apoptosis involving swift loss of the mitochondrial outer membrane potential as well as activation of caspases-3, -8 and -9. An observed caspase dependent loss of MCL-1 might further amplify the A-1331852/S63845 triggered pro-death signaling. Furthermore, we identified BAX and BAK as key mediators of apoptosis caused by dual inhibition of MCL-1 and BCL-XL. A-1331852/S63845 induced cell death was relying on BAX and/or BAK in a cell line dependent manner. Interestingly, treatment with A-1331852 and S63845 liberated BAK from its interaction with MCL-1 and BCL-XL. Moreover, BAX and BAK were activated and interacted with each other to form a pore in the outer mitochondrial membrane. Further, in RD cells BIM and NOXA partially contributed to A-1331852/S63845 mediated cell death. Consistently, in this cell line BIM and NOXA were disrupted from their binding to BCL-XL and MCL-1 by A-1331852 and S63845, respectively. However, BH3 only proteins were not involved in A-1331852/S63845 induced cell death in Kym-1 cells. Therefore, we concluded that BH3 only proteins played only a marginal and cell line dependent role in mediating cell death caused by MCL-1 and BCL-XL co-repression.
Notably, A-1331852/S63845 co-treatment spared non-malignant fibroblasts, myoblasts and peripheral blood mononuclear cells, which suggests a therapeutic window for its application in vivo. Besides, we could demonstrate that sequential BH3 mimetic treatment still significantly induced cell death, albeit to minor extents compared to its dual administration. Importantly, we successfully evaluated concomitant treatment with A-1331852 and S63845 in multicellular RMS spheroids and in an in vivo embryonic chicken model of RMS. These findings stress the high transcriptional relevance of A-1331852/S63845 as an emerging novel cancer regimen.
Collectively, the thesis at hand explored the great potential of co-treatment with A-1331852 and S63845 in pediatric solid tumors and unveiled the underlying molecular mechanisms of cell death in RMS. Together, the current investigations support further preclinical and clinical studies to evaluate the effect of dual MCL-1 and BCL-XL targeting in pediatric solid tumors.
The small photoreceptor Photoactive Yellow Protein (PYP) enters a reversible photocycle after excitation with blue light. The intermediate states are formed on timescales ranging from femtoseconds to seconds including chromophore isomerization and protonation as well as large structural rearrangements. To obtain local dynamic information the vibrational label thiocyanate (SCN) can be inserted site-specifically at any desired position in the protein by cysteine mutation and cyanylation. The label's CN stretch vibration is highly sensitive to polarity, hydrogen bonding interactions and electric fields and is spectrally well separated from the overlapping protein absorptions. During the course of this thesis it was impressively demonstrated that the successful incorporation of the SCN label at selected positions in PYP provides a powerful tool to study structure changes and dynamics during the photocycle and enhance the local information that are obtained by infrared (IR) spectroscopic methods. Hence the SCN-labeled protein mutants were studied under equilibrium (steady-state) and non-equilibrium conditions.
Examination of the SCN absorption by FTIR spectroscopy showed the influence of various local environments on the label for different locations in the dark state. The response of the label under illumination with blue light reveals information about structural changes in the signaling state. Additional information for both states were obtained by the vibrational lifetime of the CN vibration measured via ultrafast IR-pump-IR-probe experiments. This observable is particularly sensitive for solvent exposure of the label. Time-resolved IR spectroscopy proved to be an excellent method to follow the protein dynamics throughout most part of the photocycle on a hundreds of femtoseconds to milliseconds timescale. By close inspection of protein and chromophore dynamics in wildtype-PYP over nine decades in time, new insights into the changes leading to the proposed photocycle intermediates were obtained. The investigation of the SCN label allowed to follow the different transient structure changes with high local resolution. Depending on its position within the protein the response of the label provided additional information on the photocycle transitions.
The insights that are obtained by the different observables in the steady-state and by the reaction of the SCN label to formation of the different intermediate states during the photocycle contribute to an improved understanding of local, light-induced structure changes in the photoreceptor PYP. This comprehensive study demonstrated the potential provided by the application of SCN as IR label for investigation of protein dynamics.
Hofstadter-Hubbard physics
(2020)
The Hofstadter model, besides the Haldane and Kane-Mele models, is the most common tight-binding model which hosts topologically nontrivial states of matter. In its time-reversal-symmetric formulation the model can even describe topological insulators. Experimentally, the Hofstadter model was realized with ultracold quantum gases in optical lattices which is a wellcontrolled way to engineer quantum states of tight-binding Hamiltonians. Another established control parameter in ultracold quantum gases are twoparticle, on-site interactions, also known as Hubbard interactions. This work aims at introducing the reader to the concepts of topological states of matter, a collection of corresponding tight-binding models, and the methodology to treat interacting topological states with dynamical mean-field theory.We present recent results for inhomogeneous, interacting systems, spinimbalanced magnetic systems, propose experimental detection methods, and extensions to three-dimensional topological states.
In der vorliegenden Untersuchung wurde das bovine, Hydroxylapatit-basierte, Knochenersatzmaterial Hypro-Oss® zunächst ex vivo überprüft, anschließend subkutan in den interskapulären Bereich von 12 weiblichen Wistar-Ratten (Testgruppe) eingebracht; bei 12 weiteren Tieren erfolgte eine Sham-Operation ohne Einbringung von Biomaterial (Kontrollgruppe). Anschließend wurde die Gewebereaktion über 30 Tage beobachtet und die Explantate jeweils nach Tag 3, 15 und 30 histologisch und histomorphometrisch untersucht.
Die histologische Analyse zeigte innerhalb des Beobachtungszeitraums von 30 Tagen eine störungsfreie Eingliederung der Hypro-Oss®-Granula in das umliegende Gewebe. Bereits 3 Tage nach Einbringung des Biomaterials waren mononukleäre Zellen erkennbar, die bis Tag 30 weiter zunahmen. Ab diesem Zeitpunkt zeigten sich auch TRAP-positive, CD-68-negative Multinukleäre Zellen, die das Ergebnis einer Fusion von Makrophagen sind und eine Fremdkörperreaktion indizierten. Nach 30 Tagen zeigten sich die Granula histologisch stabil integriert ohne Anzeichen einer immunologischen Abstoßungsreaktion.
Die CD-68-Expression der aufgefundenen Makrophagen und mehrkernigen Riesenzellen bildete ein Kriterium zur Unterscheidung der MNGCs von Osteoklasten, die ebenfalls mehrkernig sind, aber dieses Cluster of Differentiation nicht tragen. Dies charakterisiert die vorgefundenen MNGCs als Fremdkörper-Riesenzellen, da sie ebenso wie die pathologischen Riesenzellen vom Typ Langerhans CD-68 exprimieren.
Dieses Bild bestätigte sich für die Hypro-Oss®-Gruppe in der histomorphometrischen Betrachtung über eine kontinuierliche Zunahme von überwiegend CD-68-positiven Makrophagen bis zum Tag 30, während sie für die Kontrollgruppe über die gesamte Zeit rückläufig waren. Die Multinukleären Zellen erreichten dagegen bereits an Tag 15 ihren Höhepunkt, während in der Kontrollgruppe über den gesamten Beobachtungszeitraum erwartungsgemäß keine MNGCs gefunden wurden.
Der hoch signifikante Anstieg der MNGC-Zahl der Testgruppe bis Tag 15 korreliert positiv mit den Vaskularisationsdaten, was darauf hindeutet, dass die Multinukleären Zellen durch die Einbringung des Biomaterials induziert wurden und über die Sekretion des Signalmoleküls VEGF einen wesentlichen Faktor für die Blutgefäßbildung bilden.
Eine Auffälligkeit hat sich jedoch in Bezug auf das Alleinstellungsmerkmal von Hypro-Oss® gezeigt, welches bei der Aufreinigung nicht erhitzt wird. Diverse Studien haben einen Zusammenhang der Höhe der Sintertemperatur mit der Bildung von MNGCs nachgewiesen, wonach für Hypro-Oss® eine geringe Induzierung von MNGCs zu erwarten gewesen wäre als für vergleichbare, höher erhitzte bovine Knochenersatzmaterialien. Dagegen zeigten die Vaskularisationsdaten unserer Untersuchung für Hypro-Oss® im Vergleich zu 2 anderen bovinen Knochenersatzmaterialien (Bio-Oss® und BEGO OSS®) jedoch signifikant höhere Werte für die Blutgefäßbildung als dies aus der Korrelation von Sintertemperatur mit der Anzahl Multinukleärer Riesenzellen zu erwarten gewesen wäre.
Aufgrund der relativ kurzen Dauer der Beobachtung lassen sich keine belastbaren Ergebnisse in Bezug auf den zu erwartenden Materialabbau und die ossäre Integration von Hypro-Oss® feststellen, welche einer längerfristigen Analyse bedürften als es in dieser Untersuchung möglich war. Es gibt aber klinische Erfahrungsberichte23 hinsichtlich Handling, Heilungsverlauf und Materialintegration von Hypro-Oss® bei Sinusbodenelevation und Guided Bone Regeneration, die auch in der Langfristbetrachtung positive Ergebnisse zeigten. Offen bleibt, ob nicht eine physiologische Wundheilung nur mittels Makrophagen einer pathologischen Wundheilung unter Mitwirkung Multinukleärer Riesenzellen überlegen ist: zumindest robustere Knochenersatzmaterialien wie z.B. das hier untersuchte Hypro-Oss® scheinen dabei weniger sensibel auf Multinukleäre Riesenzellen zu reagieren.
Acute lymphoblastic leukemia (ALL), a neoplastic disorder of blood cells of the lymphoid lineage, is the most frequent childhood cancer. In spite of increasing survival rates, the outcome for adults, infants or relapsed patients is still less favorable, highlighting the need for novel treatment options. Reactive oxygen species (ROS) are important signaling molecules that are involved in a variety of cellular pathways. As high ROS levels lead to oxidative stress and irreversible oxidation of cellular macromolecules, the production and elimination of ROS is tightly controlled. Therefore, cells express several antioxidant molecules and enzymes, including glutathione, catalase and the thioredoxin (Trx) system, to balance ROS levels. As cancer cells were found to have increased ROS levels that could contribute to tumor progression and metastasis, they rely strongly on these antioxidant systems to prevent oxidative damage, making cancer cells especially vulnerable to ROS-inducing treatments. ROS and oxidative stress have been shown to induce programmed cell death via different pathways, however the exact mechanisms that couples oxidative signaling and cell death is not completely understood.
As a disturbance of the cellular redox homeostasis was reported during leukemia development and progression, we wanted to determine the potential of Trx inhibitors for ALL therapy. Additionally, we aimed to further understand the role of ROS and subsequent protein oxidation in the induction and execution of programmed cell death.
First, we demonstrated that the Trx1 inhibitor PX-12 induced cell death in three ALL cell lines. Further analysis of the events leading to PX-12-induced cell death in FADD-deficient (FD) Jurkat cells revealed an increase in ROS levels and oxidation-mediated dimer formation of peroxiredoxin 3 (PRDX3). Interestingly cell death was inhibited by the thiol-containing antioxidant N-acetylcysteine (NAC), but not by non-thiol-containing ROS scavengers. PX-12 treatment further induced cleavage of caspase-9 and -3 and activation of the pro-apoptotic BCL-2 protein BAK, leading us to the conclusion that mitochondria-dependent apoptosis was induced. Interestingly, we could demonstrate an important role for the BH3-only protein NOXA in the mediation of PX-12-induced apoptosis as knock-down of NOXA prevented cell death induction and BAK activation. Our findings give novel insights into the mechanism of PX-12-induced cell death in ALL cell lines and underscores the potential of PX-12 for the treatment of ALL.
To further understand the processes leading to cell death upon inhibition of the Trx system, we analyzed global protein oxidation in Jurkat FD cells upon treatment with the Trx reductase inhibitor Auranofin. In line with previous results, Auranofin induced intrinsic apoptosis that was dependent on BAK and accompanied by increased ROS levels. Using a BIAM Switch Assay followed by mass spectrometry, we demonstrated that Auranofin treatment induced oxidation of over 200 proteins. We identified several proteins whose oxidation upon Auranofin treatment was expected, like Trx1, Trx2 and several peroxiredoxins. Additionally, we verified oxidation of APAF1-interacting protein (APIP) and protein arginine N-methyltransferase (PRMT1) that are both implicated in the regulation of apoptosis. With this analysis we were able to demonstrate that Auranofin treatment leads to changes in global protein oxidation. Whether oxidation of the determined proteins changes their functionality and contributes to apoptosis induction remains to be elucidated.
As we identified BAK as an important player in PX-12- and Auranofin-induced cell death in the previous parts of this study, we wanted to further understand its involvement in ROS-mediated cell death. First analyses in wild-type (WT) and BAK-/- murine embryonic fibroblasts (MEFs) revealed that BAK was essential for Auranofin-induced cell death and that this cell death was caspase-independent in MEFs. Interestingly, BAK oxidation was induced upon treatment with Auranofin, but not upon stimulation with the apoptosis-inducing compound Etoposide. Expression of mutated BAK, with either one or both oxidation-sensitive cysteines mutated to oxidation-insensitive serines, revealed that mutating already one cysteine protected cells from Auranofin , but not Etoposide-induced cell death. Of note, mutation of the BAK BH3 domain rescued MEFs from both, Auranofin- and Etoposide-mediated cell death. The presence of cysteine residues also altered BAK interactions as observed by a mass spectrometric analysis of Auranofin-treated MEFs expressing either WT or cysteine-less BAK. We identified interactions of WT BAK with proteins involved in mitochondrial fission and vesicle transport upon Auranofin treatment. Of note, interaction with proteins involved in apoptosis, like BAX or BCL-XL, was not changed between WT and cysteine-less BAK. Our results demonstrate a critical role for BAK oxidation in Auranofin-induced cell death. Furthermore, we identified novel oxidation-dependent BAK interaction partners.
To conclude, this study highlights the potential of ROS-inducing treatments for ALL therapy and provides novel insights into the redox regulation of programmed cell death.
Aufgrund der starken Heterogenität und Komplexität der akuten myeloischen Leukämie ist diese bis heute nicht zufriedenstellend zu behandeln. Die bestmögliche Therapie wird mittlerweile zunehmend auf die Erkrankung des Einzelnen angepasst. Vermehrt gewinnen Tyrosinkinase-Inhibitoren in der Therapie an Bedeutung. Diese Inhibitoren hemmen Proteine auf zellulärer Ebene.
Bei etwa 30% der AML-Patienten lassen sich Mutationen des FLT3-Gens nachweisen. Das Gen kodiert für die fms like tyrosine kinase 3, eine Rezeptor-Tyrosinkinase an der Zelloberfläche von unreifen Blutzellen des Knochenmarks. Durch Mutationen des FLT3 Gens erhalten diese Zellen einen Proliferationsvorteil gegenüber den physiologischen Blutzellen.
Am häufigsten kommt es zu in frame-Insertionen des FLT3-Gens, vor allem im Bereich der juxtamembranen Domäne: sogenannte interne Tandemduplikationen (ITD). Weiterhin kommen zu einem geringeren Teil Punktmutationen einzelner Codons, zum Beispiel im Bereich des activation loops oder im Bereich des gatekeepers vor. Durch das Auftreten der Punktmutationen, die entweder bereits zum Zeitpunkt der Diagnose vorliegen oder erst während einer Therapie mit einem Tyrosinkinase-Inhibitor entstehen können, verändert sich das Bindungsverhalten vieler solcher gegen FLT3 gerichteten Inhibitoren. Durch Letzteres kann ein mögliches Therapieversagen beispielsweise während der Behandlung mit AC220 (Quizartinib) erklärt werden (Smith et al.).
In der vorliegenden Dissertationsschrift sind Unterschiede der Signalwege zwischen FLT3-ITD und FLT3-ITD mit der zusätzlichen gatekeeper-Punktmutation F691L herausgearbeitet. Dafür wurden die beiden FLT3-Mutationen in den Vektor pMy-IRES-GFP eingebracht und retroviral in Ba/F3-Zellen transduziert. Nach Überprüfung der Expression von FLT3 ITD und dem Wachstumsverhalten unter Zugabe von AC220 (Quizartinib), wurden verschiedene Signalkaskaden von FLT3 mittels Western Blot untersucht. Hierbei zeigten sich sowohl Unterschiede für die Expression von phosphoryliertem ERK als auch von phosphoryliertem STAT5.
Durch verschieden starke Expressionen der FLT3130kDa- und FLT3160kDA-Varianten wurde eine unterschiedliche Lokalisation von FLT3-ITD in Zellen mit und ohne die Mutation F691L postuliert. Allerdings ließ sich diese experimentell mittels Immunfluoreszenz nicht belegen, da die Methode für die verwendeten Suspensionszellen nicht ausreichend geeignet war.
In den durchgeführten Versuchen zum Wachstumsverhalten der Zellen bei der Verwendung von Kinaseinhibitoren konnte bei der Verwendung des SYK-Inhibitors R406 eine dosisabhängige Proliferationshemmung der FLT3-ITD-mutierten Ba/F3- und 32D-Zellen beobachtet werden. Die Hemmung von FLT3 durch R406 wurde in der Literatur bereits beschrieben (Braselmann et al.).
Die abschließenden Experimente der Massenspektrometrie mit SILAC Markierung lassen mit der Detektion von mehreren hundert signifikant regulierten phosphorylierten Proteinen in den beiden FLT3-ITD-exprimierenden Populationen auf die Aktivierung unterschiedlicher Signalwege schließen. Durch das Vergleichen einzelner Teilexperimente ergaben sich Proteine, deren Phosphorylierung mehrfach in die gleiche Richtung reguliert war. Für Zellen, die zusätzlich zur ITD-Mutation die Mutation F691L besaßen, konnten insgesamt sieben hoch-regulierte, phosphorylierte Proteine ermittelt werden, bei denen ein zellulärer Effekt durch die Phosphorylierung der entsprechenden Aminosäurereste in der Literatur beschrieben ist.
Das im Western Blot nachgewiesene, in Zellen mit der Mutation F691L stärker phosphorylierte STAT5 ist aller Voraussicht nach Ursache der nachgewiesenen verstärkten Phosphorylierung von RPS6 im Experiment der globalen Phosphorylierung. Die PIM-Kinasen als Substrate einer STAT5-induzierten Transkription phosphorylieren RPS6 an Serin 235. Dies führt seinerseits zu einer verstärkten Translation von mRNA weiterer Gene. Die genauen Zusammenhänge der hier ermittelten Unterschiede müssen jedoch weiter untersucht werden.
In Zukunft könnte zudem die Untersuchung der beiden Proteine SHP 1 oder HSP90 weitere Aufschlüsse über die unterschiedlichen Signalwege geben. Für beide Proteine wurden Phosphorylierungen detektiert, die in den untersuchten Zellen mit FLT3-ITD bzw. der zusätzlichen Punktmutation F691L unterschiedlich reguliert sind.
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.
Hintergrund. Die Achtung der individuellen Autonomie ist eines von vier medizinethischen Prinzipien, das im Kontext von Medizin und Forschung insbesondere in Bezug auf die informierte Einwilligung einer Person thematisiert wird. Menschen mit Demenz können aufgrund innerer oder äußerer Faktoren in ihrer Einwilligungsfähigkeit beeinträchtigt sein, was zu einer Einschränkung ihres Rechts auf Selbstbestimmung führen kann. Im diesbezüglichen Spannungsfeld zwischen Fürsorge und Autonomie soll Entscheidungsassistenz zur Ermöglichung selbstbestimmter Entscheidungen beitragen.
Zielrichtung der Arbeit. Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Definition, Implementierung und Evaluation von Entscheidungsassistenzmaßnahmen für Menschen mit Demenz, um deren Autonomie in Entscheidungsprozessen zu unterstützen. Drei Teilprojekte umfassen die Ermittlung des internationalen Forschungsstands zu Entscheidungsassistenz bei Demenz, die Definition und Pilotierung von Unterstützungstools in der Praxis und die Analyse des individuellen Erlebens der vereinfachten Aufklärungsgespräche durch Menschen mit Demenz.
Methode. Im ersten Teilprojekt wurde eine am PRISMA-Standard orientierte systematische Literaturrecherche in Medline und PsycINFO durchgeführt. Die extrahierten relevanten Informationen wurden inhaltlich systematisiert. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden im zweiten Teilprojekt konkrete Unterstützungstools definiert und in reale Aufklärungsgespräche (Lumbalpunktion) implementiert. Die Tools wurden in der Pilotierung in der Praxis sowie in einem iterativen Diskussionsprozess mit Experten weiterentwickelt. Im dritten Teilprojekt wurde das individuelle Erleben der Teilnehmer der vereinfachten Aufklärungsgespräche mittels problemzentrierter Interviews untersucht und die Daten einer qualitativen Inhaltsanalyse unterzogen.
Ergebnisse. Die Datenbankrecherche ergab initial 2348 Treffer. Nach Screenings der Titel, Abstracts und Volltexte konnten 11 Artikel eingeschlossen werden. Vier der eingeschlossenen Studien sind Interventionsstudien, die übrigen sieben qualitative Interviewstudien. Die identifizierten Unterstützungsmaßnahmen wurden zunächst den beiden Kategorien Interventionen und Strategien und anschließend unter Zuhilfenahme des Konzepts des Contextual Consents fünf komplexitätssteigernden Dimensionen einer Entscheidungssituation zugeordnet (individuelle, soziale, medizinische, informationelle und Folgendimension). Darauf aufbauend wurden im zweiten Teilprojekt acht Entscheidungsassistenzmaßnahmen abgeleitet: (1) Gesprächsstruktur, (2) Elaborierte klare Sprache, (3) Ambiente / Raumgestaltung, (4) Stichwortlisten, (5) Prioritätenkarten, (6) Visualisierung, (7) Vereinfachte schriftliche Einverständniserklärung sowie (8) Personenzentrierte Haltung des Entscheidungsassistenten (1-7: Tools, 8: Grundeinstellung). Die Tools zielen überwiegend auf eine Komplexitätsreduktion in der informationellen Dimension unter Berücksichtigung der fähigkeitsbezogenen und der bedürfnisbezogenen individuellen Dimension ab. Durch Anpassungen der Informationsdarbietung oder der kommunikativen Interaktion im Gespräch dienen sie mehrheitlich der Förderung des (Informations-) Verständnisses. Die Analyse der qualitativen Daten im dritten Teilprojekt zeigt, dass die Erfahrung der vereinfachten Aufklärungsgespräche durch drei übergreifende Themen gekennzeichnet ist. Die Kategorie Formalität versus Informationsgewinn illustriert die individuelle Bedeutung des Aufklärungsgesprächs für die Teilnehmer und deren Bewertung des Prozesses der informierten Einwilligung. Die Kategorie Wahrnehmung der Unterstützung skizziert die Bewertungen der angewandten Unterstützungstools durch die Teilnehmer. Die Kategorie Der Wahrheit ins Auge sehen müssen stellt dar, dass die erlebte Situation des vereinfachten Aufklärungsgesprächs wesentlich durch die Verdachtsdiagnose Demenz bestimmt ist, die im Rahmen aller Aufklärungsgespräche besprochen wurde.
Fazit. Bislang gibt es wenig empirische Forschung zu Entscheidungsassistenz für Menschen mit Demenz und Unterstützungsmaßnahmen werden überwiegend unsystematisch entwickelt und angewendet. Die Wirksamkeit einzelner Unterstützungsmaßnahmen kann aufgrund fehlender Interventionsstudien selten beurteilt werden. Unterstützungsmaßnahmen zielen überwiegend auf eine Komplexitätsreduktion in der Informationsdarbietung und im kommunikativen Interaktionsprozess ab, wobei sie kognitive Beeinträchtigungen und Interaktions-/ Entscheidungsbedürfnisse von Menschen mit Demenz berücksichtigen. Die definierten Tools können als erste konkret handhabbare Werkzeuge verstanden werden, die das strukturierte Leisten von Entscheidungsassistenz für Menschen mit Demenz erleichtern sollen. Sie sind übertragbar auf verschiedene Entscheidungssituationen. Eine Bewertung der Wirksamkeit der definierten Tools sollte in weiteren Entscheidungssituationen und mit größeren Stichproben weiteruntersucht werden. Die Ergebnisse der Evaluation liefern jedoch erste Hinweise darauf, dass einige Teilnehmer sich von einzelnen Tools unterstützt gefühlt haben und die anvisierte Komplexitätsreduktion in der informationellen Dimension in einigen Fällen erfolgreich war. Eine wesentliche Komplexitätssteigerung in der untersuchten Entscheidungssituation entstand durch die negative Emotionen auslösende Vermittlung einer potentiellen Demenzdiagnose (Folgendimension). Dieses Ergebnis impliziert, dass die definierte „verständnisfördernde Toolbox“ um Unterstützungsmaßnahmen zur emotionalen Entlastung von Menschen mit Demenz erweitert werden muss, da davon ausgegangen werden kann, dass vielfältige Entscheidungssituationen für Menschen mit Demenz emotional hoch belastend sind.
Hintergrund
Obwohl Feedback ein wichtiges und gut untersuchtes Element der medizinischen Ausbildung darstellt, wird es trotz eines großen Bedarfs der Studierenden sowohl im Unterricht als auch in Prüfungssituationen nur selten angewendet. Die Frankfurter Medizinstudierenden beklagen besonders, dass sie zu ihren Objective Structured Clinical Examinations (OSCEs) als Abschlussprüfung im Fach Chirurgie bisher kein detailliertes Feedback erhalten. Auch die Prüfenden beklagen häufig, dass sie die Studierenden weder für herausragende Leistungen loben noch über auftretende Fehler informieren können.
Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Erstellung und Implementierung eines strukturierten schriftlichen Feedbacks in eine bestehende OSCE-Prüfung im Fach Chirurgie, das an den Bedürfnissen sowohl der Studierenden als auch der Prüfenden orientiert ist.
Material und Methoden
Das Studiendesign war prospektiv. Im ersten Schritt wurde eine Befragung erfahrener OSCE-Prüfender durchgeführt, um zu erheben, welches Feedback sie gerne an Studierende weitergeben würden. Basierend hierauf wurde ein erster Feedbackbogen erstellt. Dieser umfasste neben vorformulierten Aussagen auch die Möglichkeit Freitextkommentare zu geben und wurde von den Prüfenden für jeden Studierenden in der Wechselzeit zwischen den OSCE-Stationen ausgefüllt. Die Feedbackbögen wurden anschließend eingescannt und per E- Mail an die Studierenden geschickt. Im Anschluss hieran erfolgte eine webbasierte Befragung der Studierenden und der OSCE-Prüfenden, sowie eine tiefergehende Befragung der Studierenden in Form von Fokusgruppen- Interviews.
Basierend auf den Ergebnissen der Umfragen und der Fokusgruppen wurden die Feedbackbögen nochmals grundlegend überarbeitet und im folgenden OSCE erneut angewendet. Die Zufriedenheit der Prüfenden und Studierenden wurde analog zur ersten Befragung erhoben.
Ergebnisse
Insgesamt nahmen 351 Studierende und 51 Prüfende in beiden OSCEs an der Studie teil. In der abschließenden Online-Evaluation gaben 87,5% der Studierenden und 91,6% der Prüfenden an, dass sie zustimmen oder eher zustimmen, dass das schriftliche Feedback in zukünftigen OSCE-Prüfungen weiterhin angewendet werden soll. Mehr als 50% der Studierenden gaben jedoch an, dass das Feedback noch nicht konkret genug sei.
Mehr als ein Viertel der Prüfenden gab an, dass das Ausfüllen der Feedbackbögen zeitlich herausfordernd sei. In allen Fokusgruppen wurde das schriftliche Feedback durch die Studierenden befürwortet.
Schlussfolgerung
Die Implementierung eines strukturierten schriftlichen Feedbacks in einen OSCE ist problemlos möglich. Das schriftliche Feedback wird sowohl von den Prüfenden als auch von den Studierenden als nützlich empfunden.
Analyse der Genauigkeit des neurochirurgischen Operationsroboters Robotic Surgery Assistant (ROSA)
(2020)
In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob der Roboter ROSA bei der Durchführung von intrakraniellen Biopsien oder Elektrodenimplantationen eine Alternative zur klassischen, rahmenbasierten Stereotaxie darstellt. Dazu sollte die mechanische und die Anwendungsgenauigkeit des Systems ermittelt werden. Zur Bestimmung der mechanischen Genauigkeit wurde eine experimentelle Phantomstudie durchgeführt. Hier wurden durch den Roboter wiederholt zehn Trajektorien an einem Stereotaxiephantom angefahren. Der Abstand der robotischen Nadel zum Zielpunkt im Phantom wurde anhand von Röntgenbildern bestimmt. Die Wiederholung des Versuchsaufbaus unter Variation der Planungsbildgebung erlaubte den Vergleich verschiedener Schichtdicken sowie zwischen low-dose und normal-dose Verfahren. Die Anwendungsgenauigkeit sollte durch die Analyse operativer Ergebnisse der ROSA erfasst werden. Dazu wurde anhand von postoperativen Bildern die Genauigkeit anhand des Abstands zwischen geplanter und tatsächlicher Lage von Stereoelektroenzephalographie-Elektroden ermittelt. Es wurden verschiedene Referenzierungstechniken, die der Orientierung des Roboters dienen und bei denen eine präoperative Planungsbildgebung (CT oder MRT) mit einem Abbild des OP-Gebietes (durch Oberflächenerkennung oder durch einen Stereotaxierahmen) referenziert wird, verglichen, nämlich CT-Laser; CT-Leksell-Rahmen und MRT-Laser. Die Ergebnisse wurden einer statistischen Analyse unterzogen. Dabei zeigte sich, dass der ROSA-Roboter eine sehr hohe mechanische Genauigkeit im Submillimeterbereich erreicht. Genauigkeitseinbußen bei einer größeren Schichtdicke der zur Planung verwendeten Computertomographie sind messbar, aber gering. Ein signifikanter Einfluss bei der Verwendung eines low-dose-Protokolls konnte nicht festgestellt werden. Dennoch zeigte sich, dass der entscheidende Teil der Ungenauigkeiten in der klinischen Anwendung entsteht und dabei insbesondere durch die Referenzierungstechnik bestimmt wird. Referenzierungen, die auf einer Computertomographie basierten, erwiesen sich als zufriedenstellend genau und als konkurrenzfähig zur konventionellen Methode. Der Unterschied zwischen dem rahmenbasierten und dem auf Oberflächenerkennung basierenden Verfahren war dabei so gering, dass letzteres sich angesichts seiner Vorteile in der Anwendung als besonders günstiges Verfahren hervortut. Im Gegensatz dazu stand das MRT-Laser-Verfahren, welches bei relativ hohen Abweichungen nur eingeschränkt anwendbar scheint und sich damit eher für Anwendungsbereiche mit geringeren Genauigkeitsanforderungen eignet, wie bspw. Biopsien. Weiterhin kann der Verlauf der Trajektorie an den höheren Sicherheitsabstand angepassten werden. Bei der Einordnung der ermittelten Genauigkeiten ist zu beachten, dass es viele weitere, von der Referenzierungs- und Bildgebungsmethode unabhängige Einflussfaktoren gibt. In dieser Arbeit war der Einfluss der erfassten externen Paramter zwar limitiert, bei anderen Autoren zeigte sich jedoch ein signifikanter Effekt. Dennoch deckt sich die Gesamtgenauigkeit mit den Ergebnissen anderer Arbeiten.
In Zusammenschau der Ergebnisse weist die vom ROSA-Assistenzsystem assistierte Stereotaxie eine verbesserte Prozessqualität auf, unter anderem durch die erhebliche Zeitersparnis, ggf. der Wegfall des Transports des narkotisierten Patienten, die Adaptionsmöglichkeiten der Prozessteilschritte an den Patienten, sowie eine hohe Nutzerfreundlichkeit. Entscheidend ist jedoch, dass es sich um ein sehr sicheres Verfahren handelt: Durch die hohe Genauigkeit wird das Operationsrisiko minimiert, gleichzeitig erlauben Laser-gestützte Registrierungsverfahren eine Reduktion der Strahlenexposition. Zur Konsolidierung der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse sind weitere klinische Daten notwendig.
Computational estimation is an important skill in everyday life as well as in educational contexts. In the last decades, research has found that children use several strategies in computational estimation and that children’s strategy use depends on different parameters. Still, little is known about the underlying cognitive processes. In the present work, we addressed this issue by investigating (1) the influence of individual differences in children’s executive functions on their strategy use and (2) the influence of varying specific task and problem characteristics that are discussed to involve different cognitive processes.
In four studies, we asked third and fourth graders to solve computational estimation tasks by rounding the summands. Study 1 addressed the influence of working memory updating. The study found that efficient updating contributed to children’s strategy use and moderated relations with problem characteristics. A deliberate feature of Study 1 was to restrict participants’ strategy choice to the rounding-down and rounding-up strategies. Study 2 in turn investigated children’s strategy use when mixed-rounding was allowed. Results indicated that children did not consider unit digits of both operands jointly. Also, no influence of executive functions could be found. Consequently, in Study 3, children’s strategy selection when they could choose between three versus only two strategies was contrasted and the role of working memory updating was investigated. Indeed, children chose the best available strategy more often when three strategies were available. Importantly, relative strategy selection performance differed with children’s updating capacities.
Finally, Study 4 addressed another task variation that is important in everyday life and educational contexts. That is, presentation duration and modality were varied. Data showed that a permanent, written format was most beneficial for children’s strategy use and that children’s updating moderated presentation effects.
In sum, the results of the present work could shed some light onto cognitive processes in children’s strategy use in computational estimation. Specifically working memory updating
seems to contribute to third and fourth graders strategy use. Interpreting interactions with different task variations, updating most likely influences associative processes, long term memory consolidation and retrieval as well as encoding and calculation processes.
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.