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Baleen whales (Mysticeti) are a clade of highly adapted carnivorous marine mammals that can reach extremely large body sizes and feature characteristic keratinaceous baleen plates used for obligate filter feeding. From a conservation perspective, nearly all baleen whale species were hunted extensively over a roughly 100 years lasting time period that depleted many of the respective whale stocks with so far unknown consequences for e.g. their molecular viability. From an evolutionary perspective, the lack of fossil records together with conflicting molecular patterns resulted in a still unclear and debated phylogeny of modern baleen whales, particularly in rorquals (Balaenopteridae). In this dissertation, I will demonstrate the application of baleen whale genomes to tackle these open questions by using modern approaches of conservation and evolutionary genomics.
Conservation genomic aspects of baleen whales were addressed in two projects, both using whole genome data of either an Icelandic fin whale (Balaenoptera physalus) population or multiple blue whale (Balaenoptera musculus) populations to evaluate the impact of the industrial whaling era on their molecular viability. The results suggest a substantial drop in effective population size of both species but also a lack of manifestation in genotypes of the fin whale population when compared to the blue whale populations. Especially the rare and short runs of homozygosity (ROH), usually indicative for inbreeding, suggest frequent outcrossing in fin whales while all analyzed blue whale populations featured long and frequent ROH. In addition to these analyses, genome data of blue whale populations was further used to evaluate if northern hemisphere blue whales diverged into different subspecies. Population genetic and gene flow analyses showed clearly separated and well isolated populations in accordance with their assumed geographical distance. In contrast, the genome-wide divergence between all blue whale populations was low compared to other cetacean populations and to the next closely related sei whale species. Because this includes the morphologically different and well recognized pygmy blue whale subspecies, a proposal was made to equally categorize the two northern-hemisphere blue whale populations as subspecies.
Evolutionary aspects were addressed in a third project, by constructing the genome of the pygmy right whale (Caperea marginata) and testing its potential in phylogenetics and cancer research. Phylogenomic analyses using fragments of a whole-genome alignment featuring nearly all extant baleen whales, allowed the revision of the complex evolutionary relationships of rorquals by quantifying and characterizing the amounts of conflicts in early diverging branches. These relationships were further used to identify phylogenetically independent pairs of baleen whales with a maximum of diverging body size differences to compare rates of positive selection between their genomes. The results suggest nearly evenly distributed frequencies of alternative topologies which supports the representation of the early divergence of rorquals as a hard polytomy with high amounts of introgression and incomplete lineage sorting. Within the set of available genomic data, three independent pairs of baleen whales with diverging body sizes were found and comparisons of positive selection rates resulted in many potentially body size and cancer related genes. The lack of conserved selection patterns, however, suggest a more convergent evolution of size and cancer resistance like previously discussed in paleontology.
In conclusion, the application of whole genome data using methods of conservation genetics allowed for a comprehensive estimation about the molecular viability of blue and fin whales as well as an assessment of the taxonomic status of northern-hemisphere blue whale populations. The rather different results between blue and fin whales underlines the importance of genomic monitoring of baleen whales because different species show rather different molecular consequences of their potentially varying depletions. Furthermore, as showcased for the northern-hemisphere blue whale, many important isolated populations of baleen whales may still be unknown to conservation management and genome-wide comparisons will most likely contribute to overcome this under-classification problem. The application of whole genome data in evolutionary research allowed the characterization of the complex patterns of molecular conflicts within baleen whales and especially rorquals that will contribute to the still rather unclear understanding of their evolution. The here found molecular support for the idea of convergent evolution of gigantism in whales will further guide the search for molecular patterns responsible for Peto’s paradox.
Precise intensity monitoring at CRYRING@ESR: on designing a Cryogenic Current Comparator for FAIR
(2023)
In the field of today’s beam intensity diagnostic there is a significant gap in the non-interceptive, calibrated measurement of the absolute intensity of continuous (unbunched) dc beams with current amplitudes below 1 μA. At the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) low-intensity DC beams will occur during slow extraction from the synchrotrons as well as for coasting beams of highly-charged or exotic nuclei in the storage rings. The lack of adequate beam instrumentation limits the experimental program as well as the accuracy of experimental results.
The Cryogenic Current Comparator (CCC) can close the diagnostic gap with a high-precision dc current reading independent of ion-species and of beam parameters. However, the established detector design based on a core with high magnetic permeability and on a radial shield geometry has well-known weaknesses concerning magnetic shielding efficiency and intrinsic current noise. To eliminate these weaknesses, a novel coreless CCC with a co-axial shield was constructed and combined with a high-performance SQUID contributed by the Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz-IPHT Jena). The new axial CCC model was compared to a radial CCC with the established design provided by the Friedrich-Schiller-University Jena. According to numerical simulations prepared at TU Darmstadt and test measurements of the detectors in the laboratory, the new design offered a significant improvement of the shielding factor – from 75dB to 207dB at the required dimensions – and eliminated all noise contributions from the core material, promising an improved current resolution. Although the lower inductance of the pickup coil reduced the coupling to the beam significantly, the noise properties of the new CCC type were comparable to the classical version with a high-permeability core. However, the expected decrease of the low-frequency noise and thus an increase of the current resolution could not be observed at this stage of development.
Consequently, the classical CCC based on the radial shielding and high-permeability core had to be installed in CRYRING@ESR to provide best possible intensity measurements for the upcoming experimental campaign. In CRYRING the CCC was operated with beam currents between 1nA and 20μA and with different ion species (H, Ne, O, Pb, U). It was shown that the CCC provides a noise-limited current resolution of better than 3.2 nArms at a bandwidth of 200 kHz as well as a noise level below 40 pA/√Hz above 1 kHz. During the operation, the main noise sources of the accelerator environment had to be identified and suitable mitigation strategies were developed. Temperature and pressure fluctuations were suppressed with a newly-designed cryogenic support system based on a 70 l helium bath cryostat, developed and built in collaboration with the Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden, in combination with a helium re-liquefier. The cryogenic operating time was restricted to around 7 days, which must be expanded significantly in the future. Digital filters were developed to remove the perturbations of the helium liquefier and of the neighboring dipole magnets. Given the promising results the CCC system can be considered as a prototype for future CCCs at FAIR.
Compaction and spheroid formation modulates stemness and differentiation of human pancreas organoids
(2023)
The incidence of diabetes type 1 (T1D) in children and young adults is increasing worldwide. T1D is well treated by insulin administration. However, there is currently no long-lasting cure for this ailment. The success rate of pancreatic islet transplantation to treat T1D is limited by the availability of patient-matched islets and the necessity of using life-long immunosuppressive medication. The difficulties caused by transplantation can be overcome by generating bio-engineered pancreatic islets from patient-derived progenitor cells. Aim of this thesis is to establish new strategies for the generation and analysis of pancreatic lineages derived from human progenitor cells. It reports on the optimization of a technique to form human pancreatic spheroids from hollow monolayered human pancreas organoids (hPOs) to investigate how cell-cell and cell-matrix interaction can be leveraged to induce endocrine differentiation of the pancreas progenitor cell organoids. We introduce cell aggregation protocols to generate endocrine pancreas cell lineages from ductal pancreatic cells. Next, we study the effect of co-culture with stromal and endothelial cells to promote cell differentiation toward a pancreatic fate enhancing β cells productivity.
This thesis has focused on identifying the differences in gene expression along with phenotypical transformation during differentiation of human pancreatic organoids (hPOs) towards human β cells to be used in the future of cellular therapeutics in treating T1D patients.
Gastroschisis und Omphalozele zählen zu den häufigsten angeborenen Bauchwanddefekten. Dabei wird zwischen einfacher (ohne sekundäre Darmveränderungen) und komplexer (mit sekundären Darmveränderungen) Gastroschisis unterschieden. Bei der Omphalozele ist es wichtig, ob eine Protrusion der Leber vorliegt. Die Therapie beider Fehlbildungen besteht aus der Reposition der Bauchorgane in den Bauchraum und einem operativen Bauchdeckenverschluss in den ersten Lebenstagen.
Daten zu Langzeitverläufen nach dem operativen Bauchdeckenverschluss, insbesondere in Hinblick auf gastrointestinale Komplikationen mit erneutem chirurgischen Interventionsbedarf, sind in der Literatur rar.
Ziel dieser Studie ist es daher, die Inzidenz und die Art von operativen Eingriffen nach dem Bauchdeckenverschluss bei Patienten mit einer Gastroschisis und einer Omphalozele nach einem Bauchdeckenverschluss am eigenen Patientenkollektiv zu untersuchen. Hierzu wurden die Akten aller Patienten mit Gastroschisis und Omphalozele, die in der Klinik für Kinderchirurgie und Kinderurologie des Universitätsklinikums Frankfurt von 2010 bis 2019 behandelt wurden, retrospektiv ausgewertet. Die Inzidenz von Operationen nach Bauchdeckenverschluss wurde anhand der mittleren kumulativen Ein-Jahres-Anzahl an Operationen pro Patienten und der kumulativen Ein-Jahres-Inzidenz der Operationen ermittelt.
Insgesamt wurden 61 Patienten identifiziert. Nach Ausschluss von vier Patienten (Krankenhausverlegung (ein Patient) und Versterben (drei Patienten)) konnten die Verläufe von 33 Patienten mit Gastroschisis (18 mit einfacher und 15 mit komplexer Gastroschisis) und 24 Patienten mit Omphalozele (je zwölf mit und ohne Leberprotrusion) ausgewertet werden.
Bei 23 Patienten mit Gastroschisis und bei 20 Patienten mit Omphalozele kam es innerhalb des ersten Jahres nach Bauchdeckenverschluss zu erneuten Operationen. Das Risiko sich einer erneuten Operation unterziehen zu müssen, war bei Patienten mit komplexer Gastroschisis signifikant höher als bei Patienten mit einfacher Gastroschisis (kumulative Ein-Jahres-Inzidenz: 64,3% vs. 24,4%; p= 0,05). Zwischen den beiden 6 Formen der Omphalozele bestand kein Unterschied in der Inzidenz chirurgischer Eingriffe. Im Median kam es bei Patienten mit Gastroschisis nach 84 Tagen und bei Patienten mit Omphalozele nach 114,5 Tagen zu einer erneuten Operation.
74% der Patienten mit Gastroschisis und 30% der Patienten mit Omphalozele wurden aufgrund einer gastrointestinalen Komplikation operiert. Die Patienten mit komplexer Gastroschisis hatten im Vergleich zu Patienten mit einfacher Gastroschisis ein signifikant erhöhtes Risiko für eine Operation zur Behandlung einer gastrointestinalen Komplikation (kumulative Ein-Jahres-Inzidenz 64,3% vs. 11,1%; p= 0,015). In Bezug auf die Anzahl der Operationen pro Patienten und Jahr hatten die Patienten mit komplexer Gastroschisis und Patienten mit Omphalozele und Leberprotrusion die meisten operativen Eingriffe (kumulative Ein-Jahres-Anzahl 1,664 und 1,417 vs. einfache Gastroschisis (0,326) und Omphalozele ohne Leberprotrusion (0,333)). Dieses Verhältnis spiegelt sich auch in der kumulativen Ein-Jahres-Anzahl an Operationen mit gastrointestinalen Indikationen wider (komplexe Gastroschisis: 1,462 Operationen; Omphalozele mit Leberprotrusion: 0,500 Operationen; einfache Gastroschisis: 0,111 Operationen; Omphalozele ohne Leberprotrusion: keine Operation)
Nach dem Bauchdeckenverschluss kam es zu zwei Todesfällen bei Patienten mit komplexer Gastroschisis und zu drei Todesfällen bei den Patienten mit Omphalozele und Leberprotrusion. Bei den beiden Patienten mit komplexer Gastroschisis lag eine gastrointestinale Ursache vor (Leberversagen, Dünndarmvolvulus). Die Patienten mit der Omphalozele verstarben aufgrund assoziierter kardialer und pulmonaler Erkrankungen. Die Daten zeigen, dass Patienten mit Gastroschisis und Omphalozele im ersten Lebensjahr nach dem Bauchdeckenverschluss ein hohes Risiko für weitere Operationen haben. Patienten mit komplexer Gastroschisis und mit einer Omphalozele und Leberprotrusion haben das größte Risiko für eine erneute Operation nach Bauchdeckenverschluss. Bei Patienten mit einfacher Gastroschisis und Omphalozele ohne Leberprotrusion ist dieses Risiko gering. Die Mehrzahl der Operationen erfolgt aufgrund von gastrointestinalen Ursachen. Nur bei Patienten mit komplexer Gastroschisis tragen gastrointestinale Komplikationen zu einer erhöhten Mortalitätsrate bei. Die Ergebnisse dieser Arbeit können für Aufklärungs- und Beratungsgespräche von Eltern von Kindern mit Gastroschisis und Omphalozele herangezogen werden.
N6-methyladenosine (m6A) is the most abundant and well understood modification in eukaryotic mRNA and was first identified in polyadenylated parts of the mRNA.The distinct distribution of m6A in the transcriptome with special enrichment in long internal exons, 39UTRs and around stop codons was uncovered by early biochemical work and later on antibody based sequencing techniques. The so called m6A writer, reader and eraser machinery is responsible for the dynamic and with that regulatory nature of the m6A modification. As m6A writer, the human N6-methyltransferase complex (MTC) cotranscriptionally methylates the central adenine within a RRACH (preferably GGACU) sequence context to form m6A in the nascent RNA chain.9–15 The catalytic core of the complex is formed by the two proteins METTL3 and METTL14, with the active site located in the methyltransferase domain (MTD) of METTL3.16–18 The DPPW motif near the methyl donor S-adenosylmethionine (SAM) binding site in this MTD was postulated to bind the target adenine during catalysis. Moreover, a positively charged groove in the METTL3-METTL14 interface, the C-terminal RGG domain in METTL14 and the zinc finger motifs in METTL3 were identified as important domains for RNA binding. However, to date there are no full-length or substrate-RNA-bound structures of the catalytic METTL3-METTL14 complex.
In addition, a set of accessory proteins assembles to the METTL3-METTL14 heterodimer to form the full MTC, mediated by WTAP that firmly binds to the N-terminal leader helix in METTL3.20 WTAP was shown to locate the whole complex to the nuclear speckles and can modulate m6A deposition to specific sites in the RNA. Moreover, WTAP acts as binding platform for other accessory proteins including VIRMA, RBM15, ZC3H13 and HAKAI that are mostly identified to mediate position specific methylation. For example, RBM15 was shown to mediates region-selective methylation in a WTAP dependent manner, directing specificity towards U-rich sequences.
The observed specificity of the methyltransferase complex to methylate only site specific DRACH sequenced is still poorly understood. Some possible modulators like the role of the accessory proteins are under investigation, however, the structural context of the RNA methylation sites or a structural preference of the complex have been mainly neglected so far. Moreover, the structural dynamics of this methylation process still remain elusive. This thesis contributes to the afore-mentioned aspects by analysis of the methylation process regarding RNA structure sensitivity with enzymatic activity assays and its dynamic nature by implementing a smFRET approach.
We hypothesized the target RNA secondary structure to be an additional important modulator of methylation efficiency, based on the RNA binding elements of the complex (positively charged binding groove, zinc finger domain, RGG domain) and the supposed target adenine binding in the active site. Here, we postulated the possibility for a flipped-out adenine to be of special relevance, which is closely related to the local stability of the target adenine containing structure. Moreover, efficient binding of the protein complex to the RNA should require the ability to anchor the RNA on both sides of the target sequence.
Neuroendokrine Tumoren (NET) sind eine seltene Krankheit mit einem breitgefächerten heterogenen Erscheinungsbild, wodurch sich die Diagnose der Tumoren aus einer Vielzahl aus Gründen häufig um Jahre verzögert (1). In dieser Arbeit analysierten wir einen großen Datensatz in einem tertiären Referenzzentrum (UKF) von 1984-2019, um die Symptomatik vor der Diagnose des Tumors sowie den Zeitraum von der Tumormanifestation bis zur Diagnose weiter zu klären. Für die deskriptiven Analysen kamen SPSS, Cox-Regression und Log-Rank-Test zur Anwendung.
Insgesamt schloss die retrospektive Studie 488 gastroenteropankreastische (GEP)-NET mit 486 Patienten ≥ 18 Jahren ein, wovon knapp mehr als die Hälfte männlich (52,9%) waren. Das mittlere Alter bei Erstdiagnose (ED) betrug 58 Jahre (477/486, 9 unbekannt). Die häufigsten Primärtumorlokalisationen stellten Pankreas (143/488 Patienten) und Dünndarm (145/488 Patienten) dar. Die Mehrheit der NET waren langsam wachsende G1-Tumoren mit einem Ki67 < 3% (155/330). Die Hälfte der Patienten entwickelten im Verlauf Fernmetastasen, wobei die meisten bereits bei der ED vorlagen und insbesondere die Leber als Metastasierungsorgan dominierte. Bei mehr als 60% der Patienten konnten Angaben zur klinischen Symptomatik vor der ED detektiert werden, wovon wiederum mehr als die Hälfte symptomatisch waren. 42% der symptomatischen Patienten zeigten NET-spezifische Symptome (Bauchschmerzen 77/128; 60,2%, Durchfall 51/128; 39,8%, Flush 19/128; 14,8%, Karzinoidsyndrom 8/128; 6,3% Tachykardie 6/128; 4,7%). In der primären bildgebenden Diagnostik dominierten konventionelle Bildgebungen wie Sonographie und Computertomographie (CT), wobei nuklearmedizinische Diagnostik eine Seltenheit darstellte. Mehr als 30% der Tumoren wurden als Zufallsbefunde im Rahmen einer bildgebenden Diagnostik oder Operation diagnostiziert. Die Mehrheit der Patienten stellte sich initial außerhalb unserer Klinik vor, nur etwa 15% wurden innerhalb unserer Klinik insbesondere in der Gastroenterologie vorstellig, wo der NET diagnostiziert wurde.
Die Phase von der Tumormanifestation bis zur ED aller NET betrug im Median 17 Tage. Das Vorhandensein von Fernmetastasen sowie Symptomen führte zu keiner signifikanten Kürzung der Phase und einer schnelleren ED des NET (Median 65,5 vs. 90 Tage, p = 0,4).
Large international airports were identified as sources of ultrafine particles (UFPs) (Hu et al., 2009; Yu et al., 2012; Hsu et al., 2013; Keuken et al., 2015; Hudda and Fruin, 2016). Since September 2017 UFP emissions originating from the Frankfurt International Airport, Germany are monitored by the Hessian Agency for Nature Conservation, Environment and Geology (HLNUG) showing elevated UFP concentrations during airport operating hours (05:00–23:00 CET) (Ditas et al., 2022). Referring to that, the organic chemical composition of aviation-related UFPs emerging from the Frankfurt Airport was analysed by performing a comprehensive non-target screening of UFP filter samples.
Aluminium-filter samples were collected at an air quality monitoring station 4 km north of the Frankfurt Airport, using a 13-stage impactor system (Nano-MOUDI). The chemical
characterization of UFPs in the size range of 10-18 nm, 18-32 nm and 32-56 nm was accomplished by ultra-high-performance liquid chromatography, heated electrospray ionisation and mass analysis using an Orbitrap high-resolution mass spectrometer. Non-target screening revealed that the majority of detected compounds belong to homologous series of two different types of organic esters, which are base stocks of aircraft lubrication oils.
In reference to five different jet engine lubrication oils of various manufacturers, the corresponding lubricant base stocks and their additives, two amines and one organophosphate, were identified in the UFPs by the use of matching retention time, exact mass and MS/MS fragmentation pattern of single organic molecules. The quantitative analysis of the jet engine oil constituents in the aviation-related UFPs with diameters < 56 nm was accomplished by standard addition. By characterizing the Nano-MOUDI, loss factors for each size stage were determined and used for correction accordingly. Particle-number size distribution measurements, conducted parallel to the filter sampling, enabled the determination of the jet engine oil contribution to the UFP mass.
Furthermore, the nucleation and particle formation potential of a commonly used synthetic jet engine lubrication oil was investigated in the laboratory. Thermodenuder experiments at 20 °C and 300 °C were carried out to monitor the gas-to-particle partitioning behaviour of jet engine oils. At 300 °C a significantly higher number of particles with a mean diameter of ~10 nm are formed, leading to a more than fivefold increase in total particle numbers compared to 20 °C. Particle diameters of the newly formed oil particles in the laboratory experiment appeared in the same size region as UFPs emerging from Frankfurt Airport. Particles originating from the Frankfurt city centre direction showed larger diameters.
Results indicate that aircraft emissions strongly influence the total mass of 10-18 nm particles. The jet oil fraction decreases for bigger particles (e.g., 18-56 nm), implying that these oils form new particles in the cooling exhaust gases of aircraft engines. In addition, non-target screening and in vitro bioassays on aviation-related PM2.5 filter samples were combined to provide indications for potential toxicologically relevant compounds in dependence of different wind directions and airport operations. Most recently, the applied non-target screening method was also used to identify seasonal variations in the organic aerosol composition in Beijing.
The production of ribosomes is a complicated multistep, that is susceptible to changes occurring within the cell and its environment. The process itself requires many proteins, known as ribosome biogenesis factors (RBFs) and many non-coding RNAs like the small nucleolar RNAs (snoRNAs). While RBFs are required for the accurate processing of the pre-rRNA into mature rRNAs, the snoRNAs act to coordinate and guide enzymes for post-transcriptional modifications, chiefly 2´-O-ribose methylation and pseudouridylation. While ribosome biogenesis is mostly described in human and yeast model eucaryotes, similar detailed studies in the model plant Arabidopsis thaliana are far less explored and understood. Furthermore, for many experimentally confirmed modification sites the according snoRNAs and for many pre-rRNA processing steps the responsible RBFs are missing. Therefore, it is expected that a high number of snoRNAs and RBFs are not identified till yet. For this reason, RNA-deep sequencing was performed in order to identify novel snoRNAs and MS analysis data of nucleoli and nuclei of A. thaliana from a former PhD student were used in order to find new proteins involved in pre-rRNA processing.
In here, it is shown that with RNA deep-sequencing still new snoRNAs and snRNAs can be identified and that detection of predicted snoRNAs can be fulfilled with a) antisense oligonucleotides tagged with fluorescence dyes and b) with radioactive labeled antisense probes. Furthermore, a secondary structure map of the 60S and 40S subunit highlighting the predicted and moreover verified modification sites in 5.8S, 25S and 18S rRNA was created. Especially, the correlation between the modification sites and the guiding snoRNA is highlighted further shedding light on overview about current pre-rRNA modification sites and corresponding guiding snoRNAs. The next chapter reveals the complex and multi-layered existence of the 5.8S rRNA and its numerous precursors. The mutant prp24 (also known as seap1) encoding AtPRP24, is recognized as factor being important for splicing as it is promoting the recruitment of the U4 and U6 snRNAs to the spliceosome. In here, it was found that AtPRP24 is involved in processing of 5.8S rRNA precursors, recognizable by precursors that are over accumulating in the mutant. Moreover, it could be shown for the first time that the plant-specific precursor 5´-5.8S is exported to the cytoplasm, where final cleavage steps of 5.8S rRNA takes place. In the prp24.2 mutant, this precursor is exported at an increased rate to the cytoplasm, where it can be detected in the actively translating ribosomes (polysomes). A lower sensitivity of the mutant seeds to cycloheximide (CHX) suggests that due to the extension at the 5´-end of 5.8S, the structure of the 60S subunit has altered CHX binding. In conclusion, this work highlights the importance and complexity of 5.8S rRNA and its precursors for ribosome biogenesis and displays new insights into pre-rRNA processing in A. thaliana.
The formation of aliphatic α-amino acids by X-ray induced carboxylation of simple amines or amination of simple carboxylic acids is not favored over the formation of other amino acids. The new carboxylic and amino groups are more or less distributed statistically over the carbon atoms of the starting material. On radiationchemical formation of aliphatic hydrocarbons over C3, therefore, an increasing amount of unusual amino acids is produced. The results are influenced by various parameters such as temperature, pH, concentration, linear energy transfer and total dosis of radiation applied. Also peptides can be formed radiationchemically. However, the formation of greater molecules by radiationchemical processes under the conditions of a primitive earth seems to have only a low probability. The reaction mechanisms of radiationchemical carboxylation and amination are discussed.
Xylose, an abundant sugar fraction of lignocellulosic biomass, is a five-carbon skeleton molecule. Since decades, utilization of this sugar has gained much attention and has been in particular focus as a substrate for production of biofuels like ethanol by microbial hosts, including Saccharomyces cerevisiae. In this yeast, xylose is naturally not used as a carbon source, but its utilization could be achieved by metabolic engineering either via the oxidoreductive route or through the isomerase pathway. Both pathways share xylulose as a common intermediate that must be phosphorylated before entering the endogenous metabolism via the non-oxidative pentose phosphate pathway (noxPPP). Besides this, in some bacteria a non-phosphorylating oxidative pathway for xylose degradation exists, known as Weimberg pathway, where a molecule of xylose is converted by a series of enzymes - xylose dehydrogenase (XylB), xylonate dehydratase (XylD), 3-keto-2-deoxy-xylonate dehydratase (XylX) and α-ketoglutarate semialdehyde dehydrogenase (KsaD) - to form α-ketoglutarate (AKG). Besides having several useful properties as a product, AKG could also be used for cell growth as an intermediate of the tricarboxylic acid (TCA) cycle. One target of the present study is to establish a functional Weimberg pathway in S. cerevisiae. Previous studies have shown that this task is not trivial, for instance due to the toxicity of xylonate (the first metabolite of the pathway) and the involvement of an iron-sulfur cluster dependent enzyme, the D-xylonate dehydratase. The assembly of iron-sulfur clusters on a heterologous protein in yeast is known to be challenging.
To establish the Weimberg pathway in yeast, the genes xylB, xylD, and xylX were obtained from Caulobacter cresentus and ksaD was from Corynebacterium glutamicum. In a variant, the dehydratase xylD was replaced with orf41 from Arthrobacter nicotinovorans, which is believed to be independent of iron-sulfur clusters. Growth of yeast cells on xylose as a sole carbon source was expected as an indicator of a functional Weimberg pathway. However, the heterologous expression of the codon optimized genes was not sufficient to reach this goal. Due to the complexity of the interactions of the heterologous pathway with the endogenous cellular processes, it was assumed that potential limitations could be overcome by adaptive laboratory evolution, using xylose as a sole source of carbon. Increasing selection pressure was applied on a strain with Weimberg pathway genes integrated into the genome over several generations. As a variant of the evolutionary engineering approach, mutator strains were generated. For this, RAD27 and MSH2 genes were deleted, which are involved in nucleotide excision and mismatch repair mechanisms, respectively. Some of the resulting strains PRY24, PRY25, PRY27 and PRY28 were able grow in xylose as a sole carbon source after evolutionary engineering. As a control, a non-mutator strain PRY19 was also included. Strikingly, only the mutator strains were able to consume xylose as a sole carbon source, which shows the feasibility of the approach.
In addition to the mutator strain strategy, a further approach employed in the present study was the simultaneous expression of the Weimberg pathway in the cytosol and mitochondria. This was based on the reasoning that the iron-sulfur cluster biogenesis on XylD may be improved in the organelle and that the AKG is an intermediate of the TCA cycle. In the strain AHY02, all enzymes of the pathway were tagged with mitochondrial targeting signals in addition to a full cytosolically localized pathway. The localization of the mitochondrial variants was confirmed by fluorescence microscopy. Together with AHY02, CEN.PK2-1C wild type strain was also included as a control for evolution. When a selection pressure on xylose was applied, both strains - AHY02 and CEN.PK2-1C - were able to grow in the course of evolution. Deletion of the xylulokinase (XKS1) gene was found to be detrimental for both evolved strains in xylose-containing media. This suggests that the evolution of the endogenous oxidoreductive and noxPPP genes is responsible for growth of the evolved cells. For the evolved strain AHY02, it could also be possible that the Weimberg pathway genes supported to growth in addition to the oxidoreductive route. To elucidate the underlying molecular mechanisms, genome sequencing and reverse engineering approaches would be necessary in future.
In addition to screening for growth on xylose as a sole carbon source, a less stringent screening system was created to examine even a minor flux of xylose towards AKG. For this, all genes necessary for conversion of isocitrate to AKG where deleted, yielding a glutamate auxotrophic strain. In this system, the cells can grow on other carbon sources, whereas xylose is only provided as a source of AKG for the synthesis of glutamate...
This thesis deals with several aspects of non-perturbative calculations in low-dimensional quantum field theories. It is split into two main parts:
The first part focuses on method development and testing. Using exactly integrable QFTs in zero spacetime dimensions as toy models, the need for non-perturbative methods in QFT is demonstrated. In particular, we focus on the functional renormalization group (FRG) as a non-perturbative exact method and present a novel fluid-dynamic reformulation of certain FRG flow equations. This framework and the application of numerical schemes from the field of computational fluid dynamics (CFD) to the FRG is tested and benchmarked against exact results for correlation functions. We also draw several conclusions for the qualitative understanding and interpretation of renormalization group (RG) flows from this fluid-dynamic reformulation and discuss the generalization of our findings to realistic higher-dimensional QFTs.
The topics discussed in the second part are also manifold. In general, the second part of this thesis deals with the Gross-Neveu (GN) model, which is a prototype of a relativistic QFT. Even though being a model in two spacetime dimensions, it shares many features of realistic models and theories for high-energy particle physics, but also emerges as a limiting case from systems in solid state physics. Especially, it is interesting to study the model at non-vanishing temperatures and densities, thus, its thermodynamic properties and phase structure.
First, we use this model to test and apply our findings of the first part of this thesis in a realistic environment. We analyze how the fluid-dynamic aspects of the FRG realize themselves in the RG flow of a full-fledged QFT and how we profit from this numeric framework in actual calculations. Thereby, however, we also aim at answering a long-standing question: Is there still symmetry breaking and condensation at non-zero temperatures in the GN model, if one relaxes the commonly used approximation of an infinite number of fermion species and works with a finite number of fermions? In short: Is matter (in the GN model) in a single spatial dimension at non-zero temperature always gas-like?
In general, we also use the GN model to learn about the correct description of QFTs at non-zero temperatures and densities. This is of utmost relevance for model calculations in low-energy quan- tum chromodynamics (QCD) or other QFTs in medium and we draw several conclusions for the requirements for stable calculations at non-zero chemical potential.
Identification of new natural products from nematode-associated bacteria using mass spectrometry
(2023)
This work aims to find unknown natural products produced by bacteria, that live in close association with nematodes and to elucidate their structure by using mass spectrometry.
The first chapter of this work is dedicated to the detection of hitherto unknown natural products by using a metabolomics approach and subsequent structure elucidation of said compounds. This chapter includes metabolomics analysis of Xenorhabdus szentirmaii wild type and knockout mutants, overproduction of the target compound, identification of derivatives from other strains and MS based structure elucidation.
The second and third chapters are about natural products that protect C. elegans from B. thuringiensis infections.
The second chapter deals with natural products that protect the nematode host without killing the pathogen. I deployed molecular biology methods to generate deletion and overproduction strains of a target compound, identified it via LC-MS/MS analysis and used LC-MS/MS and lipidomics to analyse the chemical properties of the active compound.
The third chapter aims at finding natural products, which are produced by Pseudomonas strains MYb11 and MYb12, respectively. These natural products display the ability to protect C. elegans by killing B. thuringiensis. I identified said compounds via fractionation and subsequent bioactivity testing. After identification, I generated production strains of the target compounds and elucidated the structure of the bioactive derivative.
The last chapter deals with the structure elucidation of peptides produced by an unusual GameXPeptide synthetase in Xenorhabdus miraniensis. I analysed producer strains of GameXPeptides using LC-MS and elucidated the structural differences between the known GameXPeptides, produced by P. luminescens TT01, and the unusual ones produced by X. miraniensis.
Investigation of the kinematics involved in compton scattering and hard X-ray photoabsorption
(2023)
The present work investigates the kinematics of Compton scattering at gaseous, internally-cool helium and molecular nitrogen targets in the high- and the low-energy regime. Additionally, photoionization at molecular nitrogen with high-energy photons is investigated. These exeprimental regimes were previously inaccessible due to the extremely small cross sections involved. Nowadays, the third- and fourth-generation synchrotron machines produce sufficient photon flux, enabling the investiagtion of the above processes. The utilized cold-target recoil-ion momentum spectroscopy (COLTRIMS) technique further increases the detection efficiency of the observed processes, since it enables full-solid-angle detection by exploiting momentum conservation.
Compton scattering is investigated at both high (helium and N2) and low (helium) photon energies. In the high-energy regime, the impulse approximation is mostly valid, which is not the case for the low-energy regime. The impulse approximation assumes that the Compton-scattering process takes place at a free electron with a momentum distribution as if it was bound, thus ignoring the binding energy of the system. In the low-energy regime, the impulse approximation is not valid.
Photoionization is investigated at high photon energies, where the linear momentum of the photon cannot be neglected, as is the fashion of the commonly used dipole approximation.
Die vorliegende Dissertation mit dem Titel “Structural dynamics of eukaryotic H/ACA RNPs from Saccharomyces cerevisiae & Structural dynamics of the Guanidine-II riboswitch from Escherichia coli” besteht aus zwei Projekten. Das erste Projekt befasst sich mit den eukaryotischen H/ACA Ribonukleoproteinen (RNP) aus der Hefe. Diese können sequenzspezifisch in der RNA ein Uridin Nukleotid in das Rotationsisomer Pseudouridin (Ψ) umwandeln. Die H/ACA RNPs bestehen aus einer Leit-RNA und vier Proteinen, der katalytisch aktiven Pseudouridylase Cbf5, Nhp2, Gar1 und Nop10. Die Leit-RNA besteht in Eukaryoten konserviert aus zwei Haarnadelstrukturen, die von einem H-Box oder ACA-Box Sequenzmotiv gefolgt sind. In jeder dieser Haarnadeln befindet sich ein ungepaarter Bereich, die sogenannte Pseudouridylierungstasche, wo durch komplementäre Basenpaarung die Ziel-RNA gebunden wird. Fehlerhafte H/ACA RNPs können beim Menschen zu schweren Krankheiten wie verschiedenen Krebsarten oder dem Knochenmarksversagen Dyskeratosis congenita führen, aber sie bieten auch Möglichkeiten zum Einsatz als Therapiemethode. In dieser Arbeit wurde hauptsächlich der zweiteilige Aufbau der H/ACA RNPs untersucht.
Dafür wurden zunächst die einzelnen Komponenten hergestellt werden. Cbf5, Nop10 und Gar1 wurden zusammen heterolog in E. coli exprimiert und gereinigt. Außerdem wurden mehrere Deletionsvarianten von Gar1 hergestellt. Zusätzlich wurde die Leit-RNA unmarkiert über T7 Transkription synthetisiert, sowie sechs verschiedene FRET-Konstrukte mit verschiedenen Markierungschemas der Fluorophore Cy3 und Cy5 über DNA-geschiente Ligation. Anschließend wurde über Größenausschlusschromatographie und radioaktiven Aktivitätsassays geprüft, dass sich die aktiven H/ACA RNPs in vitro aus den einzelnen Komponenten rekonstituieren lassen.
In smFRET Experimenten wurden einzelne Haarnadelstrukturen mit dem zweiteiligen Komplexen verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die H3 Haarnadel durch die Anwesenheit von H5 dynamischer und heterogener wurde, während H5 überwiegend unbeeinflusst war. Außerdem konnte die dreidimensionale Orientierung der Haarnadelstrukturen in verschiedenen Assemblierungsschritten mittels smFRET untersucht werden. Hier deutete sich an, dass in Abwesenheit von Proteinen beide Haarnadeln eher entgegengesetzt stehen als in einer parallelen Konformation. Cbf5 scheint den Linker zwischen den Beiden auszustrecken bzw. zu orientieren und die Haarnadelstrukturen etwas gegeneinander zu neigen. Ein Zusammenspiel von Nhp2 und Gar1 war nötig um die oberen Bereiche der Haarnadeln zusammenzuziehen. Es konnte auch ein Modell für den vollen H/ACA RNP vorgeschlagen werden. Im kompletten Komplex könnte das Zusammenziehen der Haarnadelstrukturen durch Nhp2 und Gar1 mit dem Effekt von Cbf5 konkurrieren und könnte hauptsächlich den oberen Bereich von H3 betreffen. Zum Schluss wurde das Zusammenspiel von Gar1 und Nhp2 auf eine Abhängigkeit von den RGG Domänen von Gar1 hin untersucht. Hier besteht möglicherweise eine Hierarchie, die eine Kooperativität von den N- und C-terminalen Domänen benötigt.
Das zweite Projekt befasst sich mit dem Guanidin-II Riboschalter aus E. coli. Der Riboschalter kann das toxische Molekül Guanidinium (Gdm+) spezifisch in seiner Aptamerdomäne binden und dadurch die Genexpression von Proteinen zur Detoxifizierung von Gdm+ aktivieren. Der Riboschalter besteht aus zwei Haarnadelstrukturen, mit einer Schleife, die aus der Sequenz ACGR besteht, wobei R ein Purin ist. In einem vorgeschlagenen Modell soll die Ribosomenbindestelle (Shine-Dalgarno Sequenz) in Abwesenheit von Ligand mit dem Linker komplementär Basenpaaren und so die Translation verhindern. Mit Ligand würde sich dann eine Schleifen-Schleifen Interaktion mit den beiden CG Basen ausbilden, wodurch die Anti-Shine-Dalgarno Sequenz nicht mehr zugänglich wäre. Bisherige Studien arbeiteten zumeist nur mit der Aptamerdomäne, den einzelnen Haarnadeln oder noch kleineren Elementen. In dieser Arbeit wurden die Strukturdynamiken von verschiedenen Längen, auch mit der Expressionsplatform, untersucht. Außerdem wurden verschiedene Mutationen analysiert und die Effekte auf den Riboschalter in seiner natürlichen Umgebung in E. coli.
Zunächst mussten insgesamt 24 FRET-Konstrukte hergestellt werden, die sich in Länge, Markierungsschema und Mutationen unterschieden. Hierfür wurde DNA-geschiente Ligation verwendet. Dank der verschiedenen Fluorophorpositionen konnte ein konformationelles Modell für die Aptamerdomäne vorgeschlagen werden. In diesem Modell könnte in Abwesenheit von Ionen das Aptamer offen vorliegen. Durch Mg2+ würde sich bereits eine lockere Schleifen-Schleifen Interaktion ausbilden. Zusätzlich deuten die Ergebnisse auf eine neue Konformation hin, der stabilisierten Schleifen-Schleifen Interaktion, bei der der Linker zusätzlich mit den Haarnadelstrukturen interagiert, beispielswese mit den Purinen an der vierten Schleifenposition...
Adhesion to host cells is the first and most crucial step in infections with pathogenic Gram negative bacteria and is often mediated by trimeric autotransporter adhesins (TAAs). TAA-producing bacteria are the causative agent of many human diseases and TAA targeted anti-adhesive compounds might counteract such bacterial infections. The modularly structured Bartonella adhesin A (BadA) is one of the best characterised TAAs and serves as an attractive adhesin to study the domain-function relationship of TAAs during infection. BadA is a major virulence factor of B. henselae and is essential for the initial attachment to host cells via adhesion to extracellular matrix proteins. B. henselae is the causative agent of cat scratch disease and adheres to fibronectin using its long BadA fibres. The life cycle of this pathogen, with alternating host conditions, drives evolutionary and host-specific adaptations.
Human, feline, and laboratory adapted B. henselae isolates display genomic and phenotypic differences. By analysing the genomes of eight B. henselae strains using long-read sequencing, a variable genomic badA island with a diversified and highly repetitive badA gene flanked by badA pseudogenes was identified. Moreover, numerous conserved flanking genes were characterised, however, their influence on the regulation of badA expression and modification remains to be explored. It seems that B. henselae G 5436 is the evolutionary ancestor of the other B. henselae strains analysed in this work. The diversity of the badA island among the B. henselae strains indicates that the downstream badA-like domain region might be used as a ‘toolbox’ for rearrangements in the badA gene. Overall, it is suggested that badA-domain duplications, insertions, and/or deletions are the result of active phase variation via site-specific recombination and contribute to rapid host adaptation in the scope of pathogenicity, immune evasion, and/or enhanced long-term colonisation.
The model strain B. henselae Marseille expresses a badA gene that includes 30 repetitive neck/stalk domains, each consisting of several predicted structural motifs. To further elucidate the motif sequences that mediate fibronectin binding, various modified badA constructs were generated. Their ability to bind fibronectin was assessed via whole-cell ELISA and fluorescence microscopy. In conclusion, it is suggested that BadA adheres to fibronectin in a cumulative fashion with quick saturation via unpaired β-strands appearing in structural motifs present in BadA neck/stalk domains 19, 27, and other homologous domains. Furthermore, antibodies targeting a 15-mer amino acid sequence in the DALL motif of BadA neck/stalk domain 27 were able to reduce fibronectin binding of the B. henselae mutant strain S27. Moreover, this DALL motif sequence is conserved in the genome of all analysed B. henselae strains. The identification of common binding motifs between BadA and fibronectin supports the development of new anti-adhesive compounds that might inhibit the initial adherence of B. henselae and other TAA-producing pathogens during infection.
This thesis is focusing on the impact of Paratethys and Mediterranean water bodies over the Eurasian climate and the interplay between climate, tectonics and biosphere during the late Miocene. This target was the interval between 12.7 and 7.65 Ma for Paratethys, following the Eastern Paratethys restriction and isolation, and 7.2−6.5 Ma (the early Messinian) in Mediterranean, zooming on the effects of gateway restrictions over the eastern Mediterranean and the new born Aegean domain. In both cases restriction is overlapping with large scale climatic changes and tectonic reconfiguration, leading a sort of symbiotic relationship.
Paratethys was a giant epicontinental sea that covered a large part of Eurasia since Paleogene. Due to the Eurasia-Afro-Arabia collision and formation of the Alpine-Himalayan belt (Rögl, 1999; Popov et al., 2006), the Paratethys was divided during the late Miocene in smaller basins that in time were isolated of each other. The protracted isolation and intense continentalisation of paratethyan realm led to changes in humidity distribution, basin connectivity, sediment sources and salinity. These changes had in turn major consequences over water circulation, water availability, vegetation cover and biota. These changes are more intense after 11.6 Ma, when the Eastern Paratethys lost any sustained marine connection, evolving into an enclosed system with endemic fauna (Harzhauser and Piller, 2007).
Mediterranean Sea is a Mezozoic oceanic relic squeezed between Africa, Europe, Anatolia and Arabia, as Africa continued to subduct beneath the European plate. As opposed to Paratethys, it maintained the open connection with the ocean until Messinian, when the two Atlantic gateways (Betic and Rifian corridors) closed for a short time, isolating the basin. The cut off resulted in a dramatic drop down and onset of evaporitic precipitation in marginal basins, the event receiving the name of Messinian Salinity Crisis (5.97−5.55). The restriction affected all marine ecosystems, due to changes in salinity and stratification of water column.
The main objectives of this thesis were:
(1) build valid paleo-temperatures records for both basins based on biomarkers;
(2) reconstruct the hydrology for the late Miocene time interval;
(3) identify vegetation composition and changes;
(4) identify paleo-fires in the late Miocene sediment records;
(5) identify the biotic response to the overall climate and tectonic changes.
All the above objectives were attained with results published in specific journals (Chapters 5−7).
Based on Panagia section (Taman Peninsula, Russia) the longest Paratethys temperature record was completed (~5 Myr), covering the interval between 12.7 and 7.65 Ma. A comprehensive SST and MAT records was obtained, as well as soil pH and carbon (δ13C) and hydrogen (δ2H) stable isotopic compositions on n-alkanes and alkenones. The main findings are concentrated around three prolonged periods with severe droughts affecting the late Miocene circum-Paratethys region peaking at 9.65, 9.4 and 7.9 Ma, associated with a transition towards open land vegetation, intensification of fire activity and enhanced evaporation and aridity.
The time intervals with dryer conditions recorded in Panagia coincide with periods of mammal turnover and dispersal in Eurasia indicating that major environmental changes occurred in the circum-Paratethys region and Paratethys fragmentation had a great impact on the terrestrial ecosystems, when periods of prolonged droughts generated biotic crises and animal displacements across the Eurasian continent. The δ13CC29n-alkane values and charcoal morphologies from Panagia indicate an increased contribution of C4 plants adapted to drier conditions at 9.66 Ma. Similarly high δ13CC29n-alkane values continue until 9.4 Ma, when in Western Europe increased seasonality accelerated the demise of the evergreen subtropical woodlands and expansion of grasslands from Anatolia and Middle East to Europe.
As a result of basin fragmentation and climatic stress, the Eastern Paratethys sub-basins progressively lost their marine properties and turned into brackish-fresh water bodies fed primarily by riverine input. The shallower areas became in time emerged, obstructing connections and isolating the biota, inducing rapid adjusting or extinctions. Thus, the Paratethys harbored a highly endemic fauna (Rögl, 1999), such as dwarf whales, dolphins, seals (among mammals), as well as fish and other taxa (mollusks, ostracods, diatoms, foraminifera, algae, etc.).
Collectively the data structured and analyzed in chapter five support a model in which the Eastern Paratethys evolved as a largely (en)closed system, registering paleoenvironmental signals that are governed by interbasinal connectivity (or lack of it) and regional climate changes in the basin catchment. Acting as an important source of humidity for Western and Central Asia, the size and areal extent of the Paratethys water body is likely to have had a major impact on hydroclimate patterns in the Eurasian interior, with the cumulative fluctuations in both hydrology and surface temperature enhancing the aridity and seasonality, with different partition of moisture over the year. Our combined data suggests a decoupling of Paratethys from the global system as isolation advanced, dominated by regional tectonics and ultimately the Paratethys volume and areal extent reduction.
Sowohl die Lebenserwartung als auch die Prävalenz HIV-infizierter Patient*innen ist stetig ansteigend,aufgrund der HAART und durch verbesserte diagnostische Methoden. Nicht-AIDS-definierenden Erkrankungen sind heutzutage die führenden Todesursachen. Durch verzögerte Diagnosestellung und zurückhaltenden Therapien gynäkologischer Malignome ist die Prognose im Vergleich zur Normalbevölkerung schlechter.
In dieser retrospektiven Fall-Kontroll-Studie des Universitätsklinikums Frankfurt am Mains wurden die Therapie und das Outcome gynäkologischer Malignome von 23 HIV-infizierten Patientinnen aus den Jahren 2009-2019 mit einer Kontrollgruppe aus dem gynäkologischen Krebszentrum der Klinik Essen Mitte verglichen, um herauszufinden, inwiefern eine HIV-Infektion das Outcome der Patientinnen beeinflusst.
Das gynäkologische Malignom, dominierend das Zervixkarzinom, trat durchschnittlich ein Jahrzehnt nach der HIV-Diagnose auf. Im Unterschied zu anderen Studien, ist unser Kollektiv überwiegend hellhäutig. Ein bekannter Drogenabusus ist häufig und zusammenhängend mit weiteren Koinfektionen.
Die HIV-Erkrankung ist bei mehr als der Hälfte der Patientinnen bereits fortgeschritten, jedoch ließ sich kein Zusammenhang zwischen dem Auftreten gynäkologischer Malignome und einer CD4-Zellzahl <500 CD4-Zellen/µl nachweisen. Die antiretrovirale Therapie entsprach größtenteils nicht den aktuellen Leitlinien.
Bis auf fünf Frauen wurden alle Frauen leitliniengerecht therapiert. Eine Korrelation zwischen der Therapie und der Tumorentität, der CD4-Zellzahl, dem Alter oder dem Stadium des Malignoms konnte nicht gezeigt werden.
Insgesamt liegt die 5-Jahresüberlebensrate der Kohorte bei 74.8%. Eine nicht leitliniengerechte Therapie ist nicht direkt mit einem schlechteren Outcome verbunden, jedoch mit einem weitaus kürzeren Follow-Up-Zeitraum von durchschnittlich 0.22 Jahren im Vergleich zu 4.85 Jahren bei leitlinienkonform therapierten Patientinnen. Es liegt ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen der Kontrollgruppe und unserer Kohorte vor, sodass angenommen werden kann, dass bei Vorliegen einer HIV-Infektion die Therapie des gynäkologischen Malignoms häufiger nicht leitliniengerecht ist.
Bislang existieren nur wenige Studien, die die Therapie und das Outcome gynäkologischer Malignome bei HIV-infizierten Patientinnen untersuchen. Die Interaktion einer ART mit antineoplastischen Medikamenten und die Anwendung von Checkpointinhibitoren und einer „targeted therapy“ sollten Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Dafür sollten HIV-Patientinnen in Therapiestudien inkludiert werden, sodass geeignete Leitlinien erarbeitet werden können.
Das Verständnis von Tumorerkrankungen wurde durch neue technologische und ökonomische Verbesserungen für die Next-Generation-Sequencing Analyse (NGS) gefördert. Die Komplexität der Interpretation genomischer Daten erschwert jedoch die Anwendung von NGS-Analysen im klinischen Kontext. Die Herausforderung besteht darin bei stetig wachsendem medizinischem Wissen dieses im klinischen Kontext zu interpretieren und eine personalisierte Therapieempfehlung abzugeben. Einen ressourcensparenden Ansatz können KI-unterstützende Software-Programme bieten, welche die genomischen Varianten mit der aktuellen Literatur vergleichen, eine Bewertung der Therapieoptionen geben und klinische Studien empfehlen können. In dieser retrospektiven Arbeit wurden Patient:innen mit metastasiertem Brustkrebs (n=77) mittels gezielter NGS-Analyse anhand von sogenannten Genpanels mit 126 bzw. 540 krebsrelevanten Genen im Zeitraum von 01/2019-02/2022 untersucht. Mit Hilfe von bioinformatischen Methoden wurden patientenspezifische genomische Veränderungen mit Behandlungsoptionen abgeglichen. Diese Methoden stützen sich vollständig auf öffentliche Datenbanken über somatische Varianten mit prädiktiver Evidenz für das Ansprechen auf bestimmte Medikamente. Diese Versorgungsforschung einer repräsentativen Kohorte des Universitätsklinikums Frankfurt in Kooperation mit Regionalverbund OncoNet Rhein-Main wurden systematisch ausgewertet inklusive der Bedeutung genomischer Varianten. Das OncoNet Rhein-Main ist eine Kooperation aus führenden onkologischen Zentren und Praxen im Rhein-Main-Gebiet, welche sich als Netzwerk der Aufgabe angenommen haben Patient:innen optimal therapeutisch zu versorgen. Für 51% (39/77) der Patient:innen konnte mindestens eine gezielte Therapieoption mit einem effektivem Biomarker im gleichen Tumortyp gemäß Zulassung der Europäischen Arzneimittelbehörde (EMA) gefunden werden.
Bei 12/77 (16%) wurde mindestens eine Alteration mit einem effektivem Biomarker und einer OFF-Label Therapieoption gefunden. Bei 30% der Patient:innen wurden Veränderungen in optionalen Biomarkern gefunden, welche Resistenzmechanismen erklären. Die umfassende molekulare Analyse von Patient:innen mit fortgeschrittenem Brustkrebs erlaubt die Behandlungsoption zu verbessern und ermöglicht durch die Analyse von bekannten Resistenzmarkern auch den klinischen Verlauf besser zu verstehen. Die interdisziplinäre Besprechung der Befunde im molekularem Tumorboard ist im Hinblick auf kontinuierliches Lernen aller Beteiligten sowie zur Qualitätssicherung eine entscheidende obligate Maßnahme.
Prevenzione e repressione nel contrasto al riciclaggio : un’indagine comparata tra Italia e Germania
(2023)
The doctoral thesis provides a comparative study of the Italian and the German crime of money laundering. Although the topic of the essay is double, its final purpose concerns solely the Italian criminal provision (article 648-bis of the Italian Criminal code, art. 648-bis c.p.) in the attempt to thoroughly investigate its offensiveness, underlying legal interest and legitimation as well as to propose a restrictive interpretation.
The first chapter defines the research topic and the comparative methodology which shall be used throughout the thesis. The comparison is hereby intended as a tool to not only describe, but also contextualize the German legislation and create a “dialogue” with the italian criminal provision. Also, the first chapter lays down the three fundamental questions upon whom the analysis will be built (“from where?”, “what?” and “who?”) and offers a conceptual framework of the crime of money laundering by enlightening the existing liaison between this criminal offence and the paradigm of crime-prevention; European and supranational law; and the activities of prosecution and intelligence.
The second chapter delves into the question “from where?”, that is, the question of the role and the meaning of the predicate offence in money laundering’s prevention as well as repression. Therefore, the topic of the predicate crime is examined both from the angle of the anti-money laundering obligations for private actors and from the strictly penal angle. The question of the contribution of the predicate offence to money laundering’s offensiveness is specifically investigated with regard to both supranational and national law (including the most recent reforms that took place in Italy and Germany).
The third chapter is dedicated to the question of “what” is money laundering. This topic is first of all addressed from a pre-normative point of view. To this end, the chapter begins with a survey of relevant criminological theories that have been developed in order to explain, on an empirical basis, the phenomenon of money laundering and its effects on economy and society. The chapter then moves on to the criminal law provisions by examining the shape and current interpretation of the national crimes of money laundering and interrogating their suitability in the light of the criminological suggestions.
With a view to drawing some conclusions on the Italian crime of money laundering, the fourth and last chapter explores the question of “who” launders, meaning the possibility for the author of the predicate offence to be punished as self-launderer. In this context, self-laundering is examined as a form of both rationalization and extremization of the crime of money laundering. Lastly, the doctoral thesis summarizes its findings and proposes a restrictive interpretation of art. 648-bis c.p.
Magnetische Quadrupole und Solenoide sind ein elementarer Bestandteil einer Beschleunigeranlage und begrenzen die transversale Ausdehnung eines Teilchenstrahls durch eine Reflexion der Teilchen in Richtung der Beschleunigerachse. Die konventionelle Bauweise als Elektromagnet besteht aus einem Eisenjoch welches mit Spulen umwickelt ist. In dieser Arbeit werden diese Magnetstrukturen auf Basis von Permanentmagneten designt und hinsichtlich ihrer Qualität zum Strahltransport optimiert, sowie Feldmessungen an permanentmagnetischen Quadrupolen durchgeführt. Diese wurden mit 3D-gedruckten Halterungen aus Kunststoff gefertigt, was eine Vielzahl von Formvariationen ermöglicht. Darauf aufbauend wurde ein im Vakuum befindlicher Aufbau entwickelt, mit welchem die Strahlenvelope im inneren eines permanentmagnetischen Quadrupol Tripletts diagnostiziert werden kann. Dies greift auf ein am Institut für angewandte Physik entwickeltes System zur nicht-invasiven Strahldiagnose mithilfe von Raspberry Pi Einplatinencomputern und Kameras in starken Magnetfeldern zurück.
Die in dieser Arbeit vorgestellte Konfiguration eines PMQ’s ist eine Weiterentwicklung des am CERN im Linac4, einem Alvarez-Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von H– , verwendeten Designs. Bei diesem sind je acht quaderförmige Permanentmagnete aus Samarium Cobalt (SmCo) in die Driftröhren des Beschleunigers integriert.
Darauf aufbauend wurden die geometrischen Designparameter hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität des Magnetfelds untersucht. In einem magnetischen Quadrupol zur Strahlfokussierung wird dies durch einen linearen Anstieg des Magnetfeldes von Quadrupolachse zu Polflächen charakterisiert. Das Design wurde im Zuge dessen zur Verwendung von industriellen Standardgeometrien von Quadermagneten und der Erhöhung der magnetischen Flussdichte erweitert. Dazu wurde untersucht wie sich das Hinzufügen von zusätzlichen Magneten auswirkt und ob eine bessere Feldqualität durch andere Magnetformen erreicht wird.
Die Kombination mehrerer PMQ in geringem Abstand (<10 mm) führt abhängig von der Geometrie der PMQ-Singlets zu einer erheblichen Verschlechterung der Feldlinearität, was eine Erhöhung des besetzten Phasenraumvolumens der Teilchen nach sich zieht.
Am Beispiel von PMQ-Tripletts werden die zu beachtenden Designparameter analysiert und Lösungsansätze vorgestellt. Die auftretenden Effekte werden anhand von Strahldynamiksimulation veranschaulicht. Für eine Anwendung der vorgestellten Designs wurde eine Magnethülle mit einer Wabenstruktur zur Aufnahme der Einzelmagnete entwickelt. Diese besteht aus zwei Halbschalen, welche jeweils den Kompletteinschluss aller Magnete garantiert und eine einfache Montage um ein Strahlrohr ermöglicht. Diese wurden in der Institutswerkstatt aus Kunststoff via 3D-Druck gefertigt. Aufgrund der höheren erreichbaren Magnetisierung wurden Neodym-Eisen-Bor-Magnete (Nd2F14B, Br =1,36 T) für den Bau der entwickelten Strukturen verwendet. Für eine Magnetfeldmessung zur Bestätigung der magnetostatischen Simulationen und einer Bewertung der Druckqualität wurde eine motorisierte xyz-Stage zur Bewegung einer Hallsonde aufgebaut. Die Messungen zeigen eine gute Zentrierung des Magnetfeldes, sodass PMQ mit einer Kunststoffhalterung eine schnelle und billige Möglichkeit sind, kurzfristig eine Quadrupol-Konfiguration aufzubauen. Die Kosten belaufen sich für einen einzelnen PMQ je nach Länge auf 50€ bis 100€.
Basierend auf der PMQ-Struktur wurde ein PMQ-Triplett in ein Vakuum versetzt und mit Raspberry Pi Kameras im Zwischenraum der Singlets ausgestattet. Dies ermöglichte die Aufnahme der Strahlenvelope innerhalb des Tripletts anhand der durch einen Heliumstrahl induzierten Fluoreszenz und erste Erkenntnisse für notwendige Weiterentwicklungen wurden gesammelt. Auf den genauen technischen Aufbau wird im abschließenden Kapitel der Arbeit detailliert eingegangen.
In der einfachsten Form wird ein PM-Solenoid anhand eines einzelnen axial magnetisierten Hohlzylinders realisiert und erzeugt näherungsweise die Feldverteilung einer Zylinderspule. Durch die radialen Magnetfeldkomponenten an den Rändern des Solenoiden erhalten Teilchen eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente und führen eine Gyrationsbewegung entlang der Solenoidachse aus. Diese reduziert den Strahlradius und die Teilchen behalten eine Geschwindigkeitskomponente, welche zur Solenoidachse zeigt. Für eine Maximierung dieser Fokussierung muss das Magnetfeld auf die Zylinderachse konzentriert werden. Insbesondere bei einer Verlängerung des Hohlzylinders wird die Kopplung der Polflächen über das Innenvolumen abgeschwächt. Aufgrund dessen wurde ein Design bestehend aus drei Hohlzylindersegmenten entwickelt. Dieses setzt sich aus zwei radial und einem axial magnetisierten Hohlzylinder zusammen und erhöht die mittlere magnetische Flussdichte für ausgewählte Geometrien um einen Faktor zwei im Vergleich zu einem einzelnen Hohlzylinder gleicher Geometrie. Dies ist gleichzusetzen mit einer Vervierfachung der Fokussierstärke, welche quadratisch mit der mittleren magnetischen Flussdichte skaliert. Die Strahldynamischen Konsequenzen werden anhand von Simulationen mit generierten Magnetfeldverteilungen erläutert. Für eine kostengünstige Bauweise wurde eine Design basierend auf quaderförmigen Magneten entwickelt.
Die Digitalisierung weiter Teile der Lebenswelt ist vor allem mit der Verbreitung und extensiven Nutzung des Smartphones verknüpft. Eine Mehrzahl der älteren Menschen in Deutschland nutzt Smartphones selbstverständlich im Alltag. Die vorliegende Studie adressiert erstens wie stark sich das Smartphone bereits in den Alltag älterer Menschen als vergleichsweise neue Technologie eingeschrieben hat. Im Mittelpunkt steht dabei, welche Funktionen genutzt werden, wie oft und wann zum Smartphone gegriffen wird und welche Gemeinsamkeiten und Unterschiede in der Nutzung identifizierbar sind. Darüber hinaus wird zweitens der Zusammenhang zwischen alltäglicher Smartphonenutzung, Medienkompetenz und technikbezogenen Einstellungen in den Blick genommen. Drittens geht die Studie der Frage nach inwiefern die Smartphonenutzung mit zentralen Variablen der Lebensqualität im Alter, der sozialer Eingebundenheit sowie dem subjektiven Wohlbefinden assoziiert ist. Die vorliegende Arbeit ist eine quantitativ empirische Studie, die einem mikrolängsschnittlichem Design folgt. Zur Beantwortung der Forschungsfragen wurden objektive Nutzungsdaten, Daten aus einem ambulanten Assessment sowie Daten eines querschnittlichen Fragebogens kombiniert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Befragten älteren Menschen im Hinblick auf Nutzungsdauer, -intensität als auch inhaltlicher Vielfalt hohe inter- als auch intraindividuelle Unterschiede aufwiesen. Gemeinsamkeiten der Nutzung waren die Kommunikation oder Alltagsorganisation. Das Smartphone wurde aber auch zum Spielen oder für gesundheitsbezogene Handlungen genutzt. Gleichzeitig ging eine zeitlich intensive auch mit einer inhaltlich breit gefächerten Nutzung einher. Die Unterschiede in der Nutzung konnten primär durch technikbezogene Einstellungen und deklarative Wissensbestände zu Computer und Smartphone erklärt werden. Intensivnutzer wiesen positivere Einstellungen gegenüber Technik auf und verfügten über höhere Wissensbestände. Trotz intensiver Nutzung des Smartphones zur Kommunikation zeigte sich kein klarer Zusammenhang mit sozialer Eingebundenheit und subjektivem Wohlbefinden. Vielmehr konnte in diesem Kontext die wahrgenommene Qualität der erlebten sozialen Beziehungen als zentraler Prädiktor identifiziert werden. Zusammengenommen zeigte sich eine tiefe Integration des Smartphones in den Alltag älterer Smartphonenutzer.
Wir ermittelten die Geschwindigkeitskonstanten sowie die Arrhenius sehen Aktivierungsenergien und Aktionskonstanten der alkalischen Hydrolyse einer Reihe von Di- und Tripeptiden. Die zur Gewinnung der kinetischen Daten führende quantitative Analyse der Hydrolysate gelang, indem die Peptide vor ihrer Hydrolyse geeignet mit 14C markiert, die Hydrolysate mit Hilfe der Papierchromatographie bzw. der Zonenelektrophorese getrennt und die isolierten Hydrolyseprodukte auf Grund ihrer Radioaktivität quantitativ bestimmt wurden.
Der zeitliche Verlauf der alkalischen Hydrolyse von Di- und Tripeptiden wird durch ein Zeitgesetz 1. Ordnung bezüglich des Peptids und bezüglich der Hydroxylionen dargestellt. Die Abstufungen der Aktivierungsenergien, die den einzelnen Peptidbindungen in Di- und Tripeptiden zugeordnet sind, lassen sich durch die Annahme deuten, daß die Hydrolyse nach dem BAC 2-Mechanismus verläuft. Die Aktionskonstanten wachsen, wenn auch nicht regelmäßig, mit den Aktivierungsenergien.
Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is a neurodevelopmental disorder that typically begins in childhood and is associated with the cardinal symptoms of inattentiveness, hyperactivity, and impulsiveness. In a significant number of cases, ADHD persists into adulthood and leads to profound psychosocial impairment and costs to the population. The course of the disorder and the severity of psychosocial impairment are further influenced by the presence of comorbidities. The risk of developing psychiatric comorbidities such as affective disorders, personality disorders and substance use disorders is increased compared to the general population. Studies also indicate that ADHD is associated with a higher burden of somatic disorders such as obesity, diabetes mellitus, asthma and migraine. In the last decades, there has been a growing body of research that identified sex-related differences in ADHD, but there is still insufficient evidence on specific issues. In addition to the sex-ratio, which is more balanced in adulthood compared to childhood, there are also indications that differences exist at the symptom level and that the comorbid disorders that occur more frequently in ADHD also seem to differ in men and women, although the studies are not yet clear on this. Using resting-state analyses of functional magnetic resonance imaging (fMRI), we aimed to address the question of whether we can detect sex differences in ADHD and selected comorbidities (substance use disorder, depression, obesity) based on altered functional connectivity profiles. A central role for the pathogenesis of ADHD is the dysregulation of dopaminergic neurotransmission, specifically altered reward processing, as an expression of impaired impulse control. In the present study, we focused on a neuroanatomical hub, namely, the external part of the globus pallidus (GPe), which we defined as a "region of interest" for the analyses performed. There is growing evidence that the globus pallidus not only plays a role in the extrapyramidal motor system, but also integrates cognitive and reward-related information, functions that are impaired in ADHD. In a first step, we looked for sex differences in ADHD patients (n=137) and separately in healthy controls (HC) (n=45), then we compared a similar group of HC and ADHD patients to compare sex-differences in ADHD patients and HC. In a second step, we investigated whether the neural basis of comorbidity patterns differed between male and female patients. Analysis of the images of 182 participants was performed using the SPM-based CONN toolbox V 18.b. When comparing subjects with ADHD and HC, we observed an interaction between the GPe and the middle left temporal gyrus, with the effect being more pronounced in healthy subjects. When analyzing the large ADHD sample, an interaction between the GPe and the frontal pole/middle right frontal gyrus was observed. The connectivity between the GPe and the frontal and temporal brain areas appeared to be more pronounced in female ADHD patients than in males, with the sex-effect being reversed and more pronounced in healthy subjects. The results suggest that in patients with ADHD there is a loss of sex-specialization in GPe-connectivity. Males with ADHD and depression showed lower functional connectivity between the GPe and parts of the occipital cortex than females with ADHD and depression. To our knowledge, this is the first study to investigate sex-specific functional connectivity networks using a seed-based connectivity analysis of the external globus pallidus in adult ADHD patients with and without comorbidities. The study serves to improve our knowledge of GPe involvement in ADHD and sex-specific recruitment of this network. Taken as a whole, this study contributes to our understanding of the neurobiological correlates of ADHD and suggests possible differences between males and females with ADHD centered on altered connectivity with the GPe, helping to provide a different perspective on current research and new ideas for further studies.
Locomotion, the way animals independently move through space by active muscle contractions, is one of the most apparent animal behaviors. However, in many situations it is more beneficial for animals to actively prevent locomotion, for instance to briefly stop before reorienting with the aim of avoiding predators, or to save energy and recuperate from stress during sleep. The molecular and cellular mechanisms underlying such locomotion inhibition still remain elusive. So, the aim of this study was to utilize the practical genetic model organism Caenorhabditis elegans to efficiently tackle relevant questions on how animals are capable of suppressing locomotion.
Nerve cells, mostly called neurons, are known to control locomotion patterns by activating some and inhibiting other muscle groups in a spatiotemporal manner via local secretion of molecules known as neurotransmitters. This study particularly focuses on whether neuropeptides modulate such neurotransmission to prevent locomotion. Neuropeptides are small protein-like molecules that are secreted by specific neurons and that act in the brain by activating G protein-coupled receptors (GPCRs) expressed in other target neurons. They can act as hormones, neuromodulators or neurotransmitters. DNA sequences coding for neuropeptides and their cognate receptors are similar across diverse species and thus indicate evolutionary conservation of their molecular signaling pathways. This could potentially also imply that regulatory functions of specific neuropeptides are also similar across species and are thus meaningful to unravel more general mechanisms for instance underlying locomotion inhibition.
Specifically, we find that the modulatory interneuron RIS constitutes a dedicated stop neuron of which the activity is sufficient to initiate rapid locomotion arrest in C. elegans while maintaining its body posture. Similar to its known function in larval sleep, RIS requires RFamide neuropeptides encoded by the flp 11 gene for this activity, in addition to GABA. Furthermore, we find that spontaneous calcium activity transients in RIS are compartmentalized and correlated with locomotion stop. These findings illustrate that a single neuron can regulate both stopping and sleeping phenotypes.
Secondly, we show that C. elegans RPamide neuropeptides encoded by nlp-22 and nlp-2 regulate sleep and wakefulness, respectively. We unexpectedly find that these peptides activate gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-like receptors dose dependently and we highlight their sequence resemblance to other bilaterian GnRH-like neuropeptides. In addition, we show that these receptors are expressed in distinct subsets of neurons that are associated with motor behavior. Finally, we show that nlp 22 encoded peptides signal through GNNR 6 receptors to regulate larval sleep and that nlp 2 encoded peptides require both GNRR 3 and GNRR 6 receptors to promote wakefulness.
In sum, we find that locomotion inhibition in C. elegans is regulated by multiple, but evolutionary conserved RFamide and GnRH-like RPamide neuropeptidergic signaling pathways.
Caspase-2 is the evolutionary most conserved member of the caspase family and was shown to be involved in genotoxic stress induced apoptosis, control of aneuploidy, and ageing related metabolic changes. However, its role in apoptosis seems redundant due to the observation, that knockout does not inhibit apoptotic signalling exclusively. Instead, knockout of caspase-2 leads to tumor susceptibility in vivo, which led to the assumption, that caspase-2 has non-apoptotic functions and can act as a tumor suppressor. The underlying mechanism of the tumor suppressor activity of caspase-2 has not been clarified so far. Furthermore, caspase-2, has a prominent, and as pro-enzyme exclusive localisation in the nucleus and other subcellular compartments, implicating a distinct and location specific role.
In this study, a novel caspase-2 specific substrate, termed p54nrb, was identified. P54nrb is harbouring a caspase-2 specific cleavage site at the aspartate residue D422, and cleavage of p54nrb leads apparently to disruption of its putative DNA binding domain at the C-terminus.
P54nrb is a nuclear multifunctional RNA and DNA binding protein, known for roles in transcriptional regulation, DNA unwinding and repair, RNA splicing, and retention of defective RNA. Overexpression of p54nrb has been observed in several human cancers, such as cervix carcinoma, melanoma, and colon carcinoma.
Data from this study revealed, that depletion of p54nrb in tumor cell lines results in a loss of resistance to drug induced cell death and to reduced capability of anchorage independent growth, which is functionally equivalent to a reduced tumorigenic potential. Meanwhile, p54nrb depletion alone is not cytotoxic.
The investigation of p54nrb dependent gene regulations by high resolution quantitative proteomics uncovered an altering expression of multiple tumorigenic genes. For two of these candidates, the tumorigenic protease cathepsin-Z and the anti-apoptotic gelsolin, p54nrb dependent expression was detected universally in all three investigated tumor cell lines, cervix carcinoma, melanoma, and colon carcinoma. Additionally, a direct interaction of p54nrb with the cathepsin Z and gelsolin encoding DNA, but not with their corresponding mRNA, could be demonstrated.
Conjointly, this study unveils a novel mechanistic feature of caspase-2 as a tumor suppressor. The caspase-2—p54nrb axis can orchestrate the levels of several tumorigenic proteins and thereby determine the cell death susceptibility and long-term tumor survival. These findings might be of great value for future therapeutic interventions and for overcoming drug resistance of tumors.
The peptide loading complex (PLC) is a central machinery in adaptive immunity ensuring antigen presentation by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to immune cells. If nucleated cells present foreign antigenic peptides from various origins (e.g., viral infected or cancer cells) on their cell surface they are targeted and eliminated by effector cells of the immune system to protect the organism against the hazard. The antigen presentation process starts with proteasomal degradation. Peptide loading and quality control of most, if not all, MHC I is performed by the PLC. Despite the main components, architecture, and general functions of this labile and multi-subunit assembly have been described, knowledge about the inner mechanics of MHC I loading and quality control in the PLC is limited. Detailed structural insights into the interactions and functions of key elements are lacking. In this PhD thesis, structural and functional aspects of the PLC in peptide loading and quality control of MHC I are unraveled, and the PLC was analyzed from an evolutionary perspective.
First, composition and architecture of native PLC isolated from different mammalian species was analyzed. Comparison of detergent-solubilized PLC from cow and sheep spleens with PLC isolated from human source showed a compositional conservation in mammals, with the central components TAP, ERp57, tapasin, calreticulin, and the MHC I heterodimer were conserved in these species. Negative-stain electron microscopy (EM) analyses revealed an identical overall architecture of PLCs from human, sheep, and cow with two major densities at opposing sides of the plane of the detergent micelle corresponding to endoplasmic reticulum (ER) luminal and cytosolic domains. Interestingly, the glucose-regulated protein 78 (GRP78) was associated only with the PLC from sheep and cow as revealed by mass spectrometry. This ER chaperone is involved in initial folding steps of MHC I but was not co-purified with human PLC, rendering it an interesting target for future functional and in-depth structural studies.
The human PLC was stabilized by reconstitution in membrane mimicking systems that replace the detergent, which is necessary to solubilize the complex. This stabilization allowed detailed structural analysis by single-particle cryogenic electron microscopy (cryo-EM). The structure of the MHC I editing module in the PLC, composed of tapasin, ERp57, calreticulin, MHC I, and β-2-microglobulin (β2m), was solved at an overall resolution of 3.7 Å. Within the structure, two important features were visualized: (i) the editing loop of tapasin, which is directly involved in peptide proofreading of MHC I; (ii) the A-branch of the Asn86 tethered N-linked glycan on MHC I. Both features are crucial elements in the quality control and peptide editing process on MHC I. The editing loop interacts with the peptide binding groove in MHC I. It disturbs the interaction between a cargo peptide C terminus and the F-pocket in the binding groove by displacing Tyr84 and the helices α1 and α2. The helix displacement widens the F-pocket which allows a faster peptide exchange on MHC I. The glycan is bound in its monoglucosylated form (Glc1Man9GlcNAc2) by the lectin domain of calreticulin. The A-branch of this glycan is stretched between MHC I Asn86 and the lectin domain, leading to the hypothesis that the glycan will be released from calreticulin once MHC I is loaded with a favored peptide (pMHC I).
For investigation of the glycan status of MHC I, intact protein liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) was performed under denaturating conditions. An allosteric coupling between peptide loading and removal of the terminal glucose by α-Glucosidase II (GluII) was discovered. In addition, the PLC remained fully intact after peptide loading, which demonstrated GluII action on the PLC once MHC I is loaded.
With establishing GluII as transient interaction partner, this work deepens the knowledge of the molecular sociology of the PLC and how the PLC is involved in the endoplasmic reticulum quality control (ERQC). Further investigation of the ER aminopeptidases ERAP1 and ERAP2 showed that these enzymes neither alone nor together stably interact with the PLC. In contrast, both work independent from the PLC on free peptides in the ER.
LC-MS analysis of the PLC components revealed a very unusual glycosylation pattern of tapasin. Tapasin was observed with N-linked glycans ranging from the full glycan (Man9GlcNAc2) to heavily trimmed glycans, where only a single GlcNAc remained attached to Asn233. In the PLC, tapasin is probably shielded from degradation by ERQC and can remain functional and intact without a full N-linked glycan.
Es wurde das Leitfähigkeitsverhalten von reinem, lufthaltigem Wasser bei kontinuierlicher und impulsgetasteter Röntgenbestrahlung (60 kV8) untersucht. Hierbei ergaben sich zwei einander überlagerte Effekte: 1. Ein der Röntgen-Dosisleistung proportionaler irreversibler Leitfähigkeitsanstieg, der vermutlich auf eine Strahlenreaktion des gelösten CO2 zurückzuführen ist, 2. eine reversible Leitfähigkeitserhöhung während der Bestrahlung, die sich mit der Entstehung einer Ionenart mit einer mittleren Lebensdauer von ca. 0,15 sec erklären läßt. Es wird angenommen, daß es sich dabei um Radikalionen O2⊖ handelt, welche durch die Reaktion der als Strahlungsprodukt entstehenden Η-Radikale mit dem gelösten Sauerstoff gebildet werden. Ein möglicher chemischer Reaktionsmechanismus wird angegeben, der zu befriedigender quantitativer Übereinstimmung der Versuchsergebnisse mit Ausbeutewerten und Reaktionskonstanten aus der Literatur führt.
Auf der Oberfläche von Erythrozyten, Thrombozyten und Neutrophilen befinden sich mehrere hundert verschiedene polymorphe, ungekoppelt vererbte Blutgruppenantigene. Dementsprechend birgt jede Bluttransfusion das Risiko einer Immunisierung gegen fremde Blutgruppenmerkmale. Auch während der Schwangerschaft können aufgrund väterlich vererbter Antigene Alloantikörper induziert werden. Deshalb muss das Blut vor jeder Transfusion oder während einer Schwangerschaft auf das Vorhandensein irregulärer erythrozytärer Antikörper untersucht werden. Dabei greifen die aktuellen diagnostischen Verfahren auf primäre, stabilisierte Testerythrozyten von Blutspendern zurück, deren relevante Blutgruppenantigene bekannt sind. Antikörperspezifitäten können anhand von Agglutinationsreaktionen der Testzellen mit dem zu untersuchenden Patientenplasma auf ein oder mehrere Antigene zurückgeführt werden. Ist jedoch ein Antikörper gegen ein häufiges, ein hochfrequentes oder ein nicht-polymorphes, ubiquitäres Antigen gerichtet, kann in Ermangelung Antigen-negativer Testzellen keine adäquate Diagnostik gewährleistet, die Verträglichkeit der Transfusion also nicht definitiv sichergestellt werden. Auch der medizinische Einsatz therapeutischer Antikörper, welche Antigene adressieren, die auch auf Erythrozyten exprimiert werden, führt zunehmend zu Problemen. Tests auf granulozytäre Antikörper sind mangelhaft bezüglich ihrer Robustheit, besitzen eine unzureichende Auflösung und sind zudem meist zeitaufwändig und daher teuer. Antikörper gegen humane Plättchenantigene spielen insbesondere in der Schwangerschaft eine Rolle; sie vermögen bei Neugeborenen thrombozytopenische Blutungen bis hin zu massiven Hirnblutungen zu verursachen, die zu schweren Entwicklungsstörungen führen können. Bisher erfolgt jedoch mangels geeigneter Reagenzien keine standardisierte pränatale Untersuchung auf thrombozytäre Antikörper. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Verfahren für die Identifikation und Differenzierung irregulärer Blutgruppenantikörper etabliert, welches auf gentechnisch hergestellten, xenogenen Testzellen basiert, die einzelne definierte humane Blutgruppenantigene auf ihrer Oberfläche präsentieren. Die nicht humanen Zellen co exprimieren Fluorochrome, anhand derer Antikörper-markierte Testzellen durchflusszytometrisch voneinander unterscheidbar sind. Weiterhin können die generierten Testzellen zur Depletion von Antikörpern aus polyagglutinierenden Plasmen unter Erhalt der anderen Antikörperspezifitäten verwendet werden. Diese Technologie könnte die konventionelle Diagnostik erheblich erleichtern und bietet zudem die Möglichkeit, therapeutische Antikörper (wie z. B. anti-CD38, anti CD47, etc.), die häufig zu Interferenzen mit der Routinediagnostik führen, spezifisch prädiagnostisch aus Patientenproben zu entfernen.
Recent advances in artificial neural networks enabled the quick development of new learning algorithms, which, among other things, pave the way to novel robotic applications. Traditionally, robots are programmed by human experts so as to accomplish pre-defined tasks. Such robots must operate in a controlled environment to guarantee repeatability, are designed to solve one unique task and require costly hours of development. In developmental robotics, researchers try to artificially imitate the way living beings acquire their behavior by learning. Learning algorithms are key to conceive versatile and robust robots that can adapt to their environment and solve multiple tasks efficiently. In particular, Reinforcement Learning (RL) studies the acquisition of skills through teaching via rewards. In this thesis, we will introduce RL and present recent advances in RL applied to robotics. We will review Intrinsically Motivated (IM) learning, a special form of RL, and we will apply in particular the Active Efficient Coding (AEC) principle to the learning of active vision. We also propose an overview of Hierarchical Reinforcement Learning (HRL), an other special form of RL, and apply its principle to a robotic manipulation task.
Ziel: Ziel dieser Studie war es die Verweildauerraten, sowie die komplikationslosen Verweil-dauerraten von rein zahn, rein implantat und kombiniert zahn-implantatgetragenen Galvano-Konusprothesen auf keramischen Primärteilen im Oberkiefer zu untersuchen. Zusätzlich wurden durchgeführte Reparaturen, sowie die Patientenzufriedenheit ausgewertet.
Methode: 83 Patienten, welche im Zeitraum von 1999-2012 am ZZMK eine Galvano-Konusprothese im Oberkiefer erhalten haben wurden retrospektiv nachuntersucht. Die Patientenzufriedenheit wurde anhand eines Fragebogens erhoben, welcher mittels 22 Fragen die Bereiche „Ästhetik“, „Prothesenhalt-bzw. funktion“ und die „Reinigungsmöglichkeit der Prothese“ aus Patientensicht evaluiert. Als Zielereignis der Kaplan-Meier Verweildaueranalyse wurde die erste Reparatur, das Versagen der Prothese, sowie der Pfeiler- bzw. der Implantatverlust definiert. Reparatur- und Nachsorgemaßnahmen wurden deskriptiv erhoben.
Ergebnisse: Es konnten 83 Prothesen und 477 Pfeiler nachuntersucht werden. Der mittlere Beobachtungszeitraum betrug 3,9 Jahre. Die 3- ,5- und 10- Jahres Verweildauerraten der Prothesen lagen bei 98,2%, 95,5% bzw. 70,7%. Die konstruktionsbezogene Pfeilerüberlebensrate bis zum ersten Pfeilerzahnverlust betrug 98,2% nach 3 Jahren, 92,9% nach 5 Jahren und 29,2% nach 10 Jahren. Die häufigste Ursache eines Versagens war der Mehrfachverlust von Pfeilern (n=5). Eine Prothese versagte aufgrund eines Gerüstbruchs (n=1). Es konnte keine signifikanten Unterschiede in der Verweildauerrate bis zum Prothesenverlust, sowie in der komplikationslosen Verweildauerrate zwischen rein zahn, rein implantat und kombiniert zahn-implantagetragenen Prothesen festgestellt werden. Zu den häufigsten Reparaturen zählten Erweiterungen nach Pfeilerverlusten, Verblendreparaturen, Dezementierungen der Primärkronen und Frakturen von Prothesenzähnen. Die häufigste Nachsorgemaßnahme war die Druckstellenentfernung. Die Patientenzufriedenheit mit der Galvano-Konusprothese erwies sich als sehr hoch. Die Ästhetik, der Prothesenhalt und die Reinigungsmöglichkeit des Zahnersatzes wurden unabhängig der Verankerungsart durchgängig positiv bewertet.
Schlussfolgerung: Die Galvano-Konusprothese hat sich als hochwertiger herausnehmbarer Zahnersatz bewährt, welcher hohe Verweildauerraten aufweist und dessen Reparaturanfälligkeit vergleichbar mit anderen Doppelkronenversorgungen ist.
Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine aggressive Erkrankung des Knochenmarks, welche die Hämatopoese beeinträchtigt und zu Knochenmarksversagen führt. Trotz des Fortschritts in der AML-Therapie bleibt die Prognose für die meisten Patienten schlecht, sodass neue Therapieansätze für die Behandlung dringend benötigt werden. Autophagie, ein kataboler Abbauprozess von zellulären Komponenten, ist nachweislich an der Entstehung von AML beteiligt. Als zentraler Regulator von Zellüberleben, Homöostase und Stoffwechsel, dient die Autophagie als Nährstoffquelle durch die Wiederverwertung von Makromolekülen während begrenzter Energieversorgung. AML-Zellen benötigen ein konstantes Nährstoff- und Energieniveau, um ihre Vermehrung aufrechtzuerhalten. Dies wird durch eine Umstellung von Stoffwechselwegen, insbesondere des mitochondrialen Stoffwechsels einschließlich der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und des Tricarbonsäurezyklus (TCA), erreicht.
Mehrere Studien haben die Hemmung der Autophagie für die Behandlung von Krebs als vielversprechenden Ansatz vorgestellt. Doch eine Monotherapie mit Autophagie-Inhibitoren erzielte nur eine geringfügige Wirksamkeit. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die Entstehung von Kompensationsmechanismen, die zum Ausgleich der Autophagie-Hemmung in Krebszellen entstehen. Bis heute sind diese Kompensationsmechanismen kaum untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, ein geeignetes Autophagie-Gen zu identifizieren, mit dem sich die Rolle der Autophagie-Hemmung für das Überleben von AML-Zellen untersuchen lässt. Zusätzlich sollen die kompensatorischen Mechanismen, die durch die Autophagie-Hemmung in AML-Zellen entstehen können, untersucht werden, um neue metabolische Angriffspunkte zu identifizieren, die für Kombinationstherapien genutzt werden können.
Zu Beginn der Arbeit wurde ein gezielter CRISPR/Cas9 Screen in zwei humanen AML-Zelllinien durchgeführt, um Autophagie-Gene zu identifizieren, deren Verlust eine Proliferationsstörung in AML-Zellen verursacht, welche überwunden werden kann. Validierungsexperimente zeigten, dass der Verlust von ATG3 das Zellwachstum signifikant verminderte. Außerdem zeigte die Messung des Autophagie-Fluxes, dass der Verlust von ATG3 die Autophagie stark beeinträchtigte. Dies wurde durch eine Western-Blot-Analyse, die eine beeinträchtigte LC3-Lipidierung zeigte, und durch eine Immunfluoreszenzanalyse der Autophagosomen-Bildung mittels konfokaler Mikroskopie, die eine geringere Anzahl von Autophagosomen in ATG3-defizienten Zellen ergab, bestätigt. Deshalb wurde der Knockdown von ATG3 in AML Zellen verwendet, um die Mechanismen, die zum Ausgleichen der Autophagie-Hemmung entstehen, zu untersuchen. Zuerst wurde die Zellproliferation in fünf verschiedenen AML Zelllinien über sieben Tage betrachtet. In allen Zellenlinien führte der Verlust von ATG3 mittels small hairpin RNA zu verminderter Zellproliferation. Diese Ergebnisse zeigen die wichtige Rolle von ATG3 in der Autophagie und dass Autophagie-Hemmung durch ATG3-Verlust das Wachstum von AML-Zellen beeinträchtigt.
Da der Verlust von ATG3 die Proliferation von AML-Zellen beeinträchtigte, wurde eine Zellzyklusanalyse durchgeführt. Eine reduzierte S-Phase bestätigte die verminderte Proliferation in ATG3-depletierten AML-Zellen, doch der Zellzyklus war grundsätzlich nicht gestoppt. Darüber hinaus ergab die Analyse der Apoptose, dass diese unter dem Verlust von ATG3 erhöht war, aber etwa 50% der Zellen blieben vital. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass AML-Zellen trotz des Verlusts der ATG3-abhängigen Autophagie weiter proliferieren können.
Um die Mechanismen zur Kompensation der Autophagie-Hemmung zu untersuchen, wurden die Auswirkungen des ATG3-Verlusts auf die mitochondriale Homöostase untersucht. Die Mitophagie sowie das mitochondriale Membranpotenzial und die Masse unterschieden sich zwischen Kontroll- und ATG3-depletierten AML-Zellen nicht, was darauf hindeutet, dass die mitochondriale Homöostase durch den Verlust von ATG3 nicht beeinträchtigt ist. Als nächstes wurde die mitochondriale Funktion durch Messung des ATP-Spiegels und der OXPHOS untersucht. Die ATP-Level und die OXPHOS waren nach dem Verlust von ATG3 in AML-Zellen erhöht, was auf eine gesteigerte mitochondriale Aktivität bei Autophagie-Defizienz hinweist.
Hintergrund: Asthma ist die häufigste chronische Krankheit bei Kindern und Jugendlichen. Asthma-Exazerbationen sind ein häufiger Grund für Vorstellungen in der Notaufnahme und für Krankenhausaufenthalte. Die routinemäßige Gabe von Antibiotika bei einem akuten schweren Asthma wird von den Leitlinien nicht empfohlen, trotzdem erfolgt sie sowohl im ambulanten als auch im stationären Bereich. Das primäre Ziel dieser Promotion war es, die Häufigkeit der Gabe von Antibiotika während Asthma-Exazerbationen, die eingesetzten Antibiotikaklassen, den Einfluss des CRP Spiegels und die klinischen Kriterien, die zur Antibiotikagabe führten, zu analysieren.
Methoden: Es handelte sich um eine retrospektive Analyse von 660 Kindern und Jugendlichen im Alter von 6 bis 17 Jahren, die während eines Zeitraums von 10 Jahren (2008 - 2018) mit der ICD Diagnose Asthma Bronchiale (J.45) stationär am Universitätsklinik Frankfurt/Main stationär behandelt wurden. Akutes, schweres Asthma wurde definiert als Dyspnoe, Tachypnoe, Sauerstoffbedarf und/oder systemische Steroidtherapie. Antibiotikagabe ohne Indikation wurde definiert als Gabe von Antibiotika bei einem CRP <2 mg/dl, keiner radiologischen Evidenz einer Pneumonie, oder keiner Indikation zur Durchführung eines Röntgenbildes und keinem anderen Grund zur Antibiotikagabe. Analysiert wurden u.a. Alter, Geschlecht, Intensivstationsaufenthalt, Liegedauer, Erstdiagnose oder bekanntes Asthma, Sauerstoffbedarf, Laborparameter, Lungenfunktion, Röntgen, Phänotypen, Therapie und Anzahl der Re-Hospitalisierungen.
Ergebnisse: 350 Aufnahmen erfüllten die Einschlusskriterien. Es erfolgte bei jüngeren Kindern häufig eine Antibiotikagabe (6 - 11 Jahre 57,6% und 12 - 17 Jahre 39,7%). Bei 26% der Aufnahmen wurde ein Antibiotikum ohne Indikation verabreicht, dabei waren Makrolide die häufigste Antibiotikaklasse. Die Gruppe der PatientInnen, die ein Antibiotikum ohne Indikation erhielten, unterschieden sich von der Gruppe, die kein Antibiotikum erhielten in Alter (9 ± 6 Jahre vs. 11 ± 6 Jahre; p-Wert 0,024), Sauerstoffbedarf (46,2% vs. 26,3%; p<0.001) und CRP-Wert (0,79 ± 0,92 mg/dl vs. 0,23 ± 0,46 mg/dl; p<0.001), aber nicht im Vorhandensein von Fieber (14,3% vs. 10,6%; n.s.). 10,3 % der PatientInnen wurden in den 10 Jahren re-hospitalisiert. Es fanden sich klinisch keine Unterschiede zwischen den re-hospitalisierten PatientInnen und den anderen Patienten.
Schlussfolgerung: Antibiotikagabe ohne klare Indikation während einem akuten, schweren Asthma war in unserer Kohorte häufig. Klinische Parameter einer schwereren Erkrankung beeinflussten die Entscheidung zur Antibiotikagabe, obwohl keine Hinweise auf eine bakterielle Infektion vorlagen und nicht zu einem verbesserten Outcome führten. Gründe der Re-Hospitalisierung von PatientInnen sollten weiter untersucht werden, mit besonderem Fokus auf ausreichende Allergiediagnostik und Evaluierung der Compliance.
Bei über der Hälfte der Patienten mit einer operationsbedürftigen MI liegt gleichzeitig eine Insuffizienz der TK vor. In den meisten Fällen handelt es sich hierbei um eine funktionelle Insuffizienz welche aus einer RV-Pathologie, bedingt durch eine Volumen- oder Druckbelastung resultiert. In der Vergangenheit bestand die Überzeugung eine konservative Behandlung der TI sei ausreichend und nach Beheben der ursächlichen Grunderkrankung sei diese selbstlimitierend. Neuere Studien konnten jedoch belegen, dass eine bestehende TI auch nach operativer Versorgung einer ursächlichen LV-pathologie keine ausreichende Rückbildungstendenz aufweist, sondern im Verlauf sogar noch progredient ist. Die persistierende TI führt zu einer deutlich erhöhten Morbidität und Mortalität. Ist eine zweizeitige Operation an der TK im Verlauf erforderlich, so ist die Früh- und Spätmortalität deutlich erhöht und die Langzeitergebnisse sind schlecht. Diese Ergebnisse haben dazu geführt, dass die Indikation zur operativen Versorgung der TI ≥ 2 zu einem früheren Zeitpunkt und weniger restriktiv gestellt wird. Jedoch weisen die aktuellen ESC/EACTS-Guidelines insbesondere hinsichtlich der Versorgung einer TI < 2 nur einen niedrigen Evidenz-Grad auf, der richtige Operationszeitpunkt bleibt weiterhin umstritten. Der Grund für eine eher zurückhaltende Einstellung ist vor allem die Angst vor einer erhöhten Morbidität und Mortalität durch den additiven Eingriff. Zudem sind kaum Studien zu einer operativen Versorgung einer TI < 2 vorhanden. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher der Gewinn weiterer Erkenntnisse, dieses bis dato kaum untersuchten Patientengutes, insbesondere hinsichtlich der peri- und postoperativen Mortalität, sowie der Auswirkungen der prophylaktischen TKR im Langzeitverlauf. Im Rahmen dieser monozentrischen, prospektiven Studie wurden 264 Patienten eingeschlossen, welche sich im Zeitraum von 2009 bis 2015 einer TKR im Rahmen einer MKR an der Klinik für Thorax- Herz- und thorakaler Gefäßchirurgie des Universitätsklinikums Frankfurt am Main unterzogen. Das Patientenkollektiv wurde nachfolgend in zwei Gruppen unterteilt, nach dem Schweregrad der präoperativ bestehenden TI in eine „prophylaktische” pTKR-Gruppe bei einer TI < 2 und eine „therapeutische” tTKR-Gruppe bei einer TI ≥ 2. Primärer Endpunkt war die Erfassung der Früh- und Spätmortalität. Sekundäres Endziel war die Untersuchung des postoperativen Verlaufes der TI, sowie der Verlauf der kardialen Funktion. Die 30-Tages-Mortalität betrug 12% in der pTKR-Gruppe und 17% in der tTKR-Gruppe. Der wichtigste Einflussfaktor war die EKZ-Dauer. Der Unterschied zwischen den beiden Gruppen war statistisch nicht signifikant. Im Vergleich zu anderen Studien zeigte sich eine höhere 30-Tages-Mortalität, jedoch handelte es sich bei diesen zumeist um einen isolierten Eingriff an der Mitralklappe, mit einer deutlich kürzeren EKZ. Hinsichtlich der Gesamtmortalität zeigte sich ein 1-, 5- und 7-Jahres-Überleben in der pTKR-Gruppe von 81%, 66% und 56%, sowie 65%, 52% und 41% in der tTKR-Gruppe. Die höhere Gesamtmortalität dieser Studie im Vergleich zu anderen Arbeiten ist durch das deutlich ältere und multimorbide Patientenkollektiv erklärt. Bei dem Vergleich von Patienten, welche im Rahmen dieser Studie eine prophylaktische TKR erhielten gegenüber den Patienten, bei welchen im Rahmen von Vergleichsarbeiten bewusst auf eine TKR verzichtet wurde (NTKR-Gruppe), zeigte sich ein verbessertes Langzeitüberleben der pTKR-Gruppe. Bei den Arbeiten, bei welchen kein Überlebensvorteil unserer pTKR-Gruppe, gegenüber deren NTKR-Gruppe gezeigt werden konnte, zeigten sich dennoch positive Effekte der begleitenden Klappenoperation. Die erhöhte Frühsterblichkeit dieser Arbeit ist dem Umstand geschuldet, dass durch die zur Indikationsstellung herangezogenen Risikofaktoren ein Hochrisikokollektiv selektioniert wurde, mit einer konsekutiv erhöhten Sterblichkeit auch abhängig vom Ausmass der TI. Bereits in der Vergangenheit konnte eine Verbesserung des Langzeitüberlebens durch die Durchführung einer TKR bei einer TI ≥ 2, gegenüber dem Verzicht auf diese nachgewiesen werden. Anhand des Vergleiches von anderen Arbeiten mit der vorliegenden Arbeit konnte dieser Überlebensvorteil auch für die Durchführung einer pTKR bei einer TI < 2 gezeigt werden. Zudem konnte dargelegt werden, dass es sich bei der begleitenden pTKR um eine effektive und dauerhafte Methode zur Vermeidung einer Klappeninsuffizienz handelt. Somit konnte gezeigt werden, dass auch bei Patienten mit einer TI < 2 eine additiven TKR die Entwicklung einer späten TI verhindert.
Die MicroRNA-193b (miR-193b) fungiert in Akuter Myeloischer Leukämie (AML) als Tumorsuppressor und als Biomarker zur Prädiktion der Überlebenswahrscheinlichkeit bei erwachsenen sowie kindlichen AML-Patienten. Die Expression der miR-193b ist in allen AML-Entitäten reduziert, mit Ausnahme der Akuten Promyelozyten Leukämie (APL), bei der das Level an miR-193b erhöht ist. APL ist auch die einzige Form der AML, bei der All-Trans-Retinoinsäure (ATRA) leit-liniengerecht und effektiv zur Therapie angewendet wird.
In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass der antileukämische irreversible Inhibitor der Lysin-spezifischen Histon Demethylase 1 (LSD1) GSK-LSD1 die Expression von miR-193b induziert. Dadurch wird in murinen Homebox protein A9 (Hoxa9)/Meis Homebox Protein 1 (Meis1) AML-Zellen zumindest ein Teil der tumorsuppressiven Wirkung von GSK-LSD1 über die Hochregulation von miR-193b vermittelt.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Gültigkeit des potenziellen GSK-LSD1-Wirkmechanismus über die Induktion von miR-193b in humanen Zellen zu untersuchen. Weitere Ziele waren die Erforschung der Rolle der miR-193b bei dem Behandlungseffekt von ATRA in humaner AML und APL sowie die Untersuchung einer potenziell protoonkogenen Eigenschaft der miR-193b in APL. Der methodische Ansatz dieser Arbeit basierte auf einer Senkung bzw. Erhöhung des intrazellulären miR-193b-Levels mittels Locked nucleic acids (LNA) bzw. lentiviraler miR-193b-Überexpression und anschließender Behandlung der Zellen mit den Wirkstoffen. Es wurden Proliferationskurven erstellt und der Differenzierungsgrad durchflusszytometrisch bestimmt. Eine hohe Aufnahmeeffizienz und Effektivität der LNA und des lentiviralen Überexpressionsvektors wurde durchflusszytometrisch und per quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) bestätigt.
Zur Untersuchung der Rolle der miR-193b bei dem Behandlungseffekt von GSK-LSD1 wurden die AML-Linien ML-2 und MOLM-13 sowie die APL-Zelllinie NB-4 mit LNA transfiziert bzw. mit dem Überexpressionsvektor transduziert und mit GSK-LSD1 behandelt. Die Populationen mit reduziertem miR-193b-Level wiesen nach 96 Stunden eine unverändert reduzierte Proliferation und Differenzierung auf. Hingegen zeigten miR-193b-überexprimierende Zellen nach GSK-LSD1-Behandlung einen signifikant stärkeren antiproliferativen Effekt. ML-2 Zellen wiesen zudem eine signifikant gesteigerte Differenzierung auf, gemessen an der Expression des Differenzierungsmarkers CD11b.
Die erhöhten miR-193b-Level in APL-Patienten konnten in der APL-Zelllinie NB-4 mittels qPCR bestätigt werden. NB-4 weist eine über 60-fach höhere miR-193b Expression als ML-2 (AML) auf. Zur Überprüfung einer onkogenen Eigenschaft der miR-193b in APL wurde das zelluläre miR-193b-Level in NB-4-Zellen durch LNA reduziert und anschließend die Proliferationskurve über 12 Tage bestimmt und die Differenzierungsmarker CD11b und CD13 gemessen. Proliferation und Differenzierungsgrad blieben nach Reduktion der miR-193b in NB-4-Zellen unverändert.
Die gleichzeitige Behandlung von NB-4 mit ATRA und miR-193b-LNA zeigte nach 96 Stunden den gleichen antiproliferativen und differenzierungsinduzierenden Effekt wie bei ATRA allein. Auch bei den AML-Zelllinien ML-2 und MOLM-13 wirkte die ATRA-Behandlung bei reduziertem miR-193b-Level unverändert differenzierungsinduzierend und antiproliferativ. Hingegen führte eine ATRA-Behandlung der AML-Zelllinien bei erhöhtem miR-193b-Level zu einer Verstärkung des antiproliferativen Effekts. Bei beiden AML-Zelllinien wurde die Proliferation mehr als doppelt so stark reduziert als bei alleiniger ATRA-Behandlung.
Diese Arbeit konnte zeigen, dass miR-193b kein Protoonkogen in der APL-Zelllinie NB-4 ist. Außerdem weisen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass die Wirkungseffekte von sowohl GSK-LSD1 als auch von ATRA, weder in APL noch in AML, über die Induktion der miR-193b vermittelt werden. Hingegen zeigt sich bei beiden Wirkstoffen in AML-Zellen ein additiver antileukämischer Effekt bei Behandlung mit gleichzeitiger Erhöhung des miR-193b-Levels. Die molekulare Begründung hierfür ist möglicherweise eine gemeinsame Modulation der Mitogen-aktivierten Protein Kinase (MAPK)-Signaltransduktionskaskade und bedarf weiterer Experimente zur Überprüfung dieser Hypothese. Ausblickend stellen die Ergebnisse dieser Arbeit die miR-193b als einen interessanten Kombinationspartner für die Therapie mit GSK-LSD1 oder ATRA, bzw. generell für den MAPK Signalweg beeinflussende Medikamente, dar, sobald eine sichere und effiziente Einschleusung von MicroRNAs in Patienten möglich ist.
In der vorliegenden Arbeit wurden selbstanordnende Monolagen (SAMs) entwickelt, welche als gassensitive Schichten auf Goldoberflächen mit kanzerogenem Benzol reversibel wechselwirken. Der Fokus lag dabei auf elektronenarmen Systemen und insbesondere auf hochfluorierten Aromaten. Insgesamt wurden 18 neuartige SAM-Präkursoren mit Substituenten, die starke Dipolmomente induzieren, hergestellt, die mit Hilfe von Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen an Goldoberflächen angebunden wurden. Die Charakterisierung dieser Schichten erfolgte mit diversen oberflächenanalytischen Methoden, wie Ellipsometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS). Für die Erforschung der Selektivität und Sensitivität der präparierten Monolagen wurden Austrittsarbeitsänderungen mit Hilfe einer KELVIN-Sonde gemessen und aus diesen Erkenntnissen systematische Veränderungen an den sensoraktiven Molekülen vorgenommen. So wurden der Fluorierungsgrad des aromatischen Systems, die Kettenlänge des Spacers sowie weitere vielversprechende Strukturmotive untersucht. Insbesondere hochfluoriere Derivate mit CF3-Substituenten zeigten die höchsten Sensitivitäten gegenüber Benzol. Weiterhin wurde ein neues Infrarot-Messprinzip entwickelt und etabliert, welches in situ Messungen während eines Überleitens gasförmiger Analyten ermöglichte. Diese Ergebnisse belegen eine Interaktion zwischen Analyten und Monolage.
Ein weiteres Projekt befasste sich mit elektronenarmen aromatischen Monolagen, die über Cystamin-Einheiten an Goldoberflächen angebunden wurden, sich aber in den dipolaren Kopfgruppen unterschieden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Herstellung von SAMs gleicher Packungsdichten, sodass lediglich die unterschiedlichen Substituenten die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die resultierenden Monolagen wurden mittels mit Rastertunnelmikroskopie, Ellipsometrie, IRRAS sowie Wasserkontaktwinkel-Goniometrie untersucht. Durch eine relativ einfache Veränderung der Kopfgruppe, wobei F3C , F3CS, H3C- sowie NC-Reste eingeführt wurden, war es möglich, die Austrittsarbeit einer Goldoberfläche in einem Bereich von 4.9 bis 5.6 eV einzustellen. Zusätzlich konnte ein gemischtes Disulfid synthetisiert werden, welches eine echte gemischte SAM auf der Goldoberfläche bildete. Dieses Konzept könnte in Zukunft eine noch präzisere Modifizierung der Austrittsarbeit zulassen, was die Entwicklung von effizienteren elektronischen Bauelementen auf Basis von organischen n Typ-Halbleitern ermöglicht.
Abschließend wurden teilfluorierte Benzonitril-Derivate mit Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen erforscht, welche als SAMs Informationen über den dynamischen Ladungstransport lieferten. Die Präkursoren unterscheiden sich lediglich im Fluorierungsmuster, welches das Dipolmoment der Gesamtstruktur beeinflusst. Die hergestellten Monolagen wurden mit einer Vielzahl oberflächenanalytischer Methoden (IRRAS, Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronen- sowie Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie) charakterisiert, die alle die Bildung geordneter SAMs belegten und auf eine eher aufrechte Orientierung der Moleküle auf der Oberfläche hindeuteten. Die Bestimmung der Elektronentransfer-Zeiten mit Hilfe der sogenannten core-hole-clock-Methode zeigte überraschenderweise, dass durch eine Änderung des Substitutionsmusters der Fluoratome der Elektronenübergang nicht beeinflusst werden. Dementsprechend hat das Dipolmoment innerhalb des molekularen Gerüsts keinen signifikanten Einfluss auf die Elektronentransfer-Dynamik.
Interactional niche in the development of geometrical and spatial thinking in the familial context
(2016)
In the analysis of mathematics education in early childhood it is necessary to consider the familial context, which has a significant influence on development in early childhood. Many reputable international research studies emphasize that the more children experience mathematical situations in their families, the more different emerging forms of participation occur for the children that enable them to learn mathematics in the early years. In this sense mathematical activities in the familial context are cornerstones of children’s mathematical development, which is also affected by the ethnic, cultural, educational and linguistic features of their families. Germany has a population of approximately 82 million, about 7.2 million of whom are immigrants (Statisches Bundesamt 2009, pp.28-32). Children in immigrant families grow up with multiculturalism and multilingualism, therefore these children are categorized as a risk group in Germany. “Early Steps in Mathematics Learning – Family Study” (erStMaL-FaSt) is the one of the first familial studies in Germany to deal with the impact of familial socialization on mathematics learning. The study enables us to observe children from different ethnic groups with their family members in different mathematical play situations. The family study (erStMaL-FaSt) is empirically performed within the framework of the erStMaL (Early Steps in Mathematics Learning) project, which relates to the investigation of longitudinal mathematical cognitive development in preschool and early primary-school ages from a socio-constructivist perspective. This study uses two selected mathematical domains, Geometry and Measurement, and four play situations within these two mathematical domains.
My PhD study is situated in erStMaL-FaSt. Therefore, in the beginning of this first chapter, I briefly touch upon IDeA Centre and the erStMaL project and then elaborate on erStMaL-FaSt. As parts of my research concepts, I specify two themes of erStMaL-FaSt: family and play. Thereafter I elaborate upon my research interest. The aim of my study is the research and development of theoretical insights in the functioning of familial interactions for the formation of geometrical (spatial) thinking and learning of children of Turkish ethnic background. Therefore, still in Chapter 1, I present some background on the Turkish people who live in Germany and the spatial development of the children.
This study is designed as a longitudinal study and constructed from interactionist and socio-constructivist perspectives. From a socio-constructivist perspective the cognitive development of an individual is constitutively bound to the participation of this individual in a variety of social interactions. In this regard the presence of each family member provides the child with some “learning opportunities” that are embedded in the interactive process of negotiation of meaning about mathematical play. During the interaction of such various mathematical learning situations, there occur different emerging forms of participation and support. For the purpose of analysing the spatial development of a child in interaction processes in play situations with family members, various statuses of participation are constructed and theoretically described in terms of the concept of the “interactional niche in the development of mathematical thinking in the familial context” (NMT-Family) (Acar & Krummheuer, 2011), which is adapted to the special needs of familial interaction processes. The concept of the “interactional niche in the development of mathematical thinking” (NMT) consists of the “learning offerings” provided by a group or society, which are specific to their culture and are categorized as aspects of “allocation”, and of the situationally emerging performance occurring in the process of meaning negotiation, both of which are subsumed under the aspect of the “situation”, and of the individual contribution of the particular child, which constitutes the aspect of “child’s contribution” (Krummheuer 2011a, 2011b, 2012, 2014; Krummheuer & Schütte 2014). Thereby NMT-Family is constructed as a subconcept of NMT, which offers the advantage of closer analyses and comparisons between familial mathematical learning occasions in early childhood and primary school ages.
Within the scope of NMT-Family, a “mathematics learning support system” (MLSS) is an interactional system which may emerge between the child and the family members in the course of the interaction process of concrete situations in play (Krummheuer & Acar Bayraktar, 2011). All these topics are addressed in Chapter 2 as theoretical approaches and in Chapter 3 as the research method of this study. In Chapter 4 the data collection and analysis is clarified in respect of these approaches...
Die CMV-Infektion ist die häufigste opportunistische Infektion nach Nierentransplantation und wird mit einem erhöhten Risiko für Mortalität und Transplantatverlust assoziiert. Das Risiko an einer CMV-Infektion zu erkranken, wird vom Serostatus des Spenders und Empfängers beeinflusst. Dabei sind besonders Patienten mit Hochrisikokonstellation (D+/R–) betroffen. Bei seropositiven Transplantatempfängern (D+/R+, D–/R+) wird ebenfalls ein erhöhtes Risiko durch Reaktivierung des latent vorkommenden Virus oder Sekundärinfektion mit einem exogenen Virusstamm vermutet. Mithilfe von präventiven Maßnahmen wie der präemptiven und prophylaktischen Therapie kann die Rate an Infektionen gesenkt werden.
In dieser Studie wurden 441 Patienten, die in dem Zeitraum von 2006-2013 am Universitätsklinikum Frankfurt eine Nierentransplantation erhielten, retrospektiv untersucht. Ziel der Studie war es, den Einfluss des CMV-Serostatus, der Infektionsprophylaxe sowie der CMV-Infektion auf die Mortalität, das Transplantatüberleben und die Rejektion zu untersuchen. Da CMV-Infektionen meist in den ersten drei Monaten nach Transplantation oder nach Absetzen einer antiviralen Medikation auftreten, wählten wir eine zweijährige Verlaufsbeobachtung. Unsere Hypothese war, dass der Serostatus trotz regelhafter präventiver Maßnahmen mit einer Verschlechterung der Nierenfunktion assoziiert ist. Aufgrund neuer Empfehlungen wurde ab 2010 bei der Mehrheit der Transplantatempfänger eine Prophylaxe mit (Val)Ganciclovir durchgeführt. Folglich wurden die Zeiträume von 2006-2009 sowie von 2010-2013 miteinander verglichen.
In den Jahren von 2010-2013 konnten wir die höchste Infektionsinzidenz für die Hochrisikogruppe, gefolgt von der intermediären Risikogruppe (D+/R+, D–/R+), nachweisen. Beide Gruppen dokumentierten vermehrt CMV-Erkrankungen und Viruslasten im oberen Bereich (> 10.000 Kopien/ml). Diese zeigten jedoch keinen statistisch signifikanten Unterschied zu den anderen Serostatus-Konstellationen auf. Die Infektionsinzidenz in diesem Zeitraum war wiederum mit einem erhöhten Transplantatverlust assoziiert. Durch den prophylaktischen Einsatz von (Val)Ganciclovir konnte das Transplantatüberleben signifikant verlängert werden.
Im Vergleich der Zeiträume vor und nach 2010 stellte sich die D+/R+ Gruppe mit einem verbesserten Transplantatüberleben, die D–/R+ Gruppe mit verbessertem Patientenüberleben dar. Diese Gruppen konnten vermutlich von einer Ausweitung der Prophylaxe profitieren. Bezüglich der Rejektionen empfehlen wir für eine aussagekräftige Auswertung die Beachtung potenzieller Einflussgrößen wie die Immunsuppression und HLA-Merkmale. Rein deskriptiv lag das Auftreten von Rejektionen zeitlich vor den Infektionsereignissen. Die Niedrigrisikogruppe zeigte das geringste Abstoßungsrisiko.
Der Serostatus alleinig erscheint in unserer Studie keinen ausreichenden Hinweis auf das Outcome nach Transplantation zu geben. Allerdings waren CMV-Infektionen in den verschiedenen Zeiträumen maßgeblich mit einem verringerten Transplantat- oder Patientenüberleben assoziiert und sollten deshalb vermieden werden. Die Prophylaxe mit (Val)Ganciclovir stellte sich im gesamten untersuchten Zeitraum als effektive Therapie für ein verbessertes Transplantatüberleben dar.
Ein limitierender Faktor war die Vergleichbarkeit der Gruppen durch die unterschiedliche Patientenanzahl. Daten zur Infektion lagen uns erst ab dem Jahr 2009 vor. Bezüglich der Mortalität schätzen wir die Nachbeobachtungszeit von zwei Jahren zu gering ein, um signifikante Ergebnisse zu erzielen. Hervorzuheben ist, dass durch die Umstellung der Therapiemaßnahmen zwei interessante Patientenkollektive geschaffen wurden, an welchen die Auswirkungen der Prophylaxe dargestellt werden konnten. Mithilfe unserer Daten aus insgesamt acht Jahren mit zweijähriger Verlaufsbeobachtung, schätzen wir das am Universitätsklinikum Frankfurt durchgeführte Therapieregime nach 2010 als wirksame CMV-Prophylaxe ein. Um die Infektionsrate künftig weiterhin zu reduzieren, sind weitere Studien nötig, mit deren Hilfe Risikopatienten identifiziert, die Diagnostik erweitert und Therapien verbessert werden. Ansätze hierfür gibt es beispielsweise beim Einsatz des mTOR-Inhibitors Everolimus, der mit einer niedrigen Rate an CMV-Infektionen assoziiert wird. Auch die Anwendung neuerer Testmethoden, wie z. B. die Messung CMV-spezifischer T-Zellen, sollen dazu beitragen, Patienten mit erhöhtem Infektionsrisiko frühzeitig zu erkennen.
Epithelial cells enable essential physiological functions, including absorption, morphogenesis, secretion, and transport. To execute these functions, epithelial cells often form three-dimensional shapes that include curved sheets of cells surrounding a pressurized fluid-filled lumen. These three-dimensional tissues (called domes) are essential for organ function, but when they are not working properly, developmental defects, inflammation, and cancer can ensue. Recently, it has been shown that the cells that form domes show active superelasticity on micropatterned plates.
We show here that the immortalized renal proximal tubule epithelial cell line, LLC-PK1, stereotypically forms tubules in 10 days. Tubule formation takes place in 4 stages. When cells are plated on a culture dish, they form a monolayer on the 1st day; on the 3rd day, three-dimensional structures are formed, called domes; and after the 4.5th day, these domes start fusing to begin the transition stage and transit to the tubule stage. At the end of the 10th day, differentiated, elongated, and matured tubes form (Figure 3.1). Therefore, tubule formation is a self-organized, stereotypic morphogenetic program under long-term, unperturbed tissue culture conditions.
We propose that tubulogenesis is a two-step process in proximal tubules by doming and wrapping. The process begins with dome formation, and as the cell layers come together in the transition stage at the edge of the dome, this leads to the formation of the lumen of the eventual tubule. We also found that F-actin provides the mechanical strength during the formation of these three-dimensional structures during tubule formation. To better understand this 4-step process on a molecular level, we performed proteomics of tubule formation to identify the different proteins that play a significant role in proximal tubule development. Importantly, we identified proximal tubule markers like synaptopondin, angiotensin 1-10, collectrin, polycystin 1, and polycystin 2. These proteins play an important role in renal tube formation and differentiation.
Cell division is carried out by highly conserved cyclin-CDK complexes, which phosphorylate various cellular components. Cyclin-CDKs act differently depending on the cell cycle phase and work cooperatively to create DNA replication and cytokinesis. Therefore, we identified that cyclin-B1, marker of proliferation Ki-67, the RAD51 recombinase, and proliferating cell nuclear antigen (PNCA) are upregulated in the monolayer stage, and the expression decreases as tubule formation takes place. The proximal tubule reabsorbs 60-65% of the glomerulus filtrate. Therefore, it requires a lot of energy generated by using the fatty acid oxidation (FAO) pathway. In our model, we found FAO expression is higher than that of the other metabolic pathways.
We found expression of an intricate protein network in mitochondria, which we interpret as a sign of mitochondrial homeostasis being vital for the FAO pathway to work. Furthermore, we also identified different types of transporters at each stage of proximal tubule formation, and we could recognize different cytoskeletal components playing a significant role in each stage of proximal tubule formation, for instance, at the monolayer stage, vimentin expression is high, and its expression is reduced as tubules form. Hence, this 2D system, at this step of characterization, seems suitable to use to study differential transport protein expression and how this might relate to physiological functions and syndromes.
Next, we inhibited different transporters using specific inhibitors and analyzed the effect on dome and tubule formation. We identified that Na+/K+ ATPase and vacuolar H+ ATPase play a significant role in the process of epithelial dynamics. Digoxin (a Na+/K+ ATPase inhibitor) treatment inhibits dome and tubule formation. Bafilomycin (a v-ATPase inhibitor) treatment demonstrated a delay in dome and tube formation. Therefore, this study shows that this 2D proximal tubule novel system can be used for screening of pharmacological leads in the context of specific aspects of kidney physiology.
Despite the recent success in growing kidney organoids, they are not well suited to investigate various pathophysiological conditions in vitro for several reasons: They grow in 3D and form a tissue that later needs to be dissected/cleared and stained to investigate pathophysiological changes. Moreover, organoids require complex and expensive protocols for generation and are challenging to use in screening approaches. Therefore, we set out to demonstrate feasibility for our 2D system using normal renal epithelial cells, which are the origin of various pathological conditions, to study pathophysiological conditions.
This thesis investigates the structure of research articles in the field of Computational Linguistics with the goal of establishing that a set of distinctive linguistic features is associated with each section type. The empirical results of the study are derived from the quantitative and qualitative evaluation of research articles from the ACL Anthology Corpus. More than 20,000 articles were analyzed for the purpose of retrieving the target section types and extracting the predefined set of linguistic features from them. Approximately 1,100 articles were found to contain all of the following five section types: abstract, introduction, related work, discussion, and conclusion. These were chosen for the purpose of comparing the frequency of occurrence of the linguistic features across the section types. Making use of frameworks for Natural Language Processing, the Stanford CoreNLP Module, and the Python library SpaCy, as well as scripts created by the author, the frequency scores of the features were retrieved and analyzed with state-of-the-art statistical techniques.
The results show that each section type possesses an individual profile of linguistic features which are associated with it more or less strongly. These section-feature associations are shown to be derivable from the hypothesized purpose of each section type.
Overall, the findings reported in this thesis provide insights into the writing strategies that authors employ so that the overall goal of the research paper is achieved.
The results of the thesis can find implementation in new state-of-the-art applications that assist academic writing and its evaluation in a way that provides the user with a more sophisticated, empirically based feedback on the relationship between linguistic mechanisms and text type. In addition, the potential of the identification of text-type specific linguistic characteristics (a text-feature mapping) can contribute to the development of more robust language-based models for disinformation detection.
Due to their sessile nature, plants are constantly exposed to an everchanging environment. When these changes exceed certain limits, they can significantly impact plant growth and development, which, in case of crop plants, has consequences on food security. Exposure to high temperatures causes heat stress (HS), one of the most devastating stresses that plants can face. The survival and recovery from HS are dependent on the activation of the HS response (HSR), a collection of molecular mechanisms conferring HS tolerance by maintaining the cellular homeostasis. Stress responses follow a strictly orchestrated network of signal perception and -transduction, ultimately resulting in an adaptive cellular output. Thereby, the massive reshaping of the transcriptome plays a major part, in which heat stress transcription factors (HSFs) play the key role by inducing the expression of HS-responsive genes, including heat shock proteins and other transcription factors. Additionally, alternative splicing (AS), the selective usage of splice sites, contributes to the rapid adjustment of the transcriptome landscape by producing different mRNA variants from a single gene. Consequently, this results in the reduction of translatable transcripts by nonsense-mediated mRNA-decay or nuclear retention, but also enhances the proteome diversity by allowing the synthesis of protein isoforms with distinct functions. AS thereby modulates the activity of important regulatory factors like HSFA2 in Solanum lycopersicum (tomato). HSFA2 is the key factor of acquired thermotolerance (ATT), which enables the ability to survive a potentially lethal HS through pre-exposure to a preceding mild HS. Temperature-dependent AS leads to the synthesis of two HSFA2 protein variants, whereby inhibition of splicing ensures the synthesis of the stable isoform HSFA2-I that is required for ATT.
Transcriptome analysis of several plant species exposed to HS has highlighted the strong impact of high temperatures on the regulation of pre-mRNA splicing. Despite its importance, little is known about the molecular basis of the AS regulation in plants. Particularly for an economically important crop like tomato, understanding the regulation of HS-sensitive AS will contribute to the description of such an important regulatory mechanism but also might offer new insights for increasing HS resilience. Serine/arginine-rich proteins (SR proteins) are central regulators of constitutive and AS by modulating the splice site selection by the spliceosome. This study describes two members of the RS2Z subfamily of SR proteins in tomato, namely RS2Z35 and RS2Z36, which act as core regulators of AS under HS and consequently as central factors for thermotolerance. This study investigates the interaction of the two RS2Z proteins with the HSFA2 pre-mRNA and provides evidence for their function as splicing repressors in this particular AS event. Thereby, RS2Z proteins play an important role in the HSR by modulating the AS of the key factor of the ATT. Furthermore, based on global transcriptome analysis of knockout mutants of single or both RS2Z genes, it is demonstrated that RS2Z proteins are involved in the splicing of pre-mRNAs of almost 2000 genes. Moreover, RS2Z proteins act as splicing regulators and take part in a large portion of HS-induced AS events, thus playing a broader role in AS regulation. Furthermore, the HS-induced RS2Z36 is involved in basal thermotolerance (BTT), highlighting its importance for the basic HS resilience capacity of tomato. In addition, RNA sequencing demonstrates that RS2Z proteins–especially RS2Z36–regulate the expression of proteins involved in plant immunity. The study thereby provides experimental evidence for the important and essential role of SR proteins for plant thermotolerance and suggests the existence of RS2Z-mediated crossroads of different stress responses.
This thesis presents a first-of-its-kind phenomenological framework that formally describes the development of acquired epilepsy and the role of the neuro-immune axis in this development. Formulated as a system of nonlinear differential equations, the model describes the interaction of processes such as neuroinflammation, blood- brain barrier disruption, neuronal death, circuit remodeling, and epileptic seizures. The model allows for the simulation of epilepsy development courses caused by a variety of neurological injuries. The simulation results are in agreement with ex- perimental findings from three distinct animal models of epileptogenesis. Simula- tions capture injury-specific temporal patterns of seizure occurrence, neuroinflam- mation, blood-brain barrier leakage, and progression of neuronal death. In addition, the model provides insights into phenomena related to epileptogenesis such as the emergence of paradoxically long time scales of disease development after injury, the dose-dependence of epileptogenesis features on injury severity, and the variability of clinical outcomes in subjects exposed to identical injury. Moreover, the developed framework allows for the simulation of therapeutic interventions, which provides insights into the injury-specificity of prominent intervention strategies. Thus, the model can be used as an in silico tool for the generation of testable predictions, which may aid pre-clinical research for the development of epilepsy treatments.
Hintergrund: Der Rettungsdienst versorgt täglich viele Patient/-innen in unterschiedlichen Umgebungen und ist damit auch potentieller Überträger nosokomialer Infektionen. Zur Händehygiene, als entscheidende Säule der Infektionsprophylaxe, liegen bislang nur wenige Daten aus dem Rettungsdienst vor.
Methoden: Prospektive multizentrische Studie mit Fragebogen zur Selbst- und Fremdeinschätzung der Compliance und beeinflussender Faktoren (abgeleitet von der WHO Perception Survey for Health-Care Workers) sowie direkte Compliance-Beobachtung nach WHO-Standard bei Rettungsdienstpersonal zweier Berufsfeuerwehren in Deutschland.
Ergebnisse: Es wurden 207 Fragebögen eingereicht und während ca. 66h Beobachtungszeit wurden 674 Händedesinfektionsgelegenheiten protokolliert. Der präventive Effekt der HH wurde allgemein von den Mitarbeitenden anerkannt. Die Selbsteinschätzung (MW: 80%) und beobachtete Compliance-Rate (38%) zeigten eine deutliche Diskrepanz und die Compliance variierte zwischen den verschiedenen Indikationen. Besonders niedrig zeigte sich die Compliance rund um die Durchführung aseptischer Tätigkeiten. Hier zeichnete sich ein geringes Risikobewusstsein für nicht sichtbare Verunreinigungen ab. Hürden für die Umsetzung der Händehygiene stellten vor allem die Vorrangigkeit anderer Maßnahmen, Unterbrechung des Arbeitsablaufes und Zeitmangel dar.
Schlussfolgerungen: Die beobachtete Compliance-Rate im Rettungsdienst lag unterhalb der innerklinischen Durchschnittswerte. Insbesondere die Compliance im Rahmen aseptischer Tätigkeiten muss dringend gesteigert werden. Dies erfordert einen multimodalen Lösungsansatz, der die Optimierung der Ausbildung, Algorithmen, Materialverfügbarkeit und Praktikabilität der Händedesinfektion im Rettungsdienst beinhaltet.
In the recent past, we are making huge progress in the field of Artificial Intelligence. Since the rise of neural networks, astonishing new frontiers are continuously being discovered. The development is so fast that overall no major technical limits are in sight. Hence, digitization has expanded from the base of academia and industry to such an extent that it is prevalent in the politics, mass media and even popular arts. The DFG-funded project Specialized Information Service for Biodiversity Research and the BMBF-funded project Linked Open Tafsir can be placed exactly in that overall development. Both projects aim to build an intelligent, up-to-date, modern research infrastructure on biodiversity and theological studies for scholars researching in these respective fields of historical science. Starting from digitized German and Arabic historical literature containing so far unavailable valuable knowledge on biodiversity and theological studies, at its core, our dissertation targets to incorporate state-of-the-art Machine Learning methods for analyzing natural language texts of low-resource languages and enabling foundational Natural Language Processing tasks on them, such as Sentence Boundary Detection, Named Entity Recognition, and Topic Modeling. This ultimately leads to paving the way for new scientific discoveries in the historical disciplines of natural science and humanities. By enriching the landscape of historical low-resource languages with valuable annotation data, our work becomes part of the greater movement of digitizing the society, thus allowing people to focus on things which really matter in science and industry.
Hintergrund: Das Benigne Prostatasyndrom (BPS) stellt die klinische Ausprägung der Benignen Prostatahyperplasie (BPH), eine Volkskrankheit der männlichen Bevölkerung, dar. Die Prostataarterienembolisation (PAE) ist ein junges, minimal-invasives Therapieverfahren, bei dem die Gefäße, welche die Prostata versorgen, mittels Embolisaten blockiert werden. Die Blutversorgung des embolisierten Gewebes wird dadurch unterbunden und nekrotisiert in der Folge. Dieser Infarkt lässt sich über eine Diffusionsminderung in der Magnetresonanztomographie (MRT) nachweisen. Aufgrund des technisch anspruchsvollen Verfahrens und der Komplexität der prostatischen Gefäße findet die Magnetresonanzangiographie (MRA) immer mehr Beachtung zur strahlenfreien Visualisierung des Gefäßverlaufs. Das Ziel dieser Doktorarbeit bestand darin, mögliche prädiktive Faktoren für den Therapierfolg der PAE aufzudecken und dabei die Interventionsplanung, unter Anwendung und Nichtanwendung einer MRA, zu vergleichen.
Material und Methodik: In diese retrospektive Arbeit wurden 259 Patienten, die an dem Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Universitätsklinik Frankfurt am Main eine PAE erhielten, eingeschlossen. Das Kollektiv wurde in zwei Gruppen, abhängig vom Vorhandensein einer präinterventionellen MRA, eingeteilt. Bei 137 Patienten wurde die PAE mit einer präinterventionellen MRA Rekonstruktion ausgeführt (= Gruppe A). Bei 122 Patienten erfolgte die PAE ohne vorangehende MRA Rekonstruktion (= Gruppe B). Mit Hilfe der Fragebögen International Prostate Symptom Score (IPSS), International Index of Erectile Function (IIEF) und Quality of Life (QoL) sowie MRT-Messungen (Diffusionskoeffizient, Prostatavolumen) wurden die Daten vor und nach der PAE evaluiert. Als statistische Methoden wurden die deskriptive Datenanalyse, der gepaarte Wilcoxon-Test, der Wilcoxon-Mann-Whitney-U-Test für nicht-parametrische Variablen sowie die Korrelationsmatrix nach Spearman verwendet.
Ergebnisse: In Gruppe A konnte eine signifikant höhere mediane Prostatavolumenreduktion (rho = 0,1827, p = 0,032448) und eine Reduktion der Strahlendosis (p = 0,000000) im Vergleich zu Gruppe B erreicht werden. In Gruppe A wurde im Verlauf eine signifikant höhere Abnahme des Diffusionskoeffizienten festgestellt als in Gruppe B (p = 0,036303). Ein infarziertes Areal nach der PAE wurde zu 59,3% (n = 67) von Patienten der Gruppe A erreicht, zu 40,7% (n = 46) erreichten dies Patienten der Gruppe B. Innerhalb der Gruppe A korrelierte der initial gemessene Diffusionskoeffizient mit dem präinterventionellen IPSS (rho = 0,3259, p = 0,0213). Weiterhin korrelierten bei Einsatz einer MRA der vor der Behandlung gemessene Diffusionskoeffizient sowie der IPSS mit der Abnahme der Beschwerden (rho = 0,3138, p = 0,0285; rho = 0,6723, p = 0,0000) und der Volumenreduktion (rho = 0,3690, p = 0,0024; rho = 0,4681, p = 0,0020). Die Reduktion des Diffusionskoeffizienten korrelierte mit der Höhe der initialen Symptomatik (rho = 0,3703, p = 0,0127) und mit der Verbesserung der Beschwerden (rho = 0,3830, p = 0,0107).
Schlussfolgerung: In Zusammenschau aller Ergebnisse sind die präinterventionelle Messung des Diffusionskoeffizienten, IPSS Erhebung sowie die Prostatavolumetrie in Verbindung mit der MRA prognostisch sinnvoll. Was die vorliegende Studie leistet, sind erste Erkenntnisse auf einem bisher kaum am Menschen untersuchten Gebiet. Dieser strahlensparende, prognostische Ansatz könnte zu einer besseren Patientenselektion beitragen und weitere Ansätze für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz schaffen. Damit könnten Strahlendosis, Kosten und Risiken minimiert werden.
Die Paulinenpflege Winnenden e.V. wurde 1823 gegründet als Rettungshaus für verwahrloste Kinder. Bald wurde daraus eine Doppelanstalt einerseits für Kinder, die aus sozialen Gründen nicht zuhause leben konnten, andererseits für hör- und sprachbehinderte Kinder. Zum 200-jährigen Jubiläum im Jahr 2023 erscheint dieses wissenschaftliche Werk. Dieses Werk erscheint zusätzlich in weitgehend identischer Weise als Buch.
Ob Klimawandel oder Luftverschmutzung: Die chemischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre haben wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Ökosysteme. Dabei ist die Atmosphäre mehr als ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Helium und Kohlenstoffdioxid. Es gibt zahlreiche Spurengase, deren Gesamtanteil am Volumen weniger als 1 % ausmacht. In dieser Arbeit werden Stickstoffoxide, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelsäure näher betrachtet, die im Rahmen der flugzeugbasierten Messkampagne Chemistry of the Atmosphere: field experiment in Europe (CAFE-EU)/BLUESKY gemessen wurden.
Die Stickstoffoxide NO und NO2, als NOx zusammengefasst, besitzen hauptsächlich anthropogene Quellen, allen voran fossile Verbrennung und industrielle Prozesse. Zwischen NO und NO2 besteht ein photochemisches Gleichgewicht, sodass in der Atmosphäre vor allem NO2 in relevanten Konzentrationen vorkommt; dies wirkt aufgrund der Bildung von Salpetersäure, HNO3, in wässriger Lösung beim Einatmen ätzend und ist entsprechend gesundheitsschädlich. Troposphärisches Ozon, O3, wesentlicher Bestandteil von Sommersmog, wird hauptsächlich durch die Reaktion von NO mit Peroxiden (HO2 und RO2) gebildet. In der Stratosphäre entstehen NOx hauptsächlich durch die Photodissoziation von Lachgas, N2O, das aufgrund seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann und dort die wichtigste Stickstoffquelle darstellt. In der Stratosphäre tragen NOx zum katalytischen Abbaumechanismus des Ozons bei (Bliefert, 2002; Seinfeld and Pandis, 2016).
Schwefeldioxid, SO2, ist ein toxisches Gas, dessen atmosphärische Quellen hauptsächlich anthropogen sind, nämlich fossile Verbrennung und industrielle Prozesse; Senken sind trockene und feuchte Deposition, wobei letztere zu saurem Regen führen kann. Seit den 1980ern sinken die globalen SO2-Emissionen. SO2 kann in der Atmosphäre zu Sulfat und Schwefelsäure oxidiert werden, was Hauptbestandteil des Wintersmogs ist. Der wichtigste Mechanismus ist die Oxidation mit dem Hydroxylradikal, OH˙, unter Beteiligung von Wasserdampf. In der Stratosphäre ist Carbonylsulfid, OCS, die wichtigste Schwefelquelle, da es analog zum N2O dank seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann (Bliefert, 2002; Seinfeld und Pandis, 2016). Typische Konzentrationen von Schwefelsäure sind 105 cm–3 nachts und 107 cm–3 tagsüber in der Troposphäre sowie 105 cm–3 tagsüber in der Stratosphäre (Clarke et al., 1999; Weber et al., 1999; Fiedler et al., 2005; Arnold, 2008; Kürten et al., 2016; Berresheim et al., 2000).
Kohlenstoffmonoxid, CO, ist ein toxisches Gas, das zu gleichen Teilen durch direkte Emissionen (v.a. Biomasseverbrennung und fossile Verbrennung) und In-situ-Oxidation (v.a. von Methan, Isopren und industriellen Kohlenwasserstoffen) in die Atmosphäre gelangt. Die Hauptsenke ist die Reaktion mit OH˙ in der Troposphäre. Seit 2000 sinkt die globale CO-Konzentration (Bliefert, 2002).
Doch neben Gasen sind auch Aerosolpartikel fester Bestandteil des Gemisches Luft, welche luftgetragene feste oder flüssige Teilchen sind. Primäre Aerosolpartikel werden direkt als solche in die Atmosphäre emittiert, während sekundäre Aerosolpartikel in der Atmosphäre gebildet werden, indem gasförmige Vorläufersubstanzen mit geringer Flüchtigkeit auf primären Partikeln kondensieren oder durch Zusammenclustern und Anwachsen komplett neue Partikel bilden. Aerosolpartikel ermöglichen als Wolkenkondensationskeime erst die Bildung von Wolken und wirken somit – neben ihrem direkten reflektierenden Effekt – durch Änderung der Wolkenbedeckung und -eigenschaften insgesamt kühlend aufs Klima und beeinflussen die lokalen und globalen Wasserkreisläufe. Doch sie haben auch negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und sind für eine Verkürzung der durchschnittlichen Lebensdauer in Regionen mit hohen Feinstaubbelastungen verantwortlich (Seinfeld und Pandis, 2016; Bellouin et al., 2020; World Health Organization, 2016).
Neben den bisher betrachteten neutralen, also ungeladenen Gasen und Partikeln sind Ionen in der Gasphase sowie geladene Partikel ebenfalls Bestandteil der Atmosphäre. Sie spielen bei vielen atmosphärischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie etwa bei Gewittern, Radiowellenübertragung und ionen-induzierter Nukleation von Aerosolpartikeln. Die Hauptquellen für Ionisation in der Tropo- und Stratosphäre ist die galaktische kosmische Strahlung, die entgegen ihrem Namen hauptsächlich aus Protonen und α-Partikeln (primäre Partikel genannt) besteht und in der Erdatmosphäre durch Kollision mit Luftmolekülen Teilchenschauer von sekundären Partikeln (u.a. Myonen, Pionen und Neutrinos) hervorruft. Die primären und sekundären Partikel können die Luftmoleküle ionisieren unter Entstehung von N+, N2+, O+, O2+ und Elektronen. Sauerstoff reagiert rasch mit letzteren zu O– und O2–. Diese Kationen und Anionen reagieren weiter, bis Ionenclustern der Summenformeln (HNO3)n(H2O)mNO3– und H+(H2O)n(B)m gebildet werden, wobei B Basen wie Methanol, Aceton, Ammoniak oder Pyridin sind. Weitere Ionisationsquellen sind der Zerfall des Radioisotops 222Rn in Bodennähe und ionisierende Solarstrahlung oberhalb der Stratosphäre. Atmosphärische Ionen haben zwei wichtige Senken: die Wiedervereinigung, auch Rekombination genannt, bei der sich ein Kation und ein Anion gegenseitig neutralisieren sowie das Anhaften an Aerosolpartikeln. Letztere Senke ist vor allem in der Troposphäre aufgrund der relativ hohen Konzentration an Aerosolpartikeln relevant (Arnold, 2008; Viggiano und Arnold, 1995; Bazilevskaya et al., 2008; Hirsikko et al., 2011).
Lebensqualität, kognitive Leistung und multisensorische Integrationsleistung bei NMOSD Patienten
(2023)
Die Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankung (NMOSD) ist eine entzündliche Autoimmunerkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), die schubweise auftritt und meist in den Anfängen aufgrund der symptomatischen Ähnlichkeit mit der Multiplen Sklerose (MS) verwechselt wird. Primär manifestiert sich die NMOSD in Form von Sehstörungen und sensomotorische Lähmungserscheinungen. Im Krankheitsverlauf treten aber auch bei einem Großteil der Patienten kognitive Defizite auf, wobei vorwiegend das Gedächtnis, die Informationsverarbeitung und die Aufmerksamkeit betroffen sind, die nicht in Routineuntersuchungen erfasst werden. Kognitive Beeinträchtigungen wurden bereits bei der MS beschrieben. Ebenso spielt eine verminderte Lebensqualität bei beiden Erkrankungen eine große Rolle. Analog zu Untersuchungen bei MS Patienten, die gezeigt haben, dass kognitive Beeinträchtigungen mitunter ursächlich für die niedrige Lebensqualität sind, wird in dieser Arbeit postuliert, dass auch bei NMOSD Patienten das Ausmaß an kognitiven Dysfunktionen mit dem Grad an Einbußen in der Lebensqualität zusammenhängt. Ferner sollen weitere Prädiktoren ermittelt werden, welche einen Einfluss auf die Lebensqualität haben, wie bereits bestätigt körperliche Einschränkungen. Es wird erwartet, dass NMOSD Patienten von einer verminderten Lebensqualität berichten, die von den schlechteren Ergebnissen in den neuropsychologischen Tests vorhergesagt werden kann.
Zur Untersuchung der Kognition wurde in der vorliegenden Arbeit neben etablierten neuropsychologischen Tests auch die multisensorische Integrationsleistung mithilfe des SiFI Paradigmas angewandt, welche bereits bei MS Patienten und Patienten mit leichten kognitiven Defiziten (mild cognitive impairment; MCI) auffällige Daten lieferte und für eine Testung der globalen Kognitionsleistung genutzt werden konnte. Der Grund für den Einsatz der SiFI waren die nachgewiesenen Hirnkorrelate bei multisensorischer Integration, welche ebenfalls bereits bei kognitiver Dysfunktion festgestellt wurden, wie Atrophien, Konnektivitätsstörungen und Auffälligkeiten in der Transmission bestimmter Neurotransmitter. Ziel dieser Anwendung ist eine Implementierung der SiFI in den Klinikalltag zur erleichterten Erfassung kognitiver Defizite. Viele bekannte neuropsychologischen Tests sind entweder zu teuer, zu lang, abhängig von der sprachlichen Fähigkeit oder für die Patienten zu anstrengend. Die SiFI wäre daher eine gute Alternative als Marker kognitiver Defizite.
20 NMOSD Patienten wurden zu ihrer Lebensqualität (EQ-5D) sowie ihrem psychopathologischen Zustand (SCL-90-R) befragt und es wurde eine umfassende neuropsychologische Testung durchgeführt. Zur Diagnostik der multisensorischen Integrationsleistung wurde die SiFI Aufgabe herangezogen. Die Ergebnisse deuten auf eine verminderte kognitive Leistung mit mittelhohen Werten in den Fragebögen zur Lebensqualität. NMOSD Patienten nahmen die Illusion in der SiFI Aufgabe bei längeren Intervallen wahr, vergleichbar mit MS und MCI Patienten. Dies deutet auf eine verzögerte Integration sensorischer Informationen.
Angefangen mit einem Einblick über die Erkrankung und Darstellung des bisherigen Wissenschaftsstands zu den einzelnen Konstrukten und ihrer Zusammenhänge wird das Studiendesign vorgestellt und die Ergebnisse angegeben und interpretiert. Abschließend folgen eine kritische Beurteilung und Zusammenfassung der vorliegenden Daten mit Ausblick auf weitere Forschungsziele.
Die SAFE-KiDS-Studie wurde vom 18. Juni bis zum 10. September 2020 vor dem Hintergrund der Wiedereröffnung von Kindertagesstätten nach der ersten Welle von Infektionen mit SARS-CoV-2 durchgeführt. Es sollten epidemiologische Daten von Kindern und Mitarbeitenden in insgesamt 50 hessischen Kindertagesstätten gesammelt werden, um die Bedeutung dieser Einrichtungen für das Infektionsgeschehen nach Aufnahme des eingeschränkten Regelbetriebs zu beleuchten.
Als zentrale Untersuchungsmethode wurde die Dual-Swab Methode angewandt, um herauszufinden, ob diese für longitudinale Testungen bei Kindern geeignet ist. Für die Dual-Swab Methode wurden ein Wangen- sowie ein Analschleimhautabstrich getestet, um sowohl die respiratorische als auch die gastrointestinale Ausscheidung von SARS-CoV-2 zu erfassen. Alle freiwillig an der Studie teilnehmenden Sorgeberechtigten und Mitarbeitenden wurden gebeten, bei ihren Kindern, bzw. sich selbst, wöchentlich die Abstrichentnahme durchzuführen. Ziel war es, zu quantifizieren, wie häufig es zu inapparenten Infektionen in diesem Setting kommt. Es sollte zudem untersucht werden, ob die eigenständige Abstrichentnahme bzw. Testung durch Sorgeberechtigte eine geeignete Alternative zur Probengewinnung durch medizinisches Personal während der Pandemie darstellt.
859 Kinder im Alter zwischen 3 Monaten und 8 Jahren sowie 376 Mitarbeitende nahmen an der Studie teil. Insgesamt wurden 13.273 Abstriche, davon 7.366 Wangen- und 5.907 Analschleimhautabstriche, untersucht. Es konnte lediglich bei zwei Studienteilnehmenden und in insgesamt 3 Abstrichen eine SARS-CoV- 2 Infektion nachgewiesen werden. Bei beiden Personen handelte es sich um Mitarbeiterinnen. Bei keinem der an der Studie teilnehmenden Kinder konnte eine respiratorische oder gastrointestinale Ausscheidung von SARS-CoV-2 nachgewiesen werden. In einer Befragung am Ende der Studie wurde keine weitere, nicht in der Studie erfasste Infektion mit SARS-CoV-2 angegeben.
Das Ergebnis der Studie spricht dafür, dass Kindertagesstätten in einem Zeitraum mit vergleichsweise niedriger Inzidenz von SARS-CoV-2 in Hessen während der Studiendauer kein relevantes Reservoir für SARS-CoV-2 darstellen und inapparente Infektionen bei Kindern selten vorkamen. Außerdem lässt sich daraus schließen, dass das Risiko für eine Infektion in diesen Einrichtungen unter den während der Studienzeit durchgeführten Maßnahmen bei begrenzter Aktivität in der Bevölkerung als niedrig einzustufen war.
RNAs are key players in life as they connect the genetic code (DNA) with all cellular processes dominated by proteins. The dynamics study of RNA modifications has become an important part of epitranscriptomics field, as they are reversible and dynamically regulated far more than originally thought. Several evidences portrait a catalog of RNA modifications and their links to neurological disorders, cancers, and other diseases. Therefore, a deeper investigation of RNA modifications dynamics including their specific profile, biosynthesis, maturation and degradation is required for pioneering disease diagnostics and potential therapeutics development.
Mammalian tissues reveal diverse physiology and functions, despite sharing identical genomes and overlapping transcription profiles. So far, most research on this diversity were referred to variable transcriptomic processing among tissues and differential post-translational modifications that tune the activity of ubiquitous proteins to each tissue’s needs. However, study of epitranscriptome dynamics relevance to tissues’ functions is not yet revealed. There are a few reports on mouse RNA modification profiles, which are focused on only one type of RNA and limited types of modifications. The first part of my dissertation aims to generate a comprehensive tissue-specific as well as RNA species-specific investigation of all existing RNA modifications, as well as investigating potential codon as an effector of translation diversity among tissues. Using isotope dilution mass spectrometry, I created a library including absolute quantification of 24 tRNA modifications, and up to 22 rRNA modifications. I find an almost identical pattern of modifications in 28S- and 18S-rRNA subunits, but different levels of most modifications in 5.8S-rRNA or tRNA among highly metabolic active organs to e.g. heart or spleen. The findings suggest a high degree of similarity between quantities of modifications between presented data to all previous literature, confirming that it is a suitable model to study the tissue-based RNA modification patterns.
The most noticeable difference exhibited was tRNA modifications, which suggests a discerning tRNA engagement in translation between different organs. This can be a good start for investigation of codon bias in enriched genes of specific tRNA modifications among different tissues that may cause differential translation pattern, causing organs diversity. Moreover, 5.8S rRNA data showed an organ-specific pattern, which proposes functional diversity of this rRNA subunit among different organs. Future studies must investigate the possible implications of organ-specific 5.8S rRNA modifications functions, to elucidate the core of the observed variations.
Abundance of RNA modifications is carefully regulated in cells. Part of this regulation is achieved by activity of enzymes removing RNA modifications, named RNA erasers. Literature has provided proof of demethylation activity of AlkBH family on different types of RNA. For instance, AlkBH5 is known to remove m6A in mRNA, and both AlkBH3 and AlkBH1 are reported to demethylate m1A and m3C in tRNA. So far, RNA erasers are mainly studied in vitro and direct in vivo studies are missing.
Mass spectrometry is a promising approach in the identification and quantification of many RNA modifications. However, mass spectrometric analysis by nature, offers only a static view of nucleic acid modifications, and fails to account for their cellular dynamics. Nucleic Acid Isotope Labeling coupled Mass Spectrometry (NAIL-MS) was developed as a powerful technique which differentiates among remaining, co-transcriptional and post-transcriptional incorporation of a target RNA modification. This temporal resolution captures the dynamic nature of RNA modifications, and offers absolute and relative quantification of all existing nucleosides in any given RNA sequence, including different isotopologues and isotopomers.
The objective of this study was to uncover the first “direct” iv vivo data on AlkBH1, 3 and 5 activities in demethylating each of their specific substrates. I investigated the RNA modification changes through pulse-chase experiments in collaboration with my colleagues Dr. Kayla Borland and Dr. Felix Hagelskamp. A remarkable observation was that AlkBH3 protein -but not AlkBH1- was overexpressed under methylating reagent treatment in vivo. These findings suggest that AlkBH3 -but not AlkBH1- is a methylation damage induced enzyme, that potentially triggers ASCC-AlkBH3 alkylation repair complex after aberrant methylation damage by MMS treatment. However, using NAIL-MS method, we could not detect any significant effect on demethylation activity of the enzymes in tRNA, rRNA or mRNA towards the possible substrates m6A, m1A, m3C, m5C and m7G in vivo. These distinct outcomes can be partially explained by probable existence of other unidentified demethylases that compensate for AlkBHs demethylation activity; or more probably, demethylation may still arise by remaining active AlkBHs to restore the original levels of the observed RNA modifications, since a stronger KD or a complete knockout of AlkBHs genes was not possible. Further research on fully knocked out AlkBHs genes can provide stronger evidence on unidentified demethylation activities in HEK cells.
Background: Mastectomy in male transgender patients is an important (and often the first) step toward physical manhood. At our department, mastectomies in transgender patients have been performed for several decades.
Methods: Recorded data were collected and analyzed for all male transgender patients undergoing mastectomy over a period of 24 years at our department.
Results: In total, 268 gender-reassigning mastectomies were performed. Several different mastectomy techniques (areolar incision, n=172; sub-mammary incision, n=96) were used according to patients' habitus and breast features. Corresponding to algorithms presented in the current literature, certain breast qualities were matched with a particular mastectomy technique. Overall, small breasts with marginal ptosis and good skin elasticity allowed small areolar incisions as a method of access for glandular removal. In contrast, large breasts and those with heavy ptosis or poor skin elasticity often required larger incisions for breast amputation. The secondary correction rate (38%) was high for gender reassignment mastectomy, as is also reflected by data in the current literature. Secondary correction frequently involved revision of chest wall recontouring, suggesting inadequate removal of the mammary tissue, as well as scar revision, which may reflect intense traction during wound healing (36%). Secondary corrections were performed more often after using small areolar incision techniques (48%) than after using large sub-mammary incisions (21%).
Conclusions: Choosing the suitable mastectomy technique for each patient requires careful individual evaluation of breast features such as size, degree of ptosis, and skin elasticity in order to maximize patient satisfaction and minimize secondary revisions.
Neutron stars are unique laboratories for the investigation of the high density properties of bulk matter. In this work, the astrophysical constraints for a phase transition from hadronic matter to deconfined quark matter are examined thoroughly. A scheme for relating known astrophysical observables such as mass, radius and tidal deformability to the parameter space of such a transition is devised and applied to the set of data currently available.
In order to span a wide parameter space, a highly parameterizable relativistic mean field equation in compliance with chiral effective field theory results is used, where the stiffness of the equation of state can be varied via the effective mass at saturation density. The phase transitions are modelled using a Maxwell construction and assumed to be of first order, with a constant speed of sound quark matter model. The resulting equations of state are analyzed and divided into four categories, which can be used to constrain the parameter space that allows phase transition. It is highlighted, that a subset of this parameter space would even be detectable without the need of higher precision measurements. A phase transition at high densities is shown to be particularly promising in this regard. Finally, the groundwork is laid to apply the equation of state used in this work for supernova or merger simulations, by extending it to non-zero temperatures.
G-protein-coupled receptors (GPCRs) from the largest family of receptors in the human body. They contain seven transmembrane helices. There are roughly 800-900 GPCR genes expressed in humans encoded by 4-5% of the human genome. These receptors are the most important signal transducers and play a crucial role in cell physiology and pathology, by using various extracellular stimuli to start complex intracellular signaling. GPCRs interact with a wide variety of stimuli from small molecules (photons, ions, amines) to large molecules (peptides, small proteins), and trigger downstream cascade effects by interacting with G-proteins, GPCR kinases, and ß-arrestin. Because of their crucial roles in many cellular functions, GPCRs are the most important drug targets for the pharmaceutical industry. Approximately 30% of the clinically approved drugs available in the market are against GPCRs. In this work achieved successful expression and purification of GPCRs from class-C and class-A families. Combined with biochemical experiments, DNP-ssNMR, and molecular simulation helped to decipher the mechanism of crosstalk between the allosteric modulator, and the orthosteric binding sites of the peptide receptor. The main findings and major highlights of this dissertation are outlined in the following paragraphs.
The calcium-sensing receptor (CaSR) belongs to the GPCR class-C family and contains a large extracellular domain. This receptor regulates Ca2+ homeostasis in blood and its absorption in the kidney and bone. To understand the molecular and structural mechanisms of these receptors their cDNAs were cloned into the pPICZ and pOET1 vectors to express them in Pichia pastoris and in Sf9 insect cells respectively. The CaSR was successfully expressed heterologously in Pichia pastoris and in the insect cell with high yield. The purified receptor purified in LMNG shows no aggregation in a monomeric state. Further optimization was performed to use it for cryo-EM sample preparation and structure determination. In 2nd part of the thesis, different mini G (mini Gs, mini Gi, mini Gqs, and mini Gsi) DNA constructs were made and expressed in E. coli. It's challenging to obtain active GPCR structures due to the instability of G-protein or G-protein-bound receptors. In this work, all mini-G proteins and chimera mini-G-protein-maltose binding protein (MBP) were cloned and expressed in E. coli and purified with a His-trap column with high purity.
In the last part of the thesis, to decipher the mechanism of allosteric modulation of orthosteric binding sites in the bradykinin receptor was produced and characterized in insect cells. Angiotensin I converting enzyme inhibitors (ACEIs), are very important drugs and are widely used for the treatment of hypertension, congestive heart failure, and diabetic neuropathy. These drugs target primarily the catalytic zinc center of the ACE. It has been shown that enalaprilat, a well-known ACEI, binds to a proposed zinc-binding site on hB1R and even directly activates the receptor. To obtain information on the influence of ACEIs on the receptor-peptide complex, and to have a better understanding of the molecular mechanism and structural plasticity of the bradykinin receptor and PAM, we used the three commercially available ACEIs captopril, enalaprilat, and lisinopril for our studies. An important result of this thesis is that though enalaprilat, captopril, and lisinopril all have similar functional properties in humans, each one regulates the orthosteric binding site of hB1R in a unique way. These findings provide atomic insights into the allosteric modulation of the bradykinin receptor. This study along with the effects of ACEI on the binding sites of receptors also deciphers the effects of the Zn2+ as well as the crosstalk between zinc binding sites and ACEI compounds. The binding of allosteric modulators induces distinct endogenous binding, which might aid in creating new possibilities in the pharmaceutical field.
Melting inside earth is a common phenomenon and can be observed in many different regions where melt travels through the mantle and crust to eventually reach the surface where it crystallizes to build large volcanic provinces, whole stratigraphic layers of flood basalts, or even the oceanic crust. Often, melt reaching the surface is a good source of information. It can be used to achieve a better understanding about processes taking place in deeper regions inside the mantle and it is therefore essential to fundamentally understand melting and melt percolation processes. In order to achieve a deeper understanding, the aim of this thesis is to investigate processes that are connected to melting by using numerical models.
The physical model used is a so called two-phase flow model which describes the ability of melt to percolate through a viscously deforming, partially molten matrix. A famous feature of two-phase flow are solitary porosity waves, which are waves of locally higher porosity ascending through a partially molten background, keeping its shape constant, driven by decompaction and compaction of the solid matrix in front and behind the wave.
The viscosity law for shear- and volume viscosity was strongly simplified in most previous studies that modeled solitary waves. Often the porosity dependency is underestimated or its influence on the volume viscosity is even neglected, leading to too high viscosities. In this work more realistic laws are used that strongly decrease for small melt fractions. Those laws are incorporated into a 2D Finite Difference mantle convection code with two-phase flow to study the ascent of solitary porosity waves.
The model results show that an initial Gaussian-shaped wave rapidly evolves into a solitary wave with a certain amplitude, traveling upwards with constant velocity. Even though strongly weaker viscosities are used, the effect on dispersion curves and wave shape are only minor as long as the background porosity is rather small. The results are still in agreement to semi-analytical solutions which neglect shear stresses in the melt segregation equation. Higher background porosities and wave amplitudes lead to significant decrease in phase velocity and wave width, as the viscosity is strongly effected. However, the models show that solitary waves are still a possible mechanism for more realistic matrix viscosities.
While the ascending of porosity waves are mostly described by the movement of fluid melt, partially molten regions inside Earth trigger upwelling of both, solid and fluid phases, which can be called diapirism. While diapirs can have a wide variety of wavelengths, porosity waves are restricted to a few times the compaction length. The size of a melt perturbation in terms of compaction length therefore describes whether material is transported by diapirism or porosity waves. In this thesis we study the transition from diapiric rise to solitary porosity waves by systematically changing the size of a porosity perturbation from 1.8 to 120 times the compaction length. In case of a perturbation of the size of a few times the compaction length a single porosity wave will emerge, either with a positive or negative vertical matrix flux and if melt is not allowed to move relative to the matrix a diapir will emerge. In between these physical end members a regime can be observed where the partially molten perturbation will split up into numerous solitary waves, whose phase velocity is low compared to the Stokes velocity and the swarm of solitary waves will ascend jointly as a diapir, slowly elongating due to a higher amplitude main solitary wave.
Solitary waves will always emerge from a melt perturbation as long as two-phase flow is enabled, but the time for a solitary wave to emerge increases non-linearly with the perturbation radius in terms of compaction length. In nature, in many cases this time might be too long for solitary waves to emerge.
Another important feature when it comes to two-phase flow is the transport of trace elements in melt. Incompatible elements prefer to go into the melt, which eventually enriches the area where it crystallizes again. In order to model this redistribution, the code FDCON was extended to allow for fully consistent transport of elements in melt, including melting, freezing and re-equilibration with time. A 2D model, a simple representation of a volcanic back arc, is set up to investigate the behavior of trace elements. The influence of retention number and re-equilibration time is examined. Lava-lamp like convection can be observed in the lower part of the model, producing melt, that eventually leads to enrichment in trace elements in the upper high-viscous layer. The total enrichment in this layer approaches an asymptotic value and a 0D model is introduced to recreate this behavior.
Chromosomal translocations (CTs) are a genetic hallmark of cancer. They could be identified as recurrent genetic aberrations in hemato-malignancies and solid tumors. More than 40% of all "cancer genes" were identified in recurrent CTs. Most of these CTs result in the production of oncofusion proteins of which many have been studied over the past decades. They influence signaling pathways and/or alter gene expression. However, a precise mechanism for how these CTs arise and occur in a nearly identical fashion in individuals remains to be elucidated. Here, we performed experiments that explain the onset of CTs: proximity of genes able to produce prematurely terminated transcripts, which leads to the production of transspliced fusion RNAs, and finally, the induction of DNA double-strand breaks which are subsequently repaired via EJ repair pathways. Under these conditions, balanced chromosomal translocations could be specifically induced.
Nok Eisen : zentralnigerianische Eisenverhüttung in der Mitte des ersten Jahrtausends vor Christus
(2023)
Based on excavations, excavation documentation and archaeometallurgical analyses, this thesis aims to characterise Nok iron production in central Nigeria through a contextually based investigation.
In 2010, 2011, 2013 and 2016, the Nok research project at Goethe University Frankfurt/Main in collaboration with the National Commission for Museums and Monuments, Nigeria excavated 27 iron-smelting furnaces from 8 sites 60 kilometres north of Abuja. All furnaces date around the middle of the first millennium BCE. Absolute dates, relative pottery chronology and terracotta figurine finds in furnace contexts suggest their affiliation to the Nok context. In comparison, all 27 furnaces resemble each other closely regarding their design and spacial arrangement. The numbers of furnaces per site, furnace width, furnace wall angle and thickness as well as pits beneath the furnaces are just some features with similar qualities. The similarities of the smelting sites also extend into their finds: the structure of tuyères and their position in situ as well as macroscopic slag morphology and distribution. Find morphology and distribution as well as furnace structure suggest a highly standardized way of Nok iron production. However, archaeometallurgical analyses show heterogeneous use of raw materials between sites and/or furnaces. In similarly structured furnaces different kinds of iron ore were smelted leaving a high iron content in the respective slags. This hints at an early stage of iron production in which the smelting process was limited to one operative set-up.
RNA research is very important since RNA molecules are involved in various gene regulatory mechanisms as well as pathways of cell physiology and disease development.1 RNAs have evolved from being considered as carriers of genetic information from DNA to proteins, with the three major types of RNA involved in protein synthesis, including messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA), and ribosomal RNA (rRNA).2 In addition to the RNAs involved in protein synthesis numerous regulatory non-coding RNAs (ncRNAs) have been discovered in the transcriptome. The regulatory ncRNAs are classified into small ncRNAs (sncRNAs) with transcripts less than 200 nucleotides (nt) and long non-coding RNAs (lncRNAs) with more than 200 nt.3
LncRNAs represent the most diverse and versatile class of ncRNAs that can regulate cellular functions of chromatin modification, transcription, and post-transcription through multiple mechanisms.4 They are involved in the formation of RNA:protein, RNA:RNA and RNA:DNA complexes as part of their gene regulatory mechanism.4,5 The RNA:DNA interactions can be divided into RNA:DNA heteroduplex formation, also called R-loops, and RNA:DNA:DNA triplex formation. In triplex formation, RNA binds to the major groove of double-stranded DNA through Hoogsteen or reverse Hoogsteen hydrogen bonding, resulting in parallel or anti-parallel triplexes, respectively. In vitro studies have confirmed the formation of RNA:DNA:DNA triplexes.6 However, the extent to which these interactions occur in cells and their effects on cellular function are still not understood, which is why these structures are so exciting to study (Chapter I RNA:DNA:DNA Triplexes).
This cumulative thesis investigates several functional and regulatory important RNAs. The first project involves the improved biochemical and biophysical characterization of RNA:DNA:DNA triplex formation between lncRNAs of interest and their target genes. Triplex formation was confirmed by a series of experiments including electromobility shift assays (EMSA), thermal melting assays, circular dichroism (CD), and liquid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. The following is a summary of the main findings of these publications.
In research article 5.1, the oxygen-sensitive HIF1α-AS1 was identified as a functionally important triplex-forming lncRNA in human endothelial cells using a combination of bioinformatics techniques, RNA/DNA pulldown, and biophysical experiments. Through RNA:DNA:DNA triplex formation, endogenous HIF1α-AS1 decreases the expression of several genes, including EPH receptor A2 (EPHA2) and adrenomedullin (ADM), by acting as an adaptor for the repressive human silencing hub (HUSH) complex, which has been studied by our collaborators in the groups of Leisegang and Brandes.
2) Triplex formation between HIF1α-AS1 and the target genes EPHA2 and ADM was investigated in biochemical and biophysical studies. The EMSA results indicated that HIF1α-AS1 forms a low mobility RNA:DNA:DNA triplex complex with the EPHA2 DNA target sequence. The CD spectrum of the triplex showed distinct features compared to the EPHA2 DNA duplex and the RNA:DNA heteroduplex. Melting curve analysis revealed a biphasic melting transition for triplexes, with a first melting point corresponding to the dissociation of the RNA strand with melting of the Hoogsteen hydrogen bonds. The second, higher melting temperature corresponds to the melting of stronger Watson-Crick base pairing. Stabilized triplexes were formed using an intramolecular EPHA2 DNA duplex hairpin construct in which both DNA strands were attached to a 5 nucleotide (nt) thymidine linker. This approach allowed improved triplex formation with lower RNA equivalents and higher melting temperatures. By NMR spectroscopy, the triplex characteristic signals were observed in the 1H NMR spectrum, the imino signals in a spectral region between 9 and 12 ppm resulting from the Hoogsteen base pairing. To elucidate the structural and sequence specific Hoogsteen base pairs 2D 1H,1H-NOESY measurements of the EPHA2 DNA duplex and the HIF1α-AS1:EPHA2 triplex were performed. The 1H,1H-NOESY spectrum of the HIF1α-AS1:EPHA2 triplex with a 10-fold excess of RNA was semi-quantitatively analyzed for changes in the DNA duplex spectrum. We discovered, strong and moderate attenuation of cross peak intensities in the imino region of the NOESY spectrum. This attenuation was proposed to result from weakening of Watson-Crick base pairing by Hoogsteen hydrogen bonding induced by RNA binding. The Hoogsteen interactions can be mapped based on the analysis of the cross peak attenuation in the NOESY spectra, which we used to generate a structural model of the RNA:DNA:DNA triplex. These biophysical results support the physiological function of HIF1α as a triplex-forming lncRNA that recruits the HUSH-epigenetic silencing complex to specific target genes such as EPHA2 and ADM, thereby silencing their gene expression through RNA:DNA:DNA triplex formation.
Die vorliegende Arbeit stellt eine auf datenwissenschaftlichen Methoden beruhende Analyse des aktuellen Wissens über mögliche kausale Zusammenhänge zwischen therapeutischen Morphinapplikationen mit Todesfällen dar, welche auf computergestützter Extraktion von Information aus frei verfügbaren Wissensdatenbanken und der Analyse der darin enthaltenen numerischen Information besteht. Die Relevanz der vorliegenden Analyse ergibt sich aus dem weltweit breiten Einsatz von Morphin zur Behandlung starker Schmerzen und der immer wieder vorkommenden Todesfälle während einer Morphintherapie, die regelmäßig zu Gerichtsverfahren mit den verschreibenden Ärzten als Angeklagte führen.
Morphin ist ein Opioid und zählt zu den starken Analgetika der WHO Stufe III. Bei der Applikation von Morphin kann es neben der gewünschten Analgesie auch zur Abflachung der Ventilation bis hin zum fatalen Atemstillstand kommen. In der Literatur wird die Inzidenz von Morphin-assoziierten Todesfällen mit 0,3 bis 4% angegeben. So kommt es in einigen Fällen auch zu strafrechtlichen Ermittlungen und Gerichtsverfahren mit dem Verdacht der vorsätzlichen Tötung oder sogar des Mordes. Die Frage, ob eine Morphinapplikation Ursache für den Tod eines Patienten war, ist nicht einfach zu beantworten, was mit einigen Besonderheiten von Opioid-Analgetika im Allgemeinen und von Morphin im Besonderen zusammenhängt. Für Morphin existieren z.B. keine genau definierten maximalen Dosen. Es wurden bisher lediglich Empfehlungen ausgesprochen, abhängig auch davon, ob ein Patient noch „opioid-naiv“ ist oder bereits Opioide einnimmt und damit ein Gewöhnungseffekt eingetreten ist, welcher neben der Analgesie die Gefahr des Atemstillstandes verringert. Grundsätzlich gilt immer, die Dosis so gering wie möglich und so hoch wie nötig zu halten. Die Dosis wird an die Schmerzintensität adaptiert, wobei nach keine maximal erlaubte Dosis existiert. Besonders bei terminal kranken Patienten ist die Kausalität zwischen therapeutischer Morphinapplikation und dem Tode oft fraglich, und es werden regelmäßig Gutachten eingeholt, die meistens von Rechtsmedizinern, Anästhesisten und klinischen Pharmakologen erstellt werden.
In diesen Gutachten müssen viele Faktoren, die die Wirkungen von Morphin bis hin zum letalen Ausgang beeinflussen können, diskutiert wurden, und die daher Hauptinhalt der vorliegenden Arbeit sind. Dazu gehören die verabreichten Morphindosen und die Konzentrationen von Morphin und seiner Metabolite im Blut, aber auch Charakteristika des Patienten, wie Alter, Vorerkrankungen wie z.B. Leber- oder Niereninsuffizienz, Komedikationen, oder pharmakogenetische Faktoren. Darüber hinaus spielt für die zeitliche Zuordnung einer Morphingabe mit dem Tode die verzögerte Verteilung Morphins an seinen Wirkort (das zentrale Nervensystem) eine wichtige Rolle.
Eine weitere Schwierigkeit, die sich bei Morphin-assoziierten Toden darstellt, ist die oft zur Debatte stehende verabreichte Morphindosis, die nachträglich aus den gemessenen Konzentrationen im Blut des Verstorbenen rekonstruiert werden soll, was oft nicht sicher möglich ist. Die postmortal gemessenen Konzentrationen von Morphin unterliegen relevanten Veränderungen aufgrund postmortaler Flüssigkeitsumverteilung oder des Zerfalls von Morphin, aber auch als Folge von Veränderungen während der Lagerung der Proben.
In unserer Analyse und Auswertung der vorhandenen Literatur zu diesen Themen kamen wir zu dem Ergebnis, dass es gegenwärtig praktisch sehr schwer ist, eine Morphindosis oder -konzentration sicher mit dem Tod eines Patienten in Verbindung zu bringen. Somit bleibt jeder Todesfall individuell und kontext-abhängig und erfordert die Berücksichtigung weiterer Aspekte bei der der strafrechtlichen Aufarbeitung. Zudem kamen wir zu dem Entschluss, dass angesichts dieser bereits seit langen bekannten Problemen mit Morphin und aber auch anderen Opioiden (siehe “opioid crisis” in den USA), die Entwicklung von sichereren stark wirksamen Analgetika als Ersatz für Opioide dringlich ist.
Purpose: The aim of this work was to retrospectively identify prognostic factors for patients with neuroendocrine liver metastases (NELM) undergoing conventional transarterial chemoembolization (c-TACE), microwave ablation (MWA) or laser interstitial thermal therapy (LITT) and to determine the most effective therapy in terms of volume reduction and survival.
Method: Between 1996 and 2020, 130 patients (82 men, 48 women) were treated with c-TACE, 41 patients were additionally treated with thermoablative procedures.
Survival was retrospectively analyzed by using Kaplan-Meier-method. Prognostic factors were derived by using cox-regression. To find predictive factors for volume reduction due to c-TACE, a mixed-effects model was used.
Results: With c-TACE, an overall median volume reduction of 23.5 % was achieved. An average decrease of tumor volume was shown until the 6th c-TACE treatment, then the effect stopped. So, the median volume reduction off all lesions takes on a negative value from the 7th c-TACE intervention onwards. The mixed-effects model demonstrated that c-TACE interventions were most effective at the beginning of c-TACE therapy, and that treatment breaks longer than 90 days negatively influenced the outcome. For all patients evaluable for survival, Kaplan-Meier analysis showed a 1-year survival rate of 75 % and a 5-year survival rate of 36 %. Significant prognostic factors for survival were number of liver lesions (p = 0.0001) and therapeutical intention (p < 0.0001). Considering the clinical indication, 90.9 % of curative patients and 43.6 % of palliative patients responded to c-TACE therapy and thus could be submitted to a thermoablative procedure. Minor and one major complication occurred in 20.3 % of LITT and only in 8.6 % of MWA interventions. Complete ablation was observed in 95.7 % (LITT) and 93.1 % (MWA) of interventions
Conclusions: C-TACE is an effective treatment for volume reduction of NELM, however efficacy decreases after the 6th intervention and treatment breaks longer than 90 days should be avoided. With thermal ablation, a high rate of complete ablation was achieved and survival improved. Significant factors for survival were found and may be used as prognostic factors in the future.
Slack (sequence like a Ca2+ -activated K + channel; also termed Slo2.2, Kcnt1, or KNa 1.1) is a Na+ -activated K + channel that is highly expressed in the peripheral and central nervous system. Previous studies have shown that Slack is enriched in the isolectin B4binding, non-peptidergic subpopulation of C-fiber sensory neurons and that Slack controls the sensory input in neuropathic pain. Recent single-cell RNA-sequencing studies suggested that Slack is highly co-expressed with transient receptor potential (TRP) ankyrin 1 (TRPA1) in sensory neurons. By using in situ hybridization and immunostaining we confirmed that Slack is highly co-localized with TRPA1 in sensory neurons, but only to a minor extent with TRP vanilloid 1. Mice lacking Slack globally or conditionally in sensory neurons (SNS-Slack─/─ ), but not mice lacking Slack conditionally in neurons of the spinal dorsal horn (Lbx1-Slack─/─ ), displayed increased pain behavior after intraplantar injection of the TRPA1 activator allyl isothiocyanate. Patch-clamp recordings with cultured primary neurons and in a HEK-293 cell line transfected with TRPA1 and Slack revealed that Slack-dependent K + currents are modulated in a TRPA1-dependent manner. Taken together, these findings highlight Slack as a modulator of TRPA1-mediated activation of sensory neurons.
Furthermore, we investigated the contribution of Slack in the spinal dorsal horn to pain processing. Lbx1-Slack ─/─ mice demonstrated normal basal pain sensitivity and Complete Freund’s Adjuvant-induced inflammatory pain. Interestingly, we observed a significantly increased spared nerve injury (SNI)-induced neuropathic pain hypersensitivity in Lbx1-Slack ─/─ mutants compared to control littermates. Moreover, we tested the effects of pharmacological Slack activation in the SNI model. Systemic and intrathecal, but not intraplantar administration of the Slack opener loxapine significantly alleviated SNI-induced hypersensitivity in control mice, but only slightly in Lbx1Slack ─/─ mice, further supporting the inhibitory function of Slack in spinal dorsal horn neurons in neuropathic pain processing.
Altogether, our data suggest that Slack in sensory neurons controls TRPA1-induced pain, whereas Slack in spinal dorsal horn neurons inhibits peripheral nerve injury induced neuropathic pain. These data provide further insights into the molecular mechanisms of pain sensation.
The introduction of a trigonal boron atom into a polyaromatic hydrocarbon (PAH) core is an extremely powerful tool to provide organic scaffolds with optoelectronic properties as well as optimal packing in the solid state. However, boron-doped PAHs (B-PAHs) often display low processability due to their poor solubility. The distortion of the molecular scaffold provides a suitable strategy to enhance the solubility properties of B-PAHs while maintaining good stacking properties and sufficient electronic conjugation.
Extreme distortion of the molecular structure can be achieved in helical-shaped PAHs, namely helicenes which are screw-shaped inherently chiral polycycles, formed by ortho-fused aromatic or heteroaromatic rings. The presence of a helical structure in B-PAHs is expected to strongly influence their physico-chemical properties leading to compounds characterized by peculiar features promising for applications in next generation functional materials. Despite the great potential of this class of compounds, only few examples of borahelicenes have been reported in the literature and those mainly consist of carbohelicene-based structures. However, the considerable structural diversity achievable by introducing different boraheterocycles (oxaborine, borole, borepin) and other heteroaromatic rings (thiophene, furan, pyrrole) into the same helical scaffold, suggests that a large variety of compounds with intriguing features could be accessible via currently unexplored synthetic routes. The design, synthesis, and properties investigation of new boraheterohelicenes (BHHs) is therefore a relevant research topic and is the object of this PhD project, aimed to obtain several BHHs with structural diversity, as well as to study their reactivity, electrochemical and photophysical features for better understanding their potential as building blocks for material science.
The thesis work was carried out in part at the University of Milan in the laboratories of Prof. Emanuela Licandro and in part at the Goethe Universität Frankfurt am Main under the supervision of Prof. Dr. Matthias Wagner, within a co-tutelle programme. Owing to the long-standing expertise of Prof. Licandro group in the synthesis of tetrathia helicenes and that of Prof. Dr. Wagner group in the synthesis of boron-doped PAHs (e.g. boron helicene 4BH; Figure 1), I conceived this PhD project designing a series of thiahelicenes containing one or more B-O bond into the helical scaffold.Tetrathia helicenes, consisting of thiophene and benzene rings fused in an alternating fashion, are configurationally stable heterohelicenes which exist as pair of enantiomers.
This class of molecules is particularly interesting since it merges the properties of oligothiophenes with those of helicenes, giving rise to systems with peculiar electronic and chiroptical properties which make them appealing building blocks for applications in manifold fields of science, including optoelectronics, catalysis and biology.
The introduction of trigonal boron atom into a thiahelicene scaffold gives rise to a novel class of unexplored boron π-conjugated molecules with potentially interesting features.
The present Ph.D. thesis was therefore intended to provide a meaningful contribution in the development of innovative and versatile syntheses of BO-doped tetrathia helicenes as well as the study of their stereochemical and optoelectronic properties to identify potential applications of these systems in material science. The first selected structures containing one or two oxaborine rings in the helical scaffold are shown in figure 2. The presence of the bulky mesityl group at the boron atom is necessary to ensure stability to the molecule.
It is noteworthy that compound 2 is the skeletal isomer of 1, as the direction of the B-O bond is opposite in the two molecules. In the course of the research work, after the evaluation of the photophysical properties of 1, helicene 2 was designed to get information on the structure-property relationship and evaluate how the position of the BO-bond into the helical scaffold can influence the electronic properties of BO-doped thiahelicenes.
Die Emergenz digitaler Netzwerke ist auf die ständige Entwicklung und Transformation neuer Informationstechnologien zurückzuführen.
Dieser Strukturwandel führt zu äußerst komplexen Systemen in vielen verschiedenen Lebensbereichen.
Es besteht daher verstärkt die Notwendigkeit, die zugrunde liegenden wesentlichen Eigenschaften von realen Netzwerken zu untersuchen und zu verstehen.
In diesem Zusammenhang wird die Netzwerkanalyse als Mittel für die Untersuchung von Netzwerken herangezogen und stellt beobachtete Strukturen mithilfe mathematischer Modelle dar.
Hierbei, werden in der Regel parametrisierbare Zufallsgraphen verwendet, um eine systematische experimentelle Evaluation von Algorithmen und Datenstrukturen zu ermöglichen.
Angesichts der zunehmenden Menge an Informationen, sind viele Aspekte der Netzwerkanalyse datengesteuert und zur Interpretation auf effiziente Algorithmen angewiesen.
Algorithmische Lösungen müssen daher sowohl die strukturellen Eigenschaften der Eingabe als auch die Besonderheiten der zugrunde liegenden Maschinen, die sie ausführen, sorgfältig berücksichtigen.
Die Generierung und Analyse massiver Netzwerke ist dementsprechend eine anspruchsvolle Aufgabe für sich.
Die vorliegende Arbeit bietet daher algorithmische Lösungen für die Generierung und Analyse massiver Graphen.
Zu diesem Zweck entwickeln wir Algorithmen für das Generieren von Graphen mit vorgegebenen Knotengraden, die Berechnung von Zusammenhangskomponenten massiver Graphen und zertifizierende Grapherkennung für Instanzen, die die Größe des Hauptspeichers überschreiten.
Unsere Algorithmen und Implementierungen sind praktisch effizient für verschiedene Maschinenmodelle und bieten sequentielle, Shared-Memory parallele und/oder I/O-effiziente Lösungen.
Epigenetische Subgruppen diffuser Gliome zeichnen sich durch ein differentielles DNA-Methylierungsmuster und genetische Signaturen aus. Sie werden durch ein unterschiedliches Tumormikromilieu und charakteristische Copy Number Variationen gekennzeichnet. Darüber hinaus gewinnt die DNAmethylierungsbasierte Klassifikation zunehmend an Relevanz in der neuropathologischen Diagnostik und molekulare Marker, wie die IDH-Mutation oder der MGMT-Promotor-Methylierungsstatus, sind von wachsendem therapeutischen Interesse. Die prognostische Relevanz DNA-methylierungsbasierter Subgruppen des Glioblastoms, IDH-Wildtyp ist bislang weitgehend unerforscht, was die Grundlage der vorliegenden Arbeit darstellt.
Es wurden epigenetische und genetische Signaturen von n=500 Tumorproben mit klinischen Parametern, wie dem Gesamtüberleben, dem progressionsfreien Überleben oder dem Resektionsausmaß, in Beziehung gesetzt. Globale DNAMethylierungsdaten, die im Zeitraum von Januar 2017 bis Juli 2021 im Rahmen der neuropathologischen Diagnostik durch die 850k-Methylierungsanalyse generiert wurden, wurden bioinformatisch aufgearbeitet und analysiert. Die zelluläre Zusammensetzung der Tumorproben wurde sowohl mithilfe von in silico-Dekonvolutionen als auch anhand von immunhistochemischen Färbungen an FFPEGewebe untersucht.
Die drei etablierten epigenetischen Subgruppen des Glioblastoms RTK 1, RTK 2 und mesenchymal zeigten keinen signifikanten Unterschied hinsichtlich des Gesamtüberlebens. Das Resektionsausmaß war positiv mit dem Überleben assoziiert. Der MGMT-Promotorstatus war in der untersuchten Kohorte insbesondere bei der epigenetischen Subgruppe mesenchymal von prognostischer Relevanz. Es konnte ein Zusammenhang zwischen dem Vorliegen von Copy Number-Variationen und einem differentiellen Tumormikromilieu gezeigt werden. Im Besonderen ging das Auftreten einer EGFR-Amplifikation oder einer PTEN-Deletion mit einem geringeren Anteil an Immunzellen (LUMPs und CD14-positiven Zellen) und einem größeren Anteil an Cancer Cells einher. Darüber hinaus zeigte das Tumormikromilieu eine prognostische Relevanz. Endothelzellen waren in der GBM,-IDH-Wildtyp-Kohorte positiv mit dem Gesamtüberleben assoziiert, während CD14-positive Zellen, CD4-Effektor-Zellen, Fibroblasten und LUMPs negativ mit dem progressionsfreien Überleben assoziiert waren. Innerhalb der Subgruppe RTK 2 konnte ein Überlebensnachteil für Patienten mit einem höheren Anteil an CD14-positiven Zellen beobachtet werden.
Interessanterweise konnten bei den reinen und gemischten epigenetischen Subgruppen Unterschiede hinsichtlich des klinischen Verlaufes, der zellulären Zusammensetzung sowie der Copy Number-Variationen beobachtet werden.
Diesbezüglich wurde sich im Besonderen auf die Besonderheiten der reinen Subgruppen und die Bedeutung der Koexistenz der Subgruppen mesenchymal und RTK 2 fokussiert. Die Analyse der reinen epigenetischen Subgruppen zeigte ein differentielles Gesamtüberleben, allerdings ohne Signifikanz zu erreichen. Bei den gemischten epigenetischen Subgruppen wurde ein positiver prognostischer Effekt der Subgruppe mesenchymal und ein negativer prognostischer Effekt der Subgruppe RTK 2, sowohl auf das Gesamt- als auch auf das progressionsfreie Überleben, beschrieben. Die gemischten Subgruppen wiesen Charakteristika (CNV und zelluläre Zusammensetzung) der beteiligten reinen Subgruppen auf. Insbesondere die Subklassen RTK 2 und mesenchymal traten gehäuft gemeinsam auf, unterschieden sich jedoch deutlich hinsichtlich CNV und Tumormikromilieus. Dies stellt das Bestreben eines genaueren Verständnisses der molekularen Pathogenese des Glioblastoms und seiner epigenetischen Subgruppen in den Fokus.
This work characterizes the post-PKS modifications of AQ-256. Additionally, the second part describes the establishment of an AQ production platform for electrolyte generation that can be utilized in redox-flow-batteries. Lastly, a silent BGC that encodes the genes for terpenoid biosynthesis was described and characterized with regards to product formation and putative ecological function.
Zur bisherigen Basisdiagnostik bei klinischem Verdacht eines PCa wird den aktuellen Leitlinien zufolge, neben einer fundierten Anamnese und körperlicher Untersuchung, die Bestimmung des PSA-Wertes gezählt. Seit nun mehr als zwei Jahrzehnten hat sich die PSA-Bestimmung zur Früherkennung, aber auch der Überwachung von Patienten mit bereits diagnostiziertem PCa bewährt. Ob die Bestimmung des PSA-Wertes die PCa-spezifische Mortalität adäquat widerspiegelt, wird allerdings in zahlreichen Expertenkreisen weiterhin kontrovers diskutiert. Anlässlich dessen soll die Erforschung neuer Biomarker dazu dienen, das Risiko eines aggressiven PCa gezielter zu erfassen und behandeln zu können. Die Arbeitsgruppe von Tsaur et al. hat in vorausgegangenen Studien auf das vielversprechende Potential von sE-Cadherin als möglichen Biomarker beim PCa hingewiesen [92]. Basierend darauf wurde in der vorliegenden Arbeit untersucht, wie sich das Serumprotein sE-Cadherin auf PCa-Zelllinien vor allem in Hinblick auf die Metastasierung des PCa am in vitro Modell auswirkt. Die Experimente erfolgten an den beiden Androgen-resistenten Zellen PC3 und DU145 sowie der Androgen-sensitiven Zelllinie LNCaP nach Behandlung mit sE-Cadherin. Unbehandelte Zellen dienten jeweils als Kontrolle. Die ersten Versuche beschäftigten sich damit, eine Arbeitskonzentration des sE-Cadherins zu etablieren, welche nachfolgend für alle weiteren Versuche genutzt werden konnte. Die Arbeitskonzentration von sE-Cadherin wurde auf 5 µg/ml festgelegt. Mithilfe des MTT-Assays wurde nachfolgend das Zellwachstum untersucht. Auswirkungen von sE-Cadherin auf den Zellzyklus der genannten PCa-Zelllinien wurden mithilfe der fluoreszenzaktivierten Zellanalyse (FACS) nach erfolgter Zell-Synchronisation evaluiert. Der Einfluss von sE-Cadherin auf die einzelnen Schritte der Metastasierung wurde durch Migrations- und Invasions- sowie Adhäsions-Versuchen an Zellmatrixproteinen (immobilisiertes Kollagen und Fibronektin) untersucht. Mithilfe der Durchflusszytometrie konnte die Beeinflussung von sE-Cadherin auf die Integrinoberflächenprofile analysiert werden. Zur Evaluation relevanter Signalwege erfolgten Western-Blot-Versuche, in denen der Expressionsstatus von Integrin-assoziierten Signalproteinen untersucht wurde. Blockade-Studien dienten der Überprüfung der funktionellen Relevanz einzelner Integrine. Die Behandlung der PCa-Zellen mit sE-Cadherin in der Konzentration von 5 µg/ml führte zur signifikanten Abnahme des Tumorwachstums. Die Zellzyklus-Analyse zeigte einen vermehrten Zell-Arrest in der G0/G1-Phase sowie Abnahme der S-Phase. Des Weiteren führte die sE-Cadherin-Applikation bei allen drei PCa-Zelllinien zur Abnahme der Adhäsionsfähigkeit an Kollagen und Fibronektin. Im Gegensatz dazu konnte gleichzeitig eine Erhöhung der chemotaktischen Bewegung beobachtet werden. Unter der sE-Cadherin-Behandlung kam es zur signifikanten Veränderung der Oberflächenprofile der Integrin-Subtypen α3 und β1. Dessen physiologische Relevanz konnte in Blockadestudien überprüft werden. Es zeigte sich, dass beide Subtypen, jedoch insbesondere β1, in die Adhäsion und Chemotaxis involviert sind. Abschließend kann in Zusammenschau der Experimente und dessen Resultate geschlussfolgert werden, dass sE-Cadherin maßgeblich das Metastasierungspotenzial der verschiedenen Prostatakarzinomzellen steigert, indem es das Zellwachstum stagnieren lässt und gleichzeitig das Herablösen der Tumorzellen von der extrazellulären Matrix sowie den Anschluss an das Blut-/Lymphabflusssystem erleichtert.
Ziel der Arbeit ist es die Eigenschaften und die Häufigkeit von Rezidiven der primär und sekundär therapierten Basalzellkarzinome der MKPG, insbesondere in Abhängigkeit der Lokalisation und des Resektionsstatus zu evaluieren und mit den Ergebnissen der Literatur zu vergleichen, um ein optimiertes chirurgisches Vorgehen zu sichern.
Using walls to navigate the room: egocentric representations of borders for spatial navigation
(2021)
Spatial navigation forms one of the core components of an animal’s behavioural repertoire. Good navigational skills boost survival by allowing one to avoid predators, to search successfully for food in an unpredictable world, and to be able to find a mating partner. As a consequence, the brain has dedicated many of its resources to the processing of spatial information. Decades of seminal work has revealed how the brain is able to form detailed representations of one’s current position, and use an internal cognitive map of the environment to traverse the local space. However, what is much less understood is how neural computations of position depend on distance information of salient external locations such as landmarks, and how these distal places are encoded in the brain.
The work in this thesis explores the role of one brain region in particular, the retrosplenial cortex (RSC), as a key area to implement distance computations in relation to distal landmarks. Previous research has shown that damage to the RSC results in losses of spatial memory and navigation ability, but its exact role in spatial cognition remains unclear. Initial electrophysiological recordings of single cells in the RSC during free exploration behaviour of the animal resulted in the discovery of a new population of neurons that robustly encode distance information towards nearby walls throughout the environment. Activity of these border cells was characterized by high firing rates near all boundaries of the arena that were available to the animal, and sensory manipulation experiments revealed that this activity persisted in the absence of direct visual or somatosensory detection of the wall.
It quickly became apparent that border cell activity was not only modulated by the distance to walls, but was contingent on the direction the animal was facing relative to the boundary. Approximately 40% of neurons displayed significant selectivity to the direction of walls, mostly in the hemifield contra-lateral to the recorded hemisphere, such that a neuron in left RSC is active whenever a wall occupies proximal space on the right side of the animal. Using a cue-rotation paradigm, experiments initially showed that this egocentric direction information was invariant to the physical rotation of the arena. Yet this rotation elicited a corresponding shift in the preferred direction of local head-direction cells, as well as a rotation in the firing fields of spatially-tuned cells in RSC. As a consequence, position and direction encoding in RSC must be bound together, rotating in unison during the environmental manipulations, as information about allocentric boundary locations is integrated with head-direction signals to form egocentric border representations.
It is known that the RSC forms many anatomical connections with other parts of the brain that encode spatial information, like the hippocampus and para-hippocampal areas. The next step was to establish the circuit mechanisms in place for RSC neurons to generate their activity in respect to the distance and direction of walls. A series of inactivation experiments revealed how RSC activity is inter-dependent with one of its communication partners, the medial entorhinal cortex (MEC). Together they form a wider functional network that encodes precise spatial information of borders, with information flowing from the MEC to RSC but not vice versa. While the conjunction between distance and heading direction relative to the outer walls was the main driver of neural activity in RSC, border cells displayed further behavioural correlates related to movement trajectories. Spiking activity in either hemisphere tended to precede turning behaviour on a short time-scale in a way that border cells in the right RSC anticipated right-way turns ~300 ms into the future.
The interpretation of these results is that the RSC’s primary role in spatial cognition is not necessarily on the early sensory processing stage as suggested by previous studies. Instead, it is involved in computations related to the generation of motion plans, using spatial information that is processed in other brain areas to plan and execute future actions. One potential function of the RSC’s role in this process could be to act correctly in relation to the nearby perimeter, such that border cells in one hemisphere are involved in the encoding of walls in the contralateral hemifield, after which the animal makes an ipsilateral turn to avoid collision. Together this supports the idea that the MEC→RSC pathway links the encoding of space and position in the hippocampal system with the brain’s motor action systems, allowing animals to use walls as prominent landmarks to navigate the room.
The scope of this thesis is to elaborate on the use cases of the EEG in pain research. It has been submitted as a cumulative dissertation, meaning that the main part of this thesis has been previously published in international peer-reviewed journals. The first part of this thesis begins with an introduction which describes the general methodoligcal considerations and theoretical background information that is needed to perform pain research using the EEG. Then, I will give a summary of the results of all three studies and the subsequently published manuscripts. The discussion will give an outlook on two ongoing projects and elaborate how the methodology that has been compiled throughout my time as a PhD student can be further applied to scientific problems in pain research. I will conclude with the possibilities and the limitations of the EEG in pain research. The second part of this thesis consists of three publications that cover three individual studies, of which I am the lead/first author. These publications describe different use cases for the EEG in pain research. The first publication lays out the methodological backbone of this thesis, analyzing the exact EEG parameters that are needed to achieve the results in the following projects. Then, I present two additional studies. The first study describes the usefulness of pain-related evoked signatures after standardized noxious stimulation in the EEG in patients undergoing general anesthesia. The second study outlines differences in the pain processing of elite endurance athletes versus a normally active control group. Furthermore, it outlines how the function of the endogenous pain modulatory system can be measured in the EEG using CPM. All studys are discussed individually as per the journal guidelines.
The main aim of this thesis work was to elucidate the catalytic mechanism of several enzyme complexes on the basis of their three-dimensional structure. All investigated enzyme complexes occur in the anaerobic energy metabolism and have an essential function by the challenging degradation of aromatic compounds and the flavin-based electron bifurcation (FBEB)/confurcation, an energy-coupling mechanism. More specifically, I studied the phthaloyl-CoA decarboxylase of Thauera chlorobenzoica (Pcd) involved in phthalate ester decomposition, the FBEB protein complexes lactate dehydrogenase/electron-transfer flavoprotein (Ldh/EtfAB) of Acetobacterium woodii, the heterodisulfide-related subunit HdrA of the sulfur- oxidizing bacteria Hyphomicrobium denitrificans (sHdrA). In addition, I contributed to the structure determination of the caffeyl-CoA reductase- EtfAB complex of A. woodii and the naphthoyl-CoA reductase of the sulfate-respiring enrichment culture N47 (mentioned in the Appendix E and F).
Antimicrobial resistant infections arise as a consequential response to evolutionary mechanisms within microbes which cause them to be protected from the effects of antimicrobials. The frequent occurrence of resistant infections poses a global public health threat as their control has become challenging despite many efforts. The dynamics of such infections are driven by processes at multiple levels. For a long time, mathematical models have proved valuable for unravelling complex mechanisms in the dynamics of infections. In this thesis, we focus on mathematical approaches to modelling the development and spread of resistant infections at between-host (population-wide) and within-host (individual) levels.
Within an individual host, switching between treatments has been identified as one of the methods that can be employed for the gradual eradication of resistant strains on the long term. With this as motivation, we study the problem using dynamical systems and notions from control theory. We present a model based on deterministic logistic differential equations which capture the general dynamics of microbial resistance inside an individual host. Fundamentally, this model describes the spread of resistant infections whilst accounting for evolutionary mutations observed in resistant pathogens and capturing them in mutation matrices. We extend this model to explore the implications of therapy switching from a control theoretic perspective by using switched systems and developing control strategies with the goal of reducing the appearance of drug resistant pathogens within the host.
At the between-host level, we use compartmental models to describe the transmission of infection between multiple individuals in a population. In particular, we make a case study of the evolution and spread of the novel coronavirus (SARS-CoV-2) pandemic. So far, vaccination remains a critical component in the eventual solution to this public health crisis. However, as with many other pathogens, vaccine resistant variants of the virus have been a major concern in control efforts by governments and all stakeholders. Using network theory, we investigate the spread and transmission of the disease on social networks by compartmentalising and studying the progression of the disease in each compartment, considering both the original virus strain and one of its highly transmissible vaccine-resistant mutant strains. We investigate these dynamics in the presence of vaccinations and other interventions. Although vaccinations are of absolute importance during viral outbreaks, resistant variants coupled with population hesitancy towards vaccination can lead to further spread of the virus.
This cumulative thesis discusses the development of optimized force field parameters for Magnesium and resulting improved simulations of Magnesium-RNA interactions, including the in silico exploration of binding sites. This thesis is based on four publications as well as unpublished data. A fifth publication that was written during the time of the Ph.D. is discussed in the Appendix. This publication analyzes monovalent ion-specific effects at mica surfaces.
Nucleic acids in general and RNA in particular are fundamental to life itself. Especially in the folding and function of RNA, metal cations are crucial to screen the negatively charged nucleic acid backbones to allow for complex functional structures. They stabilize the tertiary structure of RNA and even drive its folding. Furthermore, similarly to proteins, RNAs can catalyze multiple reactions, rather than consisting of the 20 amino acids of a protein, RNA constitues of only four different building blocks. Metal cations play an important role here as additional cofactors. One essential ion is Magnesium (Mg2+), commonly referred to as the most important cofactor for nucleic acids. Mg2+ carries two positive charges. Its comparably small size and high charge result in a high charge density that has strong polarizing effects on its surroundings. Furthermore, Mg2+ forms a sharply defined first hydration shell with an integer number of coordinating water molecules. As a result, an exclusion zone exists around the ion within which no water molecules are observed. Moreover, Mg2+ displays a high solvation free energy and a low exchange rate of waters from its first hydration shell. Finally, it contains a strong preference towards oxygens . Together, this makes Mg2+ a particularly well suited interaction partner for the charged non-bridging phosphate oxygens on nucleic acid backbones and explains its crucial biological role.
The immense number of physiological and technological functions and applications indicates the significant scientific attention Mg2+ received. In experimental studies, however, severe difficulties arise for multiple reasons: Mg2+ is spectroscopically silent and cannot be detected directly by resonance techniques like NMR or EPR. Indirect observation is possible, either by detecting changes in the overall RNA structure with and without bound Mg2+, or by replacing the Mg2+ ion with another spectroscopically visible ion. In the latter, however, it cannot be guaranteed that the altered ion does not also alter the interaction site or even the whole structure. Another detection method is X-ray crystallography, but here challenges arise from Mg2+ being almost indistinguish- able from other ions as well as from water if not for very high resolutions and precise stereochemical considerations.
Alternatively, molecular dynamics (MD) simulations can be performed, with the power of adding atomistic insight to the interplay of metal cations and nucleic acids. MD simulations, however, are only as accurate as their underlying interaction models and the development of accurate models for the description of Mg2+ faces challenges especially in describing three properties:
(i) Polarizability. Commonly used simple models like the 12-6 type Lennard-Jones model typically fail to reproduce simultaneously thermodynamic and structural properties of a single ion in water. Alternative strategies include the use of a 12-6-4 type Lennard-Jones potential as proposed by Li and Merz, where the additional r−4 term explicitly accounts for polarization effects. The resulting Lennard-Jones potential is thereby more attractive and more long-ranged than for typical models of the 12-6 type.
(ii) Kinetics. Most Mg2+ models either fully ignore considerations about the timescales on which water exchanges from the first hydration shell of the ion or use inappropriate methodology to calculate the underlying kinetics. A realistic characterization of the involved timescales is imperative to be able to describe a seemingly simple process like the transition from inner-to-outer sphere binding and vice versa. This transition governs most biochemical reactions involving Mg2+ and therefore subsequent processes can only by as fast as the transition itself. However, already the previous step – the exchange of a water from the first hydration shell of the ion – is described my current Mg2+ models up to four orders of magnitude too slowly, which makes the observation of such events on the timescale of a typical simulation difficult or even impossible. Alln ́er et al. [48] as well as Lemkul and MacKerell explicitly considered the exchange rate into their parameter optimization procedure. To compute the rate, both studies applied Transition State Theory along a single reaction coordinate – the distance towards one of the exchanging waters. However, it could be shown that the water exchange from the first hydration shell requires at least the consideration of both exchanging water molecules in order to be able to realistically record the underlying rate using Transition State Theory. Furthermore, the model of Alln ́er et al. significantly underestimates the free energy of solvation of the ion.
(iii) Interactions between Mg2+ and nucleic acids. Typically, ionic force field parame- terization concentrates on the optimization of solution properties. The trans- ferability of these solution optimized parameters towards interactions with biomolecules, however, often fails.
Stress influences health not only directly, but also indirectly through changes in health-related behaviours, such as diet. Research has shown that stress influences individuals’ eating behaviour in different ways: Some increase, some decrease food intake, while others show no change. Identifying individuals at risk for stress-induced eating is essential for the development of tailored strategies for the prevention and treatment of overweight and obesity. The individual-difference model of stress-induced eating suggests that individual differences in the dietary response to stress are determined by differences in learning history, attitudes, or biology. Even though many studies have tried to identify person-characteristics that explain individual differences in the dietary response to stress, evidence remains inconclusive. Considering that eating is a repeated-occurrence health behaviour which is performed multiple times a day, Ecological Momentary Assessment (EMA) seems particularly promising to study the complex relationship between stress and food intake when and where it naturally occurs. Despite its potential, the number of studies applying EMA to assess the stress and eating relationship is limited. Furthermore, previous EMA studies show two limitations: (1) Actual food intake is not assessed and (2) inappropriate data analysis approaches are applied to semicontinuous outcomes. Therefore, the first aim of the present dissertation was to address the lack of an EMA tool that allows the assessment of stress and actual food intake by developing and evaluating the APPetite-mobile-app. Feasibility and usability of the APPetite-mobile-app as well as validity of the incorporated food record were empirically examined (Paper 1). Given the lack of an appropriate data analysis procedure, the second aim of the present dissertation was the introduction of a sophisticated statistical approach for semicontinuous data (Paper 2): Multilevel two-part modelling allows studying the influence of stress on the occurrence (i.e., whether individuals eat) as well as the amount of food intake (i.e., how much individuals eat) while accounting for the potential dependency between the two. Lastly, the novel EMA tool and the advanced data analysis procedure were integrated in order to gain novel insights into individual differences in the dietary response to stress and thereby identify individuals at risk for stress-induced eating in daily life (Paper 3). Results of Paper 1 showed good feasibility and acceptable usability of the APPetite-mobile-app as well as validity of the incorporated food record. Findings of Paper 2 highlight that multilevel two-part models offer novel and distinct insights in terms of the occurrence and the amount of food intake and are therefore not only methodologically but also conceptually promising. Paper 3 provides first evidence that the dietary response to stress might not be as stable as yet assumed. Time-varying factors might moderate the relationship between stress and actual food intake. Therefore, an expansion of the individual-difference model is proposed which accounts for time-varying factors. Further EMA studies are needed to verify the expanded model and identify time-varying factors which influence the dietary response to stress. Beyond that, improvements in the dietary assessment are required in order to allow prolonged EMA periods as well as larger samples. The present dissertation contributes to the research on the stress and eating relationship as it overcomes limitations of previous EMA studies and yields novel insights into the relationship between stress and actual food intake in daily life. Not only identifying individuals at risk for stress-induced eating, but also the identification of situations with an increased risk for stress-induced eating appears to be important for the development of targeted strategies for the prevention and treatment of overweight and obesity.
This work addresses the investigation of the biosynthesis mechanisms of type II polyketide synthase (PKS) and fatty acid synthase (FAS) derived specialized metabolites (SMs) from Photorhabdus laumondii.
The elucidation of the biosynthetic pathway of the bacterial 3,5-dihydroxy-4-isopropyl-trans-stilbene (IPS) was one of the major topics of this thesis. IPS exhibits several bioactive characteristics as it inhibits the phenoloxidase of insects, acts antibacterial, but also influences the soluble epoxide hydrolase which is involved in inflammatory reactions. It was recently approved as a treatment against psoriasis by the FDA and is the first Photorhabdus derived drug.
The stilbene generation in Photorhabdus requires the formation of the two acyl-carrier-protein (ACP) bound 5-phenyl-2,4-pentadienoyl- and isovaleryl-β-ketoacyl-moieties. The ketosynthase (KS)/cyclase StlD catalyzes a ring formation via a Michael-addition between the two intermediates which is then further processed by an aromatase. The formation of 5-phenyl-2,4-pentadienoyl-ACP was shown via in vitro assays with purified proteins by proving the influence of the KS FabH, ketoreductase FabG and dehydratase FabA or FabZ of the fatty acid metabolism. While E. coli was able to complement most of these enzymes in attempts to produce IPS in the heterologous host, the Photorhabdus derived FabH was not replaceable despite 73 % sequence identity with the E. coli based isoenzyme, acting as a gatekeeper enzyme for cinnamic acid (CA) moieties. Furthermore, the ability to incorporate meta-substituted halogenated CA-derivatives was shown in order to produce 3-chloro- and 3-bromo-IPS. While studying the stilbene biosynthesis, the ability of Photorhabdus and Xenorhabdus to produce hydrazines was also discovered.
The second investigated biosynthesis was the formation of benzylideneacetone (BZA). BZA is produced by Photorhabdus and Xenorhabdus strains acting as a suppressor for the immune cascade of insects and has also antibiotic activities towards Gram-negative bacteria. Due to its structural similarity towards CA and the intermediates during the stilbene formation, a shared mechanism for Photorhabdus and Xenorhabdus budapestensis was proposed due to their ability to produce CA. The production of BZA was also dependent on the stilbene related CoA-ligase, the ACP and FabH. It was verified in vitro and in vivo in E. coli yielding a 150-fold increase of the BZA production compared to the Photorhabdus and Xenorhabdus wildtype (WT) strains.
The second part of this work deals with the optimization of P. laumondii strains regarding the production titers of IPS. Therefore, several deletions of other SM related genes as well as promoter exchanges in front of stilbene related genes were carried out. These approaches were combined with the upregulation of the phenylalanine by heterologous plasmid expression, since it is the precursor of CA. Another approach applied in parallel was the optimization of the cultivation conditions with different media and supplementation with XAD-resins. It was proved that media rich on fatty acids or peptides led to higher optical densities of the cultures and thus to higher titers of stilbenes. Since IPS is inhibiting the phenoloxidase, an enzyme important for the insect immunity, it was hypothesized that cultivation in media containing insects might enhance the output of this SM. Starting from 23 mg/l of IPS in the P. laumondii WT strain, it was possible to increase the production levels to more than 860 mg/l by utilizing the mentioned approaches.
The last topic of this thesis focuses on the production of epoxidated IPS (EPS) and its derivatives. Under laboratory conditions, only a low titer of EPS was observed for the wildtype strain. However, the optimized IPS strains and IPS-production conditions could also be applied for EPS which led to higher productions and also to the detection of many new derivatives. Most of the EPS derivatives were amino acid or peptide derived acting as nucleophiles to open the epoxide ring and yielding β-amino-alcohols. However, purification and chemical synthesis attempts to obtain EPS failed due to its poor stability. Epoxides were utilized in in vitro assays with amino acids, peptides and proteins to get insights whether epoxidations might act as posttranslational modification in Photorhabdus. The reactions were performed with styrene oxide and stilbene oxide replacing EPS based on their structural similarity. The modifications were executed successfully although proteomics approaches with in vivo data are required to confirm these findings. During the purification attempts of EPS, further derivatives were detected. The structures of dimerized stilbenes, a cis-isomer of IPS and another derivative that might incorporate an amino-group in the resveratrol ring were proposed on the basis of the HPLC-MS data.
This research attempts to provide for an overview of the state of co-operation between the United Nations and regional organizations like the CoE, OSCE, EU and NATO during the last Yugoslav wars, considering the 1991-2008 period. In this case, the "reconstruction" of what the organisations did in each of the countries involved in the conflicts, the country-by-country approach used in writing the research and the consideration of both headquarters and field level should facilitate the understanding of the state of things at that time. The research further includes an analysis of the co-operative trends developed by the considered international organisations since the beginning of the 1990s and is concluded by a reflection on the normative relevance of the issue of "international cooperation". In this case, the intention of the author was to go beyond the general policy level approach used for the description of UN-regional organizations interaction and propose a re-consideration of the concept of "international co-operation" as a possible normative tool in guiding the so far nebulous division of tasks of international actors in conflict-related scenarios. In this case, the concise description of the general framework for co-operation under Chapter VIII of the UN Charter, already matter of wide debate by academics and practitioners, sets the frame for a more elaborate, and hopefully innovative, consideration of the notion of "international cooperation". This, of course, is to be contextualized to the lessons learned extrapolated from the case study.
Post-translational modifications (PTMs) of cell fate regulating proteins determine their stability, localization and function and control the activation of cell protective signaling pathways. Particularly in aberrantly dividing cancer cells the surveillance of cell cycle progression is essential to control tumorigenicity. In a variety of carcinomas, lymphomas and leukemias, the tumor-suppressive functions of the apoptosis- and senescence-regulating promyelocytic leukemia protein (PML) is controlled by numerous PTMs. PML poly-ubiquitylation and polySUMOylation at several lysine (K) residues induce PML degradation that is correlated to a progressive and invasive cancer phenotype. Besides several known E3 ubiquitin protein ligases that are involved in PML degradation, less is known about PML-specific deubiquitylases (DUBs), the respective DUB-controlled ubiquitin conjugation sites and the functional consequences of PML (de)ubiquitylation. Here, we show that the pro-tumorigenic DUB USP22 critically regulates PML protein stability by modifying PML residue K394 in advanced colon carcinoma cells in vitro and that this modification also impacts the homeostasis and function of the leukemia-associated mutant variant PML-RARα. We found that ablation of USP22 decreases PML mono-ubiquitylation and correlates with a prolonged protein half-live in colon carcinoma and acute promyelocytic leukemia (APL) cell lines. Additionally, silencing of USP22 enhances interferon and interferon-stimulated gene (ISG) expression in APL cells in vitro, which together with prolonged PML-RARα stability increases the APL cell sensitivity towards differentiation treatment. In accordance with the novel roles of USP22 as suppressor of the interferon response in human intestinal epithelial cells (hIECs), our findings imply USP22-dependent surveillance of PML-RARα stability and interferon signaling in human leukemia cells, revealing USP22 as central regulator of leukemia pathogenesis.
Einleitung
Das MUTARS® RS Cup-System der Firma implantcast GmbH (Buxtehude, Deutschland) ergänzt seit 2012 die Implantatgruppe der Abstützschalen mit seitlichen Laschen, die der operativen Versorgung ausgedehnter Acetabulumdefekte dienen. Diese technisch weiterentwickelte Revisionspfanne wird mittels Press-Fit Methode in das Acetabulum eingebracht und im Anschluss mit dem passenden Inlay zementfrei als integriertes System gekoppelt. Somit steht dieses innovative Konzept in Konkurrenz zu dem seit vielen Jahrzehnten angewandten BS-Ring, bei dem das Inlay in die Revisionspfanne einzementiert werden muss. Da Alterungsprozesse die Materialeigenschaften des Zements verändern, kann diese Fixierung im Lauf der Zeit brüchig werden. Lockerungen des Inlays bis hin zum Ausbrechen der Zementfixierung aus der Revisionspfanne sind die komplikationsträchtige Konsequenz. Durch Verwendung der MUTARS® RS Cup als integriertes System lassen sich diese Schnittstelle und die damit verbundenen Nachteile vermeiden. Neben der Möglichkeit, einen Standard-Prothesenkopf zu implantieren, kann das System für luxationsgefährdete Patienten problemlos und ebenfalls zementfrei auf ein tripolares Prothesendesign erweitert werden. Diese Arbeit beschreibt den Einsatz des MUTARS® RS Cup-Systems sowohl in der primären Acetabulumchirurgie als auch im Rahmen aufwendiger Revisionseingriffe nach endoprothetischen Hüftgelenkoperationen und zeigt geeignete Indikationen sowie Anwendungsbeschränkungen auf. Aspekte der präoperativen Planung und der intraoperativen Handhabung des Systems werden ebenso abgebildet wie Komplikationen, die sich im kurz- bis mittelfristigen postoperativen Intervall ergaben.
Material und Methode
In diese retrospektive Studie wurden alle Patienten eingeschlossen, die im Zeitraum von März 2016 bis März 2021 eine Implantation des MUTARS® RS Cup-Systems am Universitätsklinik Frankfurt am Main erhielten.
Ergebnisse
Es wurden 52 Implantationen bei 49 Patienten durchgeführt, wobei sich das Studienkollektiv aus 28 Männern und 21 Frauen mit einem Durchschnittsalter von 76,1 (Spannweite 36,9-94,4) Jahren zusammensetzt. Elf unterschiedliche Ursachen lagen den Acetabulumdefekten zugrunde. Wir implantierten das integrierte System erfolgreich sowohl bei Indikationen, die eine Wechseloperation der Prothesenpfanne notwendig machten, als auch bei Patienten mit schwerwiegenden primären Acetabulumfrakturen sowie instabilen Defekten anderer Genese. In mehr als der Hälfte der Fälle handelte es sich bei dem Indexeingriff um eine Revisionsarthroplastik des betreffenden Hüftgelenks und 80% der Patienten wiesen einen ausgedehnten Substanzdefekt auf (Paprosky-Typ 3A oder höher). Eine arterielle Nachblutung, fünf tiefe Wundinfektionen (10%) sowie sechs Luxationen des Prothesenkopfs (12%) – wobei diese in zwei Fällen mit einer sekundären Dislokation der Revisionspfanne einherging – führten zu Folgeinterventionen. Innerhalb des 5-jährigen Auswertungszeitraums wurden fünf der 52 MUTARS® RS Cup-Systeme explantiert (drei aufgrund septischer und zwei bei aseptisch-mechanischer Ursache), was einer Ausfallrate von 9,6% entspricht.
Schlussfolgerung
Eine älter werdende Gesellschaft und die steigende Zahl an Erstimplantationen einer H-TEP verdeutlichen die Forderung nach innovativen Systemen, wie sie gerade bei chirurgisch komplexen Revisionsarthroplastiken dringend benötigt werden. Entsprechend den Erfahrungen unserer Universitätsklinik und basierend auf den Ergebnissen dieser Studie liefert das MUTARS® RS Cup-System einen wertvollen Beitrag in dieser Fragestellung. Bei korrekter Indikationsstellung lässt sich eine gute Primärstabilität des Systems erzielen, weshalb es aus unserer Sicht ein sicheres Revisionssystem zur Wiederherstellung einer stabilen Gelenksituation bei schwerwiegenden Acetabulumverletzungen darstellt. Das technisch überarbeitete System überzeugt zudem durch seine zuverlässige intraoperative Handhabung und seine hervorragende Modularität, wobei die zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Prothesenkomponenten eine vielseitige Anwendung gewährleisten.
The visual system encompasses about 20% of the cerebral cortex1 and plays a pivotal role in higher-order cognitive processes such as attention and working memory. Cognitive impairments constitute a central role in neuropsychiatric disorders such as schizophrenia (SZ). Impairments are described in visual perceptual processes including contrast, and emotion discrimination as well as in the ability to identify visual irregularities and in higher-order cognition like visual attention and working memory. Furthermore, perceptual and higher-order cognitive processes are part of the Research Domain Criteria (RDoC) project that aims to develop dimensional and transdiagnostic constructs with defined links to specific brain circuits.Therefore, the detailed study of the visual system using functional magnetic resonance imaging (fMRI) is essential to understand the processes in healthy individuals but also in populations with neuropsychiatric disorders. Visual mapping techniques include functional localizer tasks to map functionally defined regions like the fusiform face area (FFA), retinotopic mapping to map specific brain regions that are retinotopically organized in full, and visual-field localizer paradigms to define circumscribed areas within retinotopically organized areas.Thus, the latter allow studying local information processing in early visual areas. Despite advances in neuroimaging techniques, analyses of fMRI data at the group-level are impeded by interindividual macroanatomical variability. This reduces the reliability to accurately define visual areas particularly at the group-level and decreases statistical power. Single-subject based solutions for this problem are not appropriate. Analyses after volume-based alignment (VBA) and primary surface-based analyses without macroanatomical alignment do not increase macroanatomical correspondence sufficiently. Cortex-based alignment (CBA) approaches are recommended as an alternative technique to address this obstacle. However, CBA has not been evaluated for visual-field localizer paradigms. Therefore, we aimed to evaluate potential benefits of CBA for an attention-enhanced visual field localizer paradigm that maps circumscribed regions in retinotopically organized visual areas. Since previous studies solely compared surface-based data before and after CBA, we aimed to compare all three techniques: (1) a volume-based alignment (VBA), (2) a surface-based data set without (SBAV) and (3) a surface- based data set with macroanatomical alignment (CBA). Furthermore, we sought to define regions of interest (ROI) that subsequently can be used for the study of higher-order cognitive processes. Also, we aimed to investigate whether CBA facilitates the study of functional asymmetries in early visual areas as these were described in previous studies. Healthy volunteers (n=50) underwent fMRI in a 3- Tesla Siemens Trio scanner while performing an attention-enhanced visual field localizer paradigm. Our task consisted of a series of flickering, black-and white colored checkerboard stimuli that randomly appeared at one of four locations comprising the participants’ visual quadrants. In 25% of the trials the centrally located squares briefly changed their color to yellow (target trial). Participants had to indicate detection of a target by button press. Data analysis was conducted using Brain Voyager 20.6. Our approach for macroanatomical alignment included a high-resolution, multiscale curvature driven alignment procedure minimizing interindividual macroanatomical variability. Here, each folding pattern was aligned to a dynamically updated group average. Thus, we counteracted a possible confounding effect of a suboptimal selection of an individual target brain with a folding pattern deviating considerably from the cohort average. Group ROIs after CBA showed increased spatial consistency, vertical symmetry, and an increase of size. This was corroborated by an increase in the probability of activation overlap of up to 86%. CBA increased macroanatomical correspondence and thus ameliorated results of multi-subject ROI analyses. Functional differences in the form of a downward bias in visual hemifields were measured with increased reliability. In summary, our findings provide clear evidence for the superiority of CBA for the study of local information processing in early visual cortex at the group-level. This approach is of relevance for the study of visual dysfunction in neuropsychiatric disorders including schizophrenia as they show impaired visual processing that in turn impacts higher-order cognitive processes and in consequence functional outcome. In addition, our attention-enhanced visual field localizer paradigm will be useful for machine learning approaches such as multivariate pattern analysis decoding local information processes and connectivity patterns.
Die Dissertation befasste sich mit der Ausprägung physiologischer Parameter bei Patienten mit Bipolarer Störung in Assoziation mit kognitiver Leistungsfähigkeit. Ziel der Arbeit war es zu überprüfen, ob Symptome einer akuten bipolaren Episode, wie kognitive Störungen und eine reduzierte HRV, sich auch in der Remissionsphase zeigen und miteinander assoziiert sind. Des Weiteren wurde überprüft, ob remittierte bipolare Patienten eine höhere Erregung im ANS, abgeleitet durch physiologische Parameter und der Angst als aktueller Zustand, während der Bearbeitung von kognitiven Aufgaben aufweisen und ob diese Merkmale miteinander und mit residualen manischen oder depressiven Symptomen assoziiert sind. So wurden 26 bipolare Patienten in Remission zu 25 Gesunden rekrutiert und überprüft, ob signifikante Beeinträchtigungen in der HRV und anderen physiologischen Parametern auftreten, ob bipolare Patienten in Remission im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant in den Tests zur kognitiven Leistungsfähigkeit beeinträchtigt sind und ob es Unterschiede zwischen psychopathologischen Auffälligkeiten in den zwei Gruppen gibt. Des Weiteren wurde überprüft, ob die abgeleiteten Parameter miteinander zusammenhängen. Zur Erhebung der kognitiven Fähigkeiten wurden verschiedene testpsychologische Verfahren durchgeführt, wie z. B. der Trail Making Test sowie ein eigens entwickeltes Gedächtnisparadigma mit Lern- und Wiedergabeaufgaben am Computer. Während Letzterem wurden die physiologischen Parameter Fingertemperatur, Hautleitwert, Atem- und Herzfrequenz abgeleitet. Die Parameter der HRV wurden in einer 5-Minuten-Ruhemessung erhoben. Die individuelle Psychopathologie wurde u. a. durch das Beck-Depressions-Inventar und die BechRafaelsen Mania Scale ermittelt. Zur Auswertung der Ergebnisse wurden statistische Analysen berechnet, für die Gruppenvergleiche nichtparametrische Tests und für die Zusammenhangshypothesen Spearman Korrelationen. Die Dissertation konnte zeigen, dass bipolare Patienten in Remission, im Vergleich zu Gesunden, eine reduzierte HRV haben, in exekutiven Funktionen und dem verbalen episodischen Gedächtnis beeinträchtigt sind, höhere depressive Werte und eine höhere durchschnittliche psychische Belastung aufweisen. Die reduzierte HRV in Ruhe spricht dabei für eine anhaltende Dysbalance des ANS in Remission. Kognitive Defizite scheinen die Episoden ebenfalls zu überdauern und nicht nur mit klinischen Zuständen assoziiert zu sein. Die abgeleiteten Parameter waren nicht miteinander assoziiert. Eine Limitation der Dissertation ist, dass zwar viele (z. B. Alter, Geschlecht, Nikotinkonsum), aber nicht alle auf die HRV einflussnehmenden Kovariablen erhoben wurden (wie z.B. der BMI) und die Patienten sich nach DSM-IV Kriterien zwar in Remission befanden, aber nicht symptomfrei waren. Alles in allem können die Ergebnisse helfen, die Ätiologie und Folgen der Bipolaren Störung besser zu verstehen. Bipolare Patienten scheinen auch in Remission eine Dysbalance des ANS und kognitive Defizite zu haben. Eine reduzierte HRV als mögliches Zeichen für eine maladaptive Reaktion auf Stress scheint bei remittierten bipolaren Patienten eine schlechtere Lernleistung nicht weiter zu verschärfen. Remittiere bipolare Patienten zeigen außerdem keine höhere Erregung im ANS während der Bearbeitung von kognitiven Aufgaben als Gesunde.
Kognitive Defizite bestehen über die Episoden hinaus auch bei den remittierten Patienten und stehen nicht mit unterschwelligen depressiven Symptomen oder einer höheren Erregung im ANS in Zusammenhang. In Bezug auf die Behandlung und Rehabilitation sind die reduzierte HRV und die anhaltenden kognitiven Defizite bei remittierten bipolaren Patienten zu berücksichtigen und einzubeziehen. Für zukünftige Studien wäre es sinnvoll die HRV, einhergehend mit neuropsychologischen Beeinträchtigungen, in verschiedenen Episoden (manisch, depressiv, remittiert) zu untersuchen, um etwaige krankheitsübergreifende Veränderungen und Unterschiede zwischen den Episoden und der Remission zu überprüfen.
In order to understand the origin of the elements in the universe, one must understand the nuclear reactions by which atomic nuclei are transformed. There are many different astrophysical environments that fulfill the conditions of different nucleosynthesis processes. Even though great progress has been made in recent decades in understanding the origin of the elements in the universe, some questions remain unanswered. In order to understand the processes, it is necessary to measure cross sections of the involved reactions and constrain theoretical model predictions. A variety of methods have been developed to measure nuclear reaction cross sections relevant for nuclear astrophysics. In this thesis, two different experiments and their results, both using the well-established activation method, are presented.
A measurement of the proton capture cross section on the p-nuclide 96Ru was performed at the Institute of Structure and Nuclear Astrophysics ISNAP - Notre Dame, USA. The main goal of this experiment was to compare the results with those obtained by Mei et al. in a pioneering experiment using the method of inverse kinematics at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH - Darmstadt, Germany. Therefore, the activations were taken out at the same center of mass energies of 9 MeV, 10 MeV and 11 MeV. Another activation was taken out at an energy of 3.2 MeV to compare the result to a measurement of Bork et al. who also used the activation method. While the results at 3.2 MeV agree quite well with those of Bork et al., the results at higher energies show significantly smaller cross sections than those measured by Mei et al.. Experimental details, the data analysis and sources of uncertainties are discussed.
The second part of this thesis describes a neutron capture cross section experiment. At the Institut für Kernphysik - Goethe Universtität Frankfurt an experimental setup allows to produce quasi maxwell-distributed neutron fields to measure maxwell-averaged cross sections (MACS) relevant for s-process nucleosynthesis. The setup was upgraded by a fast electric linear guide to transport samples from the activation to the detection site. The cyclic activation of the sample allows to increase the signal-to-noise ratio and to measure neutron captures that lead to nuclei with
half-lives on the order of seconds. In a first campaign, MACS of the reactions 51V(n,γ), 107,109Ag(n,γ) and 103Rh(n,γ) were measured. The new components of the setup aswell as the data analysis framework are described and the results of the measurements are discussed.
Die Organisation SOS Children's Villages (im Folgenden: SOS) ist eine der größten und ältesten nicht-staatlichen, überkonfessionellen Kinderhilfsorganisationen der Welt. Heute sind mehrere Generationen in Einrichtungen der in 136 Ländern tätigen Organisation aufgewachsen oder haben von ihren Hilfsprogrammen profitiert. Seit der Gründung im Jahr 1949 liegt der Schwerpunkt auf "Kindern und Jugendlichen, die keine elterliche Fürsorge haben oder Gefahr laufen, diese zu verlieren". Trotz der langjährigen weltweiten Präsenz haben sich bisher nur wenige ethnologische Arbeiten mit der Organisation SOS, ihrem Modell und vor allem ihren Teilnehmern beschäftigt.
Die vorliegende Arbeit will diese Lücke schließen. Sie zeigt anhand exemplarischer, biographisch-narrativer Interviews und auf einer multi-sited ethnography basierenden Analysen, wie einzelne Akteure im SOS-Kontext ihrer Vergangenheit begegnen, wie sie Erfahrungen - aus der Zeit unter der Obhut von SOS, aber auch aus der Zeit davor - einordnen und wie diese ihre Gegenwart und auch Zukunft beeinflussen bzw. wie sie heute mit diesen Erinnerungen umgehen. Ziel dieser Arbeit ist es außerdem, am Beispiel von SOS als Entwicklungszusammenarbeit (EZ) im Bereich Kinder, Jugend und Familie zu untersuchen, wie sich EZ-Projekte auf das Leben, die Sichtweisen und Biografien verschiedener Akteure sowie auf bestimmte lokale Zusammenhänge auswirken und wie wiederum Handlungen und individuelle Einstellungen von Akteuren sowie bestimmte lokale Kontexte solche Projekte beeinflussen.
Hierfür habe ich über einen Zeitraum von elf Monaten zwischen Juni 2019 und Mai 2020 an vier Standorten der Organisation in Kenia und Tansania rund 150 Interviews mit verschiedenen Zielgruppen (mit SOS-Mitarbeitern, ehemaligen SOS-Teilnehmern, aktuellen SOS-Teilnehmern sowie Gemeindevertretern) geführt.
Die Studie liefert also Ergebnisse auf mehreren Ebenen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Akteure meiner Untersuchung ihrer Vergangenheit und den Erinnerungen daran im Erwachsenenalter durch Aneignungsprozesse begegnen, die es ihnen ermöglichen, diese Erinnerungen und Erfahrungen kohärent in ihre eigene Biografie einzuordnen. Dieser Umgang mit der eigenen Geschichte ermöglicht es den ehemaligen SOS-Teilnehmern, sich die Struktur, die ihrer Kindheit zugrunde lag, nämlich die der internationalen Hilfsorganisation SOS, anzueignen und darüber Handlungen und Verhaltensweisen auch in ihrer Gegenwart und Zukunft zu definieren und zu legitimieren, und SOS als Zentrum ihrer Kindheit auch im Erwachsenenalter auf unterschiedliche Weise in Besitz zu nehmen. Dabei erfüllen sie nicht immer die Erwartungen, die von organisatorischer Seite an ihr Verhalten oder ihre Interpretation von Organisationskonzepten und -prinzipien gestellt werden. Da durch das Organisationsmodell evozierte Probleme wie fehlende Zugehörigkeiten oder Schwierigkeiten beim Übergang in die Selbstständigkeit durch lebensweltliche Diskrepanzen im Vergleich zu lokalen Kontexten über die Lebenswege und Erfahrungen der (ehemaligen) Teilnehmer sichtbar werden, schreibe ich nicht zuletzt den Teilnehmern und ihrem Umgang mit diesen Erfahrungen einen Anteil an den Transformationsprozessen zu, in denen sich die Organisation aktuell befindet.
Einführung: Eitrige und abszedierende Infektionen sind ein häufiges Problem in der zahnärztlichen, oral- und kieferchirurgischen Praxis. Bei entsprechender Indikation finden Antibiotika zur Therapie von odontogenen Infektionen oder Weichteilinfektionen im Bereich des Kopfes Einsatz. Auch prophylaktische Gaben von Antibiotika sind in diesem Fachgebiet nicht selten. Deswegen sollte die kalkulierte antiinfektive Chemotherapie auf soliden pharmakologischen Daten beruhen.
Material und Methoden: Von 520 Patienten der mund-kiefer-gesichtschirurgischen Praxisklinik Kaufbeuren wurden die 1.182 antibiotischen in vitro Testungen aus dem Zeitraum 22.11.2010 bis 31.12.2016 ausgewertet. Das Durchschnittsalter der 51% weiblichen und 49% männlichen Patienten betrug 49,1 Jahre. Die Patienten wurden stratifiziert nach Diagnosen, Gesundheitszustand und Alter. Es wurden die Ergebnisse der Suszeptibilitätstestungen folgender gängiger Antibiotika ausgewertet: Amoxicillin/Clavulansäure, Ampicillin, Oxacillin, Penicillin G/V, Cefazolin, Cefuroxim, Cefpodoxim, Azithromycin, Clarithromycin, Erythromycin, Ciprofloxacin, Levofloxacin, Moxifloxacin, Ofloxacin, Clindamycin, Gentamycin, Cotrimoxazol, Doxycyclin und Metronidazol.
Ergebnisse: Im Mittel (alle getesteten Keime) liefern Amoxicillin/Clavulansäure (96,6%), Cefpodoxim (95,7%), Cefuroxim (90,1%) und Moxifloxacin (91,0%) durchgängig sehr gute Sensibilitätswerte bei hoher statistischer Signifikanz (p<0,001).
Für Ampicillin (86,3%), Cefazolin (85,5%), Levofloxacin (82,5%), Cotrimoxazol (77,5%), Doxycyclin (75,0%), Penicillin G/V (72,5%), Clindamycin (61,8%), Azithromycin (59,9%), Clarithromycin (59,6%), Oxacillin (54,0%), Erythromycin (51,7%) und Ciprofloxacin (36,2%) lagen die getesteten durchschnittlichen Sensibilitäten deutlich niedriger mit je nach Untergruppe deutlichen Unterschieden.
Konklusion: Die von uns ermittelten in vitro Suszeptibilitäten von Amoxicillin/ Clavulansäure, Cefpodoxim, Cefuroxim und Moxifloxacin unterstützen die Empfehlung zum therapeutischen Einsatz bei odontogenen Infektionen oder Weichteilinfektionen im Kopf-Hals-Bereich sowie deren prophylaktische Verwendung zum Beispiel bei Endokarditis-Risiken in der Zahnmedizin oder Mund-/Kiefer-/Gesichtschirurgie.
In Vorarbeiten wurde gezeigt, dass der Kaliumkanal Slack an der Verarbeitung neuropathischer Schmerzen funktionell beteiligt ist und dass das klassische Neuroleptikum Loxapin Slack-abhängig neuropathisches Schmerzverhalten im Mausmodell lindert (Lu et al. 2015).
Ausgehend von Loxapin als Leitstruktur wurden in der vorliegenden Arbeit im FluxOR™ Kaliumkanal-Assay an Slack-transfizierten HEK-Zellen insgesamt 68 neue Loxapin-Derivate gescreent. Hierbei wurden 23 Substanzen mit Slack-aktivierenden Eigenschaften identifiziert, von denen VHP93, VH408 und VH425 weiter in vivo untersucht wurden. Dabei zeigten Mäuse nach systemischer Gabe von VHP93 ein reduziertes Verhalten in einem Modell für neuropathische Schmerzen. Dem gegenüber wurde durch VH408 das Verhalten im neuropathischen Schmerzmodell nicht beeinflusst.
Des Weiteren konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass durch eine Slack-Aktivierung nicht nur neuropathisches Schmerzverhalten gehemmt wird, sondern auch die Kratzreaktionen im Chloroquin-Modell des Histamin-unabhängigen Juckreizes reduziert werden können.
Neben Slack wurde in dieser Arbeit auch die Gewebsexpression und funktionelle Bedeutung des eng mit Slack verwandten Kaliumkanals Slick charakterisiert. Expressionsanalysen ergaben, dass Slick überwiegend in dünn myelinisierten A-delta-Fasern und inhibitorischen Interneuronen im Dorsalhorn des Rückenmarks lokalisiert ist. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigten, dass Slick-Knockout-Mäuse ein erhöhtes Schmerzverhalten nach thermischer Stimulation aufwiesen. Außerdem wurde bei Slick-Knockout-Mäusen in der späten Phase des Capsaicin- und Formalin-Tests ein signifikant erhöhtes Leckverhalten verzeichnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit Hinweise auf eine funktionelle Beteiligung von Slick bei der Detektion von Hitzeschmerzen und bei der TRPV1- und TRPA1-vermittelten Schmerzantwort. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass Slick vorrangig an der Verarbeitung thermischer und chemischer Noxen beteiligt ist und dabei eine antinozizeptive Funktion ausübt.
This dissertation deals with the lexical, morphological, syntactic, and semantic properties of (VP )idioms and their behavior in combination with restrictive relative clauses, raising, constituent fronting, wh-movement, VP-ellipsis, pronominalization, the progressive form, verb placement, passivization, conjunction modification, and the N-after-N construction. It provides empirical evidence towards a combinatorial analysis of both semantically non-decomposable idioms (SNDIs) and semantically decomposable idioms (SDIs) and contributes to the (formal) formulation of such an account.
The Introduction (Chapter 1) first motivates why idioms are an exciting and challenging phenomenon and then gives a definition of the term idiom, a classification of idioms, and an overview of the wide spectrum of idiom analyses found in the linguistic literature.
Chapter 2, “Idioms as evidence for the proper analysis of relative clauses”, shows that the Modification Analysis beats the other two major analyses of restrictive relative clauses (RRCs), namely Raising and Matching, as (i) the latter two lead to a loss of numerous empirical generalizations in syntax and morphology, and (ii) contrary to the assumption in the literature, idioms in RRCs can, in fact, be licensed without literal syntactic movement of the RRC-head, which makes modification fully compatible with idiom reconstruction effects.
Chapter 3, “How frozen are frozen idioms?”, presents new empirical observations on the lexical, morphological, and syntactic flexibility of kick the bucket and displays that this idiom is not completely frozen with respect to its NP complement, the progressive form, and, in some contexts, even passivization. The chapter concludes that analyses of kick the bucket as a single lexical entry should be replaced by analyses of this and other SNDIs with a syntactically regular shape as consisting of individual word-level lexical entries that combine according to the standard rules of syntax.
This idea is taken up in Chapter 4, “The syntactic flexibility of semantically non-decomposable idioms”, which – based on the differences between English and German with regard to verb placement, constituent fronting, and passivization as well as a short outlook on Estonian and French – spells out a combinatorial analysis of SNDIs and augments it with a semantic analysis formulated in Lexical Resource Semantics, according to which some idiom parts make identical semantic contributions to the overall meaning of the idiom. The analysis further suggests that the syntactic flexibility of idioms is due to the semantic and pragmatic constraints on the involved constructions, rather than the syntactic encoding of the idioms.
Chapter 5, “Modification of literal meanings in semantically non-decomposable idioms”, reviews Ernst’s (1981) classical three types of idiom modification (internal, external, and conjunction) to then closely investigate the most challenging type, namely conjunction modification, in SNDIs. Based on naturally occurring examples of four SNDIs (two English, two German), it sketches an analysis in terms of two or more conjoined independent propositions, each of which can be the result of figurative reinterpretation. One of the propositions contains the idiomatic meaning, in (one of) the other(s), the meaning of the modifier applies to the literal meaning of the idiom’s noun.
Chapter 6, “Semantically decomposable idioms in the N-after-N construction”, offers a formal syntactic and semantic account of SDIs like pull strings in the N-after-N construction, as in Kim pulled string after string to get Alex into a good college. While the idiom contributes the type of entity at stake (‘string’ in the case of pull strings), N-after-N contributes that there are several instantiations of that type of entity and that these are subject to temporal or spatial succession. The chapter first summarizes the empirical properties of N-after-N, then provides an account of N-after-N in Head-driven Phrase Structure Grammar (HPSG), presents an updated version of the account of SDIs suggested in Chapter 2 within HPSG, and combines it with the HPSG account of N-after-N.
Die Entartung von B-Zellen stellt den Ursprung vieler maligner Erkrankungen dar. Bei der Prä-B-Zell-ALL, welche 15 % der malignen Erkrankungen im Kindesalter ausmacht, findet die Entartung auf der Entwicklungsstufe der Prä-B-Zellen statt. In der normalen Hämatopoese fungiert der Prä-BZR als Kontrollpunkt in der Entwicklung der B-Zellen, weshalb der Rezeptor sowie die von ihm ausgehenden Signalwege bereits bei vielen hämatologischen Neoplasien als therapeutische Ansatzpunkte in Betracht gezogen wurden.
Der Prä-BZR selbst stellt einen Tumorsuppressor dar: Etwa 13,5 % der Prä-B-Zell-ALL sind von einem aktiven Prä-BZR-Signal abhängig. In entarteten Zellen findet oftmals eine Imitation der Proliferationssignale eines konstitutiv aktiven BZRs statt. Bei Zellen ohne einen funktionellen Rezeptor führt die Rekonstruktion des Rezeptors jedoch zum Zelltod. Sowohl ein zu hohes als auch ein zu niedriges Aktivitätsniveau des Prä-BZRs haben somit einen negativen Effekt auf das Wachstumsverhalten der Zellen zur Folge.
Wichtige downstream des Prä-BZRs vorkommende Effektormoleküle sind die Histonmethyltransferase DOT1L und der Tumorsuppressor BRD7. DOT1L interagiert mit dem Transkriptionsfaktor AF10, der eine bedeutsame Rolle bei der Entstehung von Mixed-lineage-Leukämien spielt; eine DOT1L-Inhibition zeigt daher auch nur bei MLL-rearrangierten Leukämien therapeutische Effekte.
In dieser Dissertationsarbeit konnte der Tumorsuppressorphänotyp von BRD7 aufgezeigt werden. Außerdem zeigten sich Effekte auf den PI3K- sowie den MEK-Signalweg durch Dephosphorylierung der Kinasen AKT und ERK. Dieser Aspekt kann mithilfe einer hypothetischen Feedback-Schleife zwischen BRD7, dem PI3K-Signalweg sowie dem Prä-BZR erklärt werden. BRD7 und Gene des PI3K-Signalwegs könnten hierbei über Chromatin-Remodellierung miteinander interagieren. Die Analyse der Phosphosite von BRD7 stellt einen essenziellen Aspekt dar, um diese Feedback-Schleife experimentell zu validieren.
Auf der anderen Seite führte auch die Inaktivierung von BRD7 zu negativen Effekten auf das Wachstumsverhalten der Zellen. Ähnlich wie der Transkriptionsfaktor TCF3, der einen oberen Schwellenwert besitzt, könnte BRD7 einen unteren Schwellenwert besitzen, unter welchem
wachstumshemmende Effekte hervorgerufen werden. Außerdem sind auch proapoptotische Wirkungen für eine Überaktivierung des ERK- und des AKT-Signalwegs beschrieben worden, beispielsweise über die Hemmung des AKT-Inhibitors PTEN.
Durch massenspektrometrische Analysen konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von BRD7 die Komplexe der mitochondrialen Atmungskette hochreguliert. Die proliferationshemmenden Effekte des PI3K-Signalwegs überwiegen jedoch vermutlich diese positiven Effekte auf die Energiegewinnung der Tumorzellen. Alternativ könnte es sich in den Tumorzellen lediglich um einen Kompensationsmechanismus bei geschädigter oxidativer Phosphorylierung handeln.
Bei der Analyse der molekularen Hintergründe des Wachstumsnachteils der BRD7-überexprimierenden Zellen konnte festgestellt werden, dass die Prä-B-Zellen RCH-ACV vom PI3K-Signalweg, jedoch nicht vom MEK-Signalweg abhängig sind. Es ist denkbar, dass noch weitere Moleküle reguliert werden müssen, damit die Modifikation des MEK-Signalwegs Effekte auf das Wachstumsverhalten und Überleben der Zellen ausübt.
In dieser Arbeit konnten der Prä-BZR und die von ihm ausgehenden Signalwege als gute Ansatzpunkte bei der Therapie der Prä-B-Zell-ALL identifiziert werden. Zwar zeigten sich bei Überexpression und Inhibition von BRD7 nur Effekte auf die Proliferation der Zellen, jedoch existieren vielfältige Interaktionen mit upstream lokalisierten Signalmolekülen (hypothetische Feedback-Schleife). Die dadurch angestoßenen Signalwege können zur Einleitung der Apoptose beitragen. Prinzipiell könnte der Tumorsuppressor BRD7 therapeutisch durch das Designen von Kinasen eingesetzt werden, welche eine gezielte Phosphorylierung und damit konstitutive Aktivierung von BRD7 bewirken, jedoch stellt der Einsatz von etablierten, weiter upstream ansetzenden Kinase-Inhibitoren einen effektiveren therapeutischen Ansatzpunkt zur Apoptoseeinleitung im Patienten dar.
Lungensonographie bei Patienten mit HIV und AIDS
Ziele und Methoden: Vor dem Hintergrund mehrerer retrospektiven Studien und Fallserien zur Anwendung des Lungenultraschalls zur Diagnose HIV-assoziierter Lungenerkrankungen führten wir eine prospektive Studie in der Abteilung für Infektiologie am Klinikum der Goethe-Universität Frankfurt durch. Wir schlossen hierbei Patientinnen und Patienten ein, bei denen durch konventionelle Diagnostik eine Lungenerkrankung nachzuweisen oder auszuschließen war, und führten zeitnah zur konventionellen Diagnostik verblindete Ultraschalluntersuchungen durch. Diese wurden zudem verblindet von zwei weiteren Ultraschalluntersuchern reevaluiert, basierend darauf wurde die Interrater-Reliabilität zwischen den drei Befunden errechnet. Die konventionell-radiologischen Untersuchungen wurden verblindet von einem weiteren Radiologen befundet.
Ergebnisse: Wir untersuchten 80 HIV-positive Patienten, von denen 54 nachweislich eine pulmonale Erkrankung hatten. Die häufigsten Diagnosen waren Pneumocystis jirovecii-Pneumonien (21 Fälle), bakterielle Pneumonien (17 Fälle) und andere Diagnosen (16 Fälle). Die Lungenultraschalluntersuchungen zeigten bei 90.7% der Patienten mit pulmonaler Diagnose und bei 34.5% der lungengesunden Patienten Auffälligkeiten. Die CT-Untersuchungen fanden Pathologien in 97.5% der Erkrankten und 27.3% der Gesunden. Röntgenuntersuchungen zeigten bei 78.1% der Erkrankten und bei 25% der Gesunden pathologische Befunde. Die häufigsten Pathologien in allen Modalitäten waren interstitielle Veränderungen. Diese zeigten in der Lungenultraschalluntersuchung keinen signifikanten Unterschied zwischen den verschiedenen Lungenerkrankungen, waren jedoch signifikant häufiger als bei Patienten ohne Lungenerkrankung. Konsolidierungen und Pleuraergüsse waren im Lungenultraschall zwar häufiger bei Erkrankten, aber nicht signifikant gegenüber den Gesunden. Die Interrater-Reliabilität des Lungenultraschalls war hoch für interstitielle Pathologien (ICC=0.82) ohne nennenswerte Änderungen im Studienverlauf (r=-0.11), und niedriger bei Konsolidierungen und Ergüssen (jeweils κ=0.12) mit positivem Zusammenhang zur Studiendauer (r=0.88 für Konsolidierungen, r=0.37 für Ergüsse).
Diskussion: Lungenerkrankungen sind bei HIV-Patienten im Ultraschall am häufigsten durch interstitielle Pathologien nachzuweisen, diese allein erlauben allerdings keine Unterscheidung zwischen verschiedenen Erkrankungen. Die Sensitivität der Ultraschalluntersuchung ist geringer als die der Computertomographie, jedoch höher als die Sensitivität des Röntgens. Interstitielle Pathologien werden bereits nach kurzer Lernphase reliabel identifiziert. Konsolidierungen und Ergüsse waren seltenere Befunde, und scheinen eine längere Lernphase zu benötigen, da die Interrater-Reliabilität im Verlauf der Studie ansteigt. In allen Modalitäten zeigten auch gesunde Patienten bildgebend Auffälligkeiten, was den positiv prädiktiven Wert bei niedrigerer Prävalenz negativ beeinflussen kann.
Lungensonographie bei Patienten mit COVID-19
Ziele und Methoden: Im Rahmen der seit Ende 2019 andauernden COVID-19 Pandemie boten sich die erlernten Sonographiekenntnisse für die bettseitige Diagnostik dieser neuen Lungenerkrankung an. Aufgrund der Pathogenität des neuartigen Erregers wandten wir die Lungensonographie zur Diagnostik unter Isolationsbedingungen an, um Transporte für konventionelle Bildgebung zu reduzieren. Bettseitig durchgeführte Lungensonographien bei SARS-CoV-2-positiven Patientinnen und Patienten wurden mit durchgeführter konventioneller Bildgebung im Rahmen dieser retrospektiven Fallserie verglichen.
Ergebnisse: Die Ultraschalluntersuchungen von 17 Patientinnen und Patienten wurden ausgewertet, hiervon zeigten 14 Untersuchungen Pathologien. In neun Fällen wurden interstitielle Pathologien beobachtet, fünf dieser Fälle zeigten zusätzlich Konsolidierungen.
Drei Patienten hatten außer Konsolidierungen keine weiteren Pathologien. Pleuraergüsse wurden in drei Fällen beobachtet, Pleuraplaques bei einem Patienten. In 5 von 7 Fällen mit auffälligem Thorax-CT zeigte die Lungensonographie Pathologien. Die Lungensonographie zeigte in jedem Fall Pathologien, in dem auch das Röntgen auffällig war.
Diskussion: Diese Fallserie zeigt die Anwendung der Sonographie als bettseitige Lungendiagnostik unter Isolationsbedingungen. Interstitielle Pathologien und Konsolidierungen scheinen die relevantesten Hinweise auf eine pulmonale Beteiligung im Rahmen der COVID-19-Erkrankung zu sein. Wegen der geringen Fallzahl und des retrospektiven Designs ist die Aussagekraft dieser Substudie gering, jedoch zeigt sie die Umsetzbarkeit der Sonographie als bildgebendes Verfahren, wenn aufgrund notwendiger Isolationsmaßnahmen und hoher Fallzahlen konventionelle Bildgebung erschwert ist.
We thoroughly study the properties of conically stable polynomials and imaginary projections. A multivariate complex polynomial is called stable if its nonzero whenever all coordinates of the respective argument have a positive imaginary part. In this dissertation we consider the generalized notion of K-stability. A multivariate complex polynomial is called K-stable if its non-zero whenever the imaginary part of the respective argument lies in the relative interior of the cone K. We study connections to various other objects, including imaginary projections as well as preservers and combinatorial criteria for conically stable polynomials.
Electrospinning is an advanced method for the generation of polymer-based fibers. This fabrication technique has gained great interest in the biomedical field in recent years due to its straightforward application and significant versatility of the resulting fiber mats. The process is carried out by dissolving a (biologically or synthetically derived) polymer or a combination of several polymers in a suitable inorganic or organic solvent and transferring these solutions into a syringe with a needle tip as a spinneret. The power source is connected to the syringe tip, allowing for the application of a high voltage to the polymer solution, and a metallic collector, often a rotating drum cylinder on which the yielded polymer fibers are deposited. The usual fiber diameters range between nano- and micrometers. The yielded fiber mats have distinct characteristics, such as a large surface area, mechanical stability, and good encapsulation efficiency. Therefore, the fiber mats can be used as a topical dosage form for a multitude of diseases (e.g., conjunctivitis, keratitis), as they can be easily applied on or into the human body to release the drug for a prolonged period of time. In addition, the fibers exhibit a high degree of resemblance with the human extracellular matrix, which consists predominantly of collagen fibrils. Therefore, the obtained fiber mats can also be employed as innovative substrates for the cultivation of cells. As a result, electrospinning is suitable for a wide range of applications in the biomedical context, specifically for the targeted, topical delivery of bioactives and also as a cell culture substrate for the cultivation of cells in an enhanced in vivo relevant situation.
One objective of this work was the development and characterization of drug-loaded electrospun fibers for application to the inflamed and infected eye to complement the existing therapy of eye drops as well as systemic administration of anti-infectives. In particular, the focus of the project was the development of ocular implants to treat a herpes simplex infection affecting the human cornea. Additionally, electrospun fibers, which immediately dissolve in the tear fluid upon application and prolong the contact time of the bioactives at the eye, were developed as a topical dosage form to treat bacterial conjunctivitis. An additional objective of this work was the development of electrospun fiber mats as an innovative substrate for the cultivation of human induced pluripotent stem cells to mimic the human blood-brain barrier in vitro. The final objective of the present work was establishing an analytical concept for the comprehensive characterization of electrospun fibers to obtain a greater comparability and reproducibility of data and results from different laboratories.
Herpes simplex keratitis is a viral disease of the cornea that can potentially lead to blindness. This disease commonly occurs after corneal transplantation. As the cornea is the most transplanted tissue worldwide, the incidence of this disease varies from 4.9% to 12.6% (high- and low-income countries). The current therapy involves the application of eye drops as many as six times a day, and in severe cases, the systemic use of antiviral agents is necessary but can cause serious side effects (e.g., renal failure). To prevent the occurrence of herpes simplex keratitis after transplantation, a biodegradable electrospun nanofiber mat with a sustained release of acyclovir was established. The rational development of the fibers was facilitated by correlating the surface wettability with the release kinetics of the individual polymers, which allowed for the successful generation of fiber mats releasing the bioactive acyclovir over three weeks. The molecularly dispersed drug is present as an amorphous solid dispersion within the PLGA-based polymer matrix. Evaluating the cell viability in in vitro models proved that neither acyclovir nor the polymers or the generated fiber mats caused any cytotoxicity. The mechanical stability of the fiber mats was evaluated to ensure adequate handling of the fibers during implantation. The findings demonstrated that the fiber mats exhibit direction-independent mechanical properties, and their mechanical load-bearing capacity is greater than that of an excised human cornea. As a result, the fiber mats are suitable for surgical implantation into the anterior chamber of the eye. An in vitro model of human keratinocytes was infected with herpes simplex virus to demonstrate the antiviral efficacy of the electrospun fiber mats. Immunostaining for two specific viral proteins demonstrated the spread of infection in the model. Hereby, it was found that the placebo- and drug-loaded fibers significantly slowed the spread of infection, which was quantified by plaque assay determination. This experiment revealed that the electrospun fibers exert a synergistic antiviral effect by simultaneously releasing acyclovir, which is a virustatic agent that inhibits the replication of the virus in infected cells, and adsorbing released viral particles onto the surface of the polymer fibers. This reduces the overall burden of released viral particles, which is associated with the severity of the infection outbreak. Thus, with the aid of electrospinning, an ocular implant was successfully generated, which is biodegradable over time and significantly reduces the viral particle burden in vitro. Hence, the fibers represent a potential alternative for the prevention of herpes simplex keratitis after corneal transplantation...
Diabetes mellitus Typ 2 (T2D) ist eine der häufigsten Stoffwechselerkrankungen mit weltweit steigender Inzidenz. Zur Vermeidung von Folgeerkrankungen und Senkung des enormen ökonomischen Drucks steht die Suche nach wirksamen Therapiekonzepten im Fokus aktueller Forschung.
Die Vitamin D (VD) Konzentration (25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3) hat Einfluss auf Bodymaßindex (BMI), Glukosestoffwechsel, Insulinsekretion und -resistenz sowie die β-Zellfunktion. Niedrige VD Konzentrationen wirken sich ungünstig auf den Blutzucker oder den BMI aus und ein VD Mangel (25(OH)D3 < 20 ng/ml) ist mit einem erhöhten Risiko für Diabetes mellitus Typ 2 assoziiert. Während eine VD Einnahme das Risiko für einen VD Mangel reduziert, zeigen sich kaum Einflüsse auf die Glucosehomöostase. Die berichteten Effekte einer VD Einnahme in der Prävention oder Behandlung eines T2D rangieren von einer verbesserten Stoffwechseleinstellung bis zur Verschlechterung der Erkrankung.
Bezüglich des Ansprechens auf eine VD Einnahme zeigt sich eine große individuelle Varianz. In welchem Ausmaß der genetische Hintergrund das individuelle Ansprechen auf eine VD Einnahme bei Patienten mit T2D beeinflusst wurde bislang jedoch kaum erforscht.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss genetischer Varianten (SNPs - Single nucleotide polymorphisms) des VD Stoffwechsels auf (1) Anfälligkeit für T2D, (2) 25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3 Plasma Konzentrationen sowie (3) Änderungen in der Stoffwechseleinstellung nicht insulinabhängiger Typ 2 Diabetiker unter VD3 Substitution untersucht. Dafür wurden zwölf SNPs in fünf Genen des VD Stoffwechsels (CYP2R1 (Cytochrom P450 2R1), CYP27B1, DBP (VD Bindeprotein), VDR (VD Rezeptor), CYP24A1 analysiert. 553 Patienten mit T2D und 916 gesunde Kontrollen aus Frankfurt am Main und Umgebung wurden mittels restriction fragment length polymorphism (RFLP) und realtime polymerase chain reaction (rtPCR) genotypisiert. Die VD Plasma-Konzentrationen (25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3) wurden per 125Iod-Radioimmunoassay gemessen.
Ein erhöhtes Risiko an Diabetes mellitus Typ 2 zu erkranken ergab sich für die Allele VDR rs7975232 „G“, rs1544410 „G“ und CYP2R1 rs10741657 „A“.
Diabetiker wiesen im Vergleich zu gesunden Kontrollen erniedrigte 25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3 auf. Das Risiko eines T2D bei Vorliegen eines VD Mangels war in unserer Kohorte um das 13,9 fache erhöht.
Eine genotypenabhängige Reduktion der 25(OH)D3 Plasma-Konzentrationen bei Patienten ergab sich für die Genotypen CYP27B1 rs10877012 „CC“, DBP rs4588 „CC“, rs7041 „GG“, CYP24A1 rs2585426 „CG“ und rs2248137 „CG“. Eine verringerte 1,25(OH)2D3 Plasma-Konzentration ergab sich für den Genotyp DBP rs4588 „CC“.
Der genetisch Einfluss auf Änderungen in der Stoffwechseleinstellung nicht insulinabhängiger Typ 2 Diabetiker unter VD3 Substitution wurde im Rahmen einer doppelt-verblindeten randomisierten Studie untersucht. 65 Patienten erhielten über 6 Monate entweder 1904 IU Vitamin D Öl (25(OH)D3) oder ein Placebo-Öl. Alle drei Monate wurden die Vitamin D Konzentrationen, der HbA1c, die Parathormonkonzentration (PTH) und das C-Peptid bis zu einem 6 monatigen Follow-up bestimmt.
Während bei Trägern des Genotyps CPY24A1 rs2296241 „GG“ trotz VD Einnahme keine Änderung der Plasma 25(OH)D3 Werte zu verzeichnen waren, ergaben sich für die Genotypen DBP 4588 „CC“ and VDR rs1544410 „GG“ höhere 25(OH)D3 Konzentrationen bis zum Ende des Nachbeobachtungszeitraums. Eine signifikante Suppression des PTH konnte bei den Genotypen CYP2R1 rs10741657 „AG“, DBP rs4588 „CC“, VDR rs2228570 „TC“ und CYP24A1 ra2248137 „GG“ beobachtet werden.
Diese Studie bestätigt VD Mangel als Risikofaktor für T2D. Sie zeigt deutlich, dass genetische Varianten des VD Systems für T2D prädisponieren und anteilig den VD Stoffwechsel regulieren. Auch die Auswirkungen einer VD3 Einnahme, messbar im Anstieg der 25(OH)D3 Konzentration und der Suppression des PTH, sind durch die Gene des VD Systems beeinflusst.
Lysosomes are major degradative organelles that contain enzymes capable of breaking down proteins, nucleic acids, carbohydrates, and lipids. In the last decade, new discoveries have traced also important roles for lysosomes as signalling hubs, affecting metabolism, autophagy and pathogenic infections. Therefore, maintenance of a healthy lysosome population is of utmost importance to the cell to respond to both stress conditions and also homeostatic signalling. For example, for minor perturbations to the lysosomal membrane, the cell activates repair processes which seal membrane nicks. For more extensive damage, autophagy is activated to remove damaged organelles from the cell. on the other hand, during pathogen invasion host cells have also evolved mechanisms to hijack the endolysosomal pathway to facilitate their own growth and replication in host cells.
The first part of the thesis work focuses on a lysosomal regeneration program which is activated under conditions where the entire lysosomal pool of the cell is damaged. Upon extensive membrane damage induced by the lysosomotropic drug LLOMe, the cell activates a regeneration pathway which helps in the formation of new functional lysosomes by recycling damaged membranes. I have identified the molecules important for this novel pathway of lysosomal regeneration and showed how the protein TBC1D15 orchestrates this process to regenerate functional organelles from completely damaged membrane masses in the first 2 hours following lysosomal membrane damage. This process resembles the process of auto- lysosomal reformation (ALR)- involving the formation of lysosomal tubules which are extended along microtubules and cleaved in a dynamin2 dependent manner to form proto-lysosomes which develop into fully functional mature lysosomes. These lysosomal tubules are closely associated with ATG8 positive autophagosomal membranes and require ATG8 proteins to bind to the lysophagy receptor LIMP2 on damaged membranes. This process is physiologically important under conditions of crystal nephropathy where calcium oxalate crystals induce damage to lysosomal membranes in nephrons in kidney disease.
The second part of the thesis shows how the endolysosomal system of the cell is hijacked by the bacteriaLegionella pneumophila. During Legionella infection the formation of conventional ATG8 positive autophagosomes are blocked due to the protease activity of the bacterial effector protein RavZ which cleaves lipidated ATG8 proteins from autophagosomal membranes. The SidE effectors of Legionella modify STX17 and SNAP29 by the process of non-canonical ubiquitination called phosphoribose-linked serine ubiquitination (PR-Ub). These proteins are essential for the formation of the autophagosomal SNARE complex which is used for fusion of the autophagosome with the lysosome. Upon Legionella infection, PR-UB of STX17 aids in formation of autophagosome-like replication vacuoles. ThesevacuolesdonotfusewiththelysosomebecauseSNAP29isalsoPR-Ubmodified. PR-UbofSTX17 and SNAP29 sterically blocks the formation of the autophagosomal-SNARE complex thereby preventing fusion of the autophagosome with the lysosome. As a result, Legionella can replicate in autophagosome- like vacuoles which do not undergo lysosomal degradation. In absence of PR-Ub modified STX17, bacterial replication is compromised when measured by bacterial replication assays in lung epithelial (A549) cells.
Taken together, this thesis highlights two important aspects of the autophagy-lysosomal system- how it responds to extensive membrane damage and its importance in Legionella pneumophila infection. Extensive damage to lysosomal membranes triggers a rapid regeneration process to partially restore lysosomal function before the effects of TFEB dependent lysosomal biogenesis becomes apparent. On the other hand, Legionella pneumophila infection segregates the lysosomes from the rest of the endo-lysosomal system by blocking autophagosome-lysosome fusion. Though lysosomes remain active, they are incapable of degrading pathogens since pathogen containing vacuoles do not fuse with the lysosome.
This thesis comprises the usage of two commonly known hinge-binding moieties in drug discovery. First, the quinazoline scaffold of gefitinib (5) was utilized in a macrocyclization strategy to introduce selectivity. In general, the quinazoline hinge-binding moiety is a commonly used scaffold which can be found in 14% of approved kinase inhibitors. The most familiar applications are EGFR inhibitors such as gefitinib (5), erlotinib (6), afatinib, or dacomitinib for the treatment of NSCLC. But other kinases like CDK2, CDK4, or p38 are reported targets as well.
The N-phenylquinazolin-4-amine moiety of gefitinib (5) was conserved however, the residues at the aromatic ring in the linker were modified, the residue targeting the solvent-exposed region was varied, and the linker at the C6 position of the quinazoline was adjusted to enable the macrocyclization. An overview of the structural modifications is shown in Figure 35A.
Kinome-wide screening of gefitinib (5) revealed several off-targets besides EGFR (Figure 35B), making it an excellent starting point for a macrocyclization strategy. Introducing a linker to the N phenylquinazoline-4-amine scaffold and retaining the residues on the aromatic ring as well as the methoxy group targeting the solvent-exposed region improved the selectivity profile and the efficacy towards EGFR WT and its mutants. Truncation of the linker moiety led to the mutant selective macrocycle 26f with an excellent kinome-wide selectivity profile (Figure 35B). An inhibitor that is effective on EGFR mutations while ineffective on the EGFR WT could represent an enhancement of patient treatment, as it potentially causes less side effects. Further studies could determine the effect of the most promising macrocycles in lung cancer cell lines. Additionally, the pharmacokinetic properties could be optimized, e.g. by introducing solubilizing groups, targeting the solvent-exposed region.
The second scaffold comprises the 3-aminopyrazole-based hinge-binding moiety. It is a privileged scaffold in medicinal chemistry for the development of kinase inhibitors. Previous publications report the anti-proliferative and anti-cancer potential of pyrazole-based molecules. They play a crucial role in the treatment of various diseases and cancer types like inflammation disorders, lymphoma, or breast cancer. This scaffold can be found e.g. in the aurora kinase inhibitor tozasertib or in the promiscuous kinase inhibitor 23, published by Statsuk et. al. Rescreening compound 23 in a comprehensive kinase panel against 468 human protein kinases confirmed the unselective behavior with a selectivity score of S35 = 0.56 (Figure 36B), making it a great starting point for further optimizations. The N-(1H-pyrazol-3-yl)pyrimidin-4-amine scaffold was conserved however, the residues targeting the solvent-exposed region were varied and different linkers were attached.
The introduction of different residues at the pyrazole dramatically influenced the selectivity profile of the desired kinases. Ester moieties caused to a favorable combination of selectivity and potency towards the kinase of interest CDK16. The removal of additional residues at the pyrimidine, targeting the solvent-exposed region, increased the efficiency towards CDK16. Further optimization led to the highly potent and selective CDK16 inhibitor 98d (IC50 = 33 nM). NanoBRETTM screening against the complete CDK family revealed a preferred inhibition of the PCTAIRE and PFTAIRE subfamily with cellular IC50 values of 20 nM – 120 nM and 50 nM – 180 nM, respectively. A FUCCI cell cycle assay and viability assessment of 98d confirmed previously published results, reporting a G2/M cell cycle arrest followed by apoptosis and accumulation of p27 through knockout of CDK16 in SCC cells. Consequently, further studies could evaluate the anti-tumor activity of 98d in SCC and NSCLC or elucidate the effect of 98d in AMPK-related macroautophagy. 98d represents a novel tool compound to investigate the understudied kinases of the PCTAIRE family and enable to enlighten the biological role of those kinases.
Macrocyclization of the N-(1H-pyrazol-3-yl)pyrimidin-4-amine core resulted in the selective BMPR2 inhibitor 110a. It showed a good binding affinity towards BMPR2 with a KD value of 205 nM as well as a good potency with an IC50 value of 506 nM. A comprehensive selectivity screen against 468 kinases revealed an excellent selectivity profile with S35 = 0.01. As no BMPR2 inhibitors have been published so far, 110a represents a novel compound that may provide further insights into the canonical BMP pathway, noncanonical signaling, or its impact on BMPR2-associated diseases like PAH.
The introduction of additional residues targeting the solvent-exposed region shifted the selectivity towards the MST kinases. The exchange from the pyrimidine to a quinazoline moiety resulted in the highly potent and selective macrocyclic MST3 inhibitor 113c. NanoBRETTM measurements demonstrated the preferred inhibition of MST3 with IC50 values of 210 nM and 30 nM for intact and lysed cells, respectively. A weaker activity could be seen for MST4 with 1.8 µM and 510 nM, while MST1 and MST2 were not affected. To date, no selective MST3 inhibitors have been published, making 113c a valuable tool compound for further functional studies. As MST3 is influencing the cell cycle progression, 113c could be tested in a further cell cycle assay to elucidate the inhibitory effect of 113c on MST3 and consequently on the cell cycle. Furthermore, the anti-tumor activity of 113c in breast cancer could be determined, as Madsen et. al. reported a high MST3 and MST4 activity triggered by FAM40B mutations.
Cardiovascular disease (CVD) is the leading cause of death in the western world. Aging as the major risk factor for the development of CVD leads to structural changes in the heart and the vasculature. In addition to endothelial cells, mural cells, including smooth muscle cells and pericytes, form the vascular wall. Pericytes are defined as the perivascular cells located in the basement membrane of the capillaries, which are the smallest components of the vascular system and ensure the gas exchange in the tissue. In the different parts of the terminal vascular bed, pericytes receive different phenotypes and organ-specific functions. In addition to the stabilization of the vascular wall, pericytes are relevant for the formation of new vessels. Due to their potential of multipotent stem cells, pericytes can differentiate into different cell types and thus take a position in developmental processes. Pericytes play a crucial role in the development and diseases of the vascular system. Moreover, pericyte coverage is reduced in the aged heart. Nonetheless, the function of pericytes in the heart and their importance during cardiac aging is not completely understood.
To study the pericyte population in the aging heart, we have performed single-nucleus RNA-sequencing analysis comparing hearts from 12-weeks-old (young) and 18-month-old (old) mice. The detailed analysis of 336 differentially expressed genes (DEG) revealed that Rgs5 is downregulated in aged pericytes. Regulator of G-protein signaling 5 (RGS5), an established marker for pericytes, is involved the regulation of the blood pressure and in the formation of various cardiovascular diesases, including cardiac hypertrophy, myocardial infarction and atherosclerosis. We have furthermore confirmed this observation in vivo. Gene ontology (GO) analysis of DEG revealed that aged pericytes are characterized by the downregulation of genes involved in cell adhesion. Further, we have performed cell biology approaches using human brain vascular pericytes (hBVP) to investigate the role of Rgs5 in pericytes in vitro. Efficient knockdown of RGS5, although has no effect on cellular metabolism, viability and endothelial permeability, induces a reduction of pericyte adhesion to both a gelatine matrix and endothelial cells in a 3D matrigel culture. This was associated with the formation of filopodia. The altered phenotype suggested a changing identity of the pericytes. We could confirm that a loss of RGS5 causes a decreased expression of the pericyte markers PDGFRb and NOTCH3 and also leads to an overexpression of COL1A1, a fibroblast marker.
Together, our findings suggest that RGS5 is required for pericyte adhesion to endothelial cells and its downregulation in the aged mural cells could explain the reduction of pericyte coverage in the aged hearts. Further, RGS5 may be the key regulator for pericyte identity, as pericytes show an altered expression profile of cellular markers. The dedifferentiation of pericytes to a more fibroblast-like cell type could explain the increased fibrosis during age-related cardiac remodeling. We believe that RGS5 is a great candidate to explore and study the molecular mechanisms that regulate pericyte function in the heart, both in homeostasis and during aging.
We study the polarization of relativistic fluids using the relativistic density operator at global and local equilibrium. In global equilibrium, a new technique to compute exact expectation values is introduced, which is used to obtain the exact polarization vector for fields of any spin. The same result has been extended to the case of massless fields. Furthermore, it is demonstrated that at local equilibrium not only the thermal vorticity but also the thermal shear contribute to the polarization vector. It is shown that assuming an isothermal local equilibrium, the new term can solve the polarization sign puzzle in heavy ion collisions.
Heart development is a dynamic process modulated by various extracellular and intracellular cues. Cardiac progenitors in vertebrates such as the zebrafish, migrate over to the midline after differentiation from the epiblast (Bakkers, 2011; Rosenthal & Harvey, 2010; Stainier et al., 1996; Trinh & Stainier, 2004). These progenitors form a cardiac disc at the midline which elongates into the linear heart tube. The differentiation and migration of cardiac precursors is modulated by signaling interactions between cardiac precursor cells and their extracellular environment known as the Extracellular Matrix (ECM). Studies have shown that Cell-ECM interactions play a crucial role in sculpting the heart during early morphogenic events (Davis CL, 1924; Männer & Yelbuz, 2019; Rosenthal & Harvey, 2010). One key factor to these processes is the presence of a specialized ECM known as the Basement Membrane (BM). Extracellular basement membrane proteins such as Fibronectin have been shown to modulate these very early migration processes of the cardiomyocyte progenitors (Trinh & Stainier, 2004). As the heart develops further, the linear heart tube is composed of myocardial cells with an inner endothelial cell lining separated by a layer of thick jelly like substance called the cardiac jelly (Barry A, 1948; Davis CL, 1924; Little et al., 1989). The cardiac jelly also called the cardiac basement membrane, has been shown to regulate distinct developmental events during cardiogenesis. This early CJ contains components of the basal lamina such as laminins, fibronectin, hyaluronan as well as non-fibrillar collagens such as Collagen IV (Little et al., 1989). In this study, I aimed to identify ECM molecules of the Basement Membrane in the heart and identify their role in the modulation of cardiac development and regeneration using the zebrafish as my model organism.
I identified genes belonging to the Zebrafish Matrisome expressed during cardiac developmental and regeneration and performed CRISPR/Cas9 sgRNA mediated mutagenesis. I also developed overexpression tools for these genes.
Agrinp168 mutants exhibited no obvious gross morphology defects during cardiac development and were adult viable. Adult mutants exhibited reduced cardiomyocyte proliferation, but no significant difference in cardiomyocyte dedifferentiation post cardiac cryoinjury.
Decorin overexpression through mRNA injections led to increased myocardial wall thickness and DN dcn overexpression through mRNA injections led to loss of cardiac looping during early development.
Mutants for Small Leucine Rich Proteoglycan (SLRP) prelp generated using CRISPR/Cas9 mutagenesis exhibited cardiovascular defects. Close observation of prelp mutant hearts revealed a reduced heart rate and impaired fractional shortening of the ventricle. prelp mutants exhibited an enlarged atrium at 48 hpf and 72 hpf as well as a reduced ventricle size at 72 hpf. Chamber size in the mutant hearts were enlarged irrespective of contractility of the heart. Mutants showed an increased number of Atrial cardiomyocytes, but no change in cell size. On the molecular level, extracellular Laminin localization was disrupted in prelp mutants along with an increase in thickness and volume of the cardiac HA in the CJ suggesting a potential compensatory role, or retention of immaturity of the cardiac jelly in the prelp mutants. Transcriptomics analysis on the prelp mutant hearts revealed downregulation of ECM organization and ECM-Receptor interaction processes in the mutants. Gene Ontology analysis on prelp mutants hearts transcriptome revealed increased MAPK signaling. Interestingly, genes related to degradation of cardiac HA and maturation of cardiac jelly were downregulated, and genes related to epithelial identity of cardiomyocytes were upregulated. Analysis of the mutant hearts at single cell resolution revealed increased number of mutants exhibiting rounded up cardiomyocytes and loss of apical Podocalyxin. Truncated forms of prelp were generated to identify domain specific roles for Prelp, and reintroduction of N-terminal truncated Prelp into the mutants rescued the basal lamina localization and cardiac jelly volume phenotypes. Myocardium specific re-establishment of prelp expression revealed a marked rescue of the mutant cardiovascular phenotype suggesting that tissue specific expression of prelp is not required so long as Prelp is secreted into the CJ. With these data, I’ve elucidated the role of ECM SLRPs in modulation of cardiac chamber morphogenesis process and regeneration of the heart.
Mechanism of the MHC I chaperone TAPBPR and its role in promoting UGGT1-mediated quality control
(2022)
Information about the health status of most nucleated cells is provided through peptides presented on major histocompatibility complex I (pMHC I) on the cell surface. T cell receptors of CD8+ T cells constantly monitor these complexes and allow the immune system to detect and eliminate infected or cancerous cells. Antigenic peptides displayed on MHC I are typically derived from the cellular proteome and are translocated into the lumen of the endoplasmic reticulum (ER) by the ATP-binding cassette (ABC) transporter associated with antigen processing (TAP), which is part of the peptide-loading complex (PLC). In a process called peptide editing, the MHC I-dedicated chaperone tapasin (Tsn) selects peptides for their ability to form stable complexes with MHC I. While initial peptide loading is catalyzed in the confines of the PLC, the second quality control is mediated by TAPBPR, operating in the peptide-depleted cis-Golgi network. TAPBPR was shown to have a more fine-tuning effect on the presented peptide repertoire rather than initial peptide selection. The fundamental mechanism of peptide editing was illuminated by two crystal structures of TAPBPR in complex with peptide-receptive MHC I. Notably, one of these structures reported a structural element that inserted into the peptidebinding pocket. The so-called scoop loop was assumed to be involved in mediating peptide exchange but the underlying mechanism remained undefined. Additionally, latest results suggested that TAPBPR mediates the interaction of the glucosyltransferase UGGT1 with peptide-receptive MHC. To expand the current knowledge of quality control processes in the antigen presentation pathway, the contribution of the scoop loop in peptide editing and the role of TAPBPR in UGGT1-mediated quality control needs to be elucidated. In the first part of this study, TAPBPR proteins with various loop lengths were designed to scrutinize the contribution of the scoop loop in chaperoning peptidereceptive MHC I. In a light-driven approach, the ability of TAPBPR variants to form stable complexes with peptide-free MHC I was tested. These results demonstrated that in a peptide-depleted environment, the scoop loop is of critical importance for TAPBPR to chaperone intrinsically unstable, peptidereceptive MHC I clients. Moreover, fluorescence polarization-based assays allowed the pursuit of peptide exchange in different, native-like environments. Peptide displacement activities of TAPBPR variants illustrated that catalyzed peptide editing is primarily induced by structural elements outside the scoop loop. In a peptide-depleted environment, the scoop loop occupies the position of the peptide C-terminus and acts as an internal peptide surrogate. By combining complex formation and fluorescence polarization experiments, the scoop loop of TAPBPR was shown to be critically important in stabilizing empty MHC I and functions as an internal peptide selector. In the second part of this study, a novel in-vitro glucosylation assay was established to examine the role of TAPBPR in UGGT1-catalyzed re-glucosylation of TAPBPR-bound MHC I clients. Therefore, a peptide-free MHC I-TAPBPR complex with defined glycan species was designed which served as physiological substrate for UGGT1. By subjecting the recombinantly expressed HLA-A*68:02- TAPBPR complex and UGGT1 proteins to the new in-vitro system, UGGT1 was shown to catalyze the transfer of a glucose residue to the N-linked glycan of TAPBPR-bound Man9GlcNAc2-HLA-A*68:02. Moreover, a high-affinity, photocleavable peptide was applied to dissociate the MHC I-chaperone complex. However, in the absence of TAPBPR, no glucosyltransferase activity was observed. Generation of peptide-free MHC I through UV illumination also showed no activity, and only the addition of TAPBPR could restore UGGT1-mediated reglucosylation of the empty MHC I. Independent of the peptide status of HLAA*68:02, the combination of protein glycoengineering and LC-MS analysis implicated that UGGT1 exclusively acts on TAPBPR-chaperoned HLA-A*68:02. The newly established system provided insights into the function of TAPBPR during UGGT1-catalyzed re-glucosylation activity and quality control of MHC I. Taken together, the scoop loop allows TAPBPR to function as MHC I chaperone through stabilizing peptide-receptive MHC I. In a peptide-depleted environment, the loop structure serves as an internal peptide surrogate and can only be dislodged by a high-affinity peptide. Based on these findings, TAPBPR fulfills a dual function in the second level of quality control. On the one hand, TAPBPR functions as peptide editor, shaping the repertoire of presented peptides. On the other hand, TAPBPR mediates peptide-receptive MHC I clients to the folding sensor UGGT1. Here, TAPBPR is essential to promote UGGT1-catalyzed reglucosylation of the N-linked glycan, giving MHC I a second chance to be loaded with an optimal peptide cargo in the peptide loading complex.
Electrospinning is a versatile and promising drug delivery technology for the development of tailor-made drug delivery systems for various clinical applications. By applying high voltages to drug-loaded polymer solutions, solid polymeric nanofibers can be generated, which encapsulate active pharmaceutical ingredients (APIs) into their polymer matrix. During the electrospinning process, the fibers are deposited on a collector and form a nonwoven network of drug-loaded polymer fibers. These fibers are spatially distributed in aligned or random orientation, providing the opportunity to design highly tunable structural and mechanical properties, which can be adapted to the biological requirements of the intended application site. The mechanically flexible fiber networks can therapeutically be administered to a multitude of pharmaceutical application sites. Their highly porous fiber structure exhibits a large surface-to-volume ratio, which is ideal for controlled drug release kinetics from the polymer matrix upon contact with biological fluids, such as tear fluid, saliva, mucus, wound exudate or gastro-intestinal fluid. For application at the target site, fiber mats are cut into patches. As the patch size determines the quantity of applied API, the electrospinning process must ensure homogeneous distribution of the API throughout the entire fiber mat area.
In this thesis, electrospinning was established as a formulation technology for the rational fabrication of tailor-made multifunctional drug carrier systems for local and site-specific drug delivery to the epithelial interfaces skin, oral mucosa as well as cornea. For adequate characterization and analysis of the drug delivery systems, a broad panel of robust and predictive analytical tools, based of novel investigation techniques for physicochemical characterization of electrospun fibers, was developed.
The initial part of the thesis thematically focuses on the development of predictive analytical techniques, to determine fiber morphology and physicochemical properties, as well as fiber composition and drug release. By designing two model formulations with contrasting properties, and subsequent analysis and characterization with a set of newly developed techniques and state-of-the-art methods, a comprehensive toolset has been made available and evaluated, aiming at advancing and standardizing respective techniques in the scientific field of electrospun drug delivery systems.
Starting with the initiation of the electrospinning formulation process, which often relies on empirical data rather than analytical methods to predict successful processability, analysis of rheological properties of electrospinning solutions was used to rationally detect the minimum polymer concentration required for electrospinning.
For analysis of fiber morphology, scanning electron microscopy is a common technique. However, little attention is given to underlying readout parameters. By analyzing the fiber orientation and diameter of the respective fibers, predictive results regarding mechanical properties could be obtained, which were subsequently confirmed by measuring elongation force with tensile testing. Confocal Raman microscopy, a label-free method for chemically- selective imaging of the fiber samples, was introduced as a complementary visualization technique, enabling the detection of fiber composition and drug distribution.
A novel technique for investigation of water contact angles on the fiber surface of highly hydrophilic polymers was introduced, which provides predictive data regarding interaction with body fluids and the resulting drug release kinetics. Subsequent release testing in a newly developed setup for analyzing drug release from electrospun fibers in low-volume body compartments, confirmed the anticipated drug release kinetics from measurement of the surface hydrophilicity.
By combining complementary analytical methods, including spectral composition analysis, morphology visualization, characterization of physico-chemical properties and drug release kinetics, as well as the application of multivariate data analysis, a robust and predictive toolset has been established, which can support comparability of future electrospinning studies and the translation from the lab bench into clinics.
Based on the analytical toolset, the main part of the thesis focuses on the development and preparation of electrospun platform drug delivery systems for application on epithelial barriers. Electrospun fiber mats are thin, flat, and mechanically flexible, which allows close adherence to epithelial surfaces and reduction of diffusion paths, which enables efficient drug delivery to the skin, oral mucosa, as well as the cornea.
Electrospun fibers bear a high potential for application as wound dressings, while simultaneously controlling the local delivery of APIs to the wound area. Their close resemblance to the extracellular matrix of human skin provides a suitable microenvironment for cellular proliferation and migration for wound closure. In this work, insulin, a fragile proteohormone with growth factor characteristics, was successfully encapsulated into the core of coaxially electrospun fibers, thus maintaining bioactivity throughout and after the electrospinning process. The shell has been designed from biocompatible polymers, which, upon contact with aqueous wound exudate, partially dissolve and form pores through which bioactive insulin is released in a controlled manner. The shell layer provides a hydrophilic surface for interaction with body fluids and skin cells, and possesses substantial mechanical strength, flexibility, and high tensile elongation required for application on wounds. The biocompatibility of the wound dressing was investigated by interaction with primary human dermal fibroblasts and keratinocytes, which displayed healthy cell morphologies without indicating any elevated levels of cytotoxicity markers.
To investigate the effect of insulin on cell migration, in vitro scratch assays on human skin cells were performed. Increased cellular migration speed and wound closure could be observed, indicating improved wound healing. Bio relevance of in vitro wound healing potential results was advanced by development of 3D ex vivo human epidermal skin wound models from reduction surgery donor material. These complex wound models were treated with electrospun insulin fibers and analyzed by proteome analysis to reveal significant increases in wound healing-associated signaling pathways, which could be attributed to a material-driven remarkably positive impact on wound healing of the electrospun fibers...
Die digitale Revolution stellt viele traditionelle Industrien vor große Herausforderungen. Auf dem Finanzmarkt werden innovative Geschäftsmodelle geschaffen, die die Rahmenbedingungen, unter denen Finanzprodukte und -dienste angeboten werden, drastisch verändern. Infolgedessen entstehen rechtliche Unsicherheiten sowohl für die Marktakteure als auch für die Aufsicht. Diese Unsicherheiten weisen auf die Notwendigkeit hin, den Rechtsrahmen an die technologische und ökonomische Entwicklung anzupassen. Im Rahmen dieser Dissertation werden die Herausforderungen für das Aufsichts- und Wettbewerbsrecht untersucht, die die digitale Transformation des Finanzmarktes verursacht. Der Finanzmarkt wird vor allem durch die Entstehung von FinTechs, durch das Eintreten von BigTechs in den Finanzbereich und durch die Veränderung der Produkte und Dienstleistungen traditioneller Anbieter auf der Grundlage moderner Technologien transformiert. Die Arbeit gibt einen Überblick über die zentralen innovativen Geschäftsmodelle, der mit den zahlreichen praxisrelevanten Beispielen begleitet wird. Anschließend folgt eine Beurteilung des Umfanges und der Effizienz der vorhandenen und vorgeschlagenen aufsichtsrechtlichen Vorschriften. Diese Erkenntnisse dienen als Grundlage für die wettbewerbsrechtliche Analyse des Finanzmarktes mit dem Fokus auf die plattform- und algorithmenbasierten Geschäftsmodelle im zweiten Teil der Dissertation. Da werden wettbewerbsrechtliche Konstellationen betrachtet, die zwischen konkurrierenden innovativen Geschäftsmodellen entstehen. Die Verfasserin befasst sich mit der Problematik der Definition des relevanten Marktes bei den algorithmen- und plattformbasierten Geschäftsmodellen, der Beurteilung ihrer Marktmacht, den möglichen Auswirkungen der Netzwerkeffekte auf die mehrseitigen Plattformen. Ferner werden solche Aspekte wie Datenzugriff als wettbewerbsrechtlicher Faktor und die Rolle der Algorithmen für die Durchführung wettbewerbswidrigen Praktiken analysiert. Infolgedessen wird ein Überblick über mögliche kartellrechtliche Probleme gegeben, die im Rahmen der Digitalisierung im Finanzmarkt auftreten können, sowie die Vorstellungen darüber, wie sich Wettbewerbsfaktoren verändern sollten, wenn die Anwendung der traditionellen Konzepte des Wettbewerbsrechts nicht immer möglich oder sinnvoll ist. Es werden die Bereiche identifiziert, in denen das europäische und deutsche Wettbewerbsrecht derzeit nicht in der Lage ist, die von den innovativen Geschäftsmodellen stammenden Herausforderungen effektiv zu bewältigen. Im dritten Teil der Dissertation wird erörtert, wie sich das Aufsichts- und das Wettbewerbsrecht ergänzen und zusammen ein System der Ex-ante- und Ex-post-Regulierung bilden. Es wird dargestellt, wie die aufsichtsrechtlichen Anforderungen an die Finanzinstitute, FinTechs und BigTechs mit den ausgewählten Wettbewerbsergebnissen im Finanzsektor zusammenhängen. Darüber hinaus erklärt die Verfasserin, inwiefern einige aufsichtsrechtliche Vorschriften wettbewerbsnachteilig oder wettbewerbsfreundlich auswirken können und warum die Koordination zwischen den aufsichts- und wettbewerbsrechtlichen Instrumenten und Ansätzen essenziell ist. Schließlich werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Optionen zur Regulierung innovativer Geschäftsmodelle auf dem Finanzmarkt auf einer abstrakteren Ebene erwogen.
People can describe spatial scenes with language and, vice versa, create images based on linguistic descriptions. However, current systems do not even come close to matching the complexity of humans when it comes to reconstructing a scene from a given text. Even the ever-advancing development of better and better Transformer-based models has not been able to achieve this so far. This task, the automatic generation of a 3D scene based on an input text, is called text-to-3D scene generation. The key challenge, and focus of this dissertation, now relate to the following topics:
(a) Analyses of how well current language models understand spatial information, how static embeddings compare, and whether they can be improved by anaphora resolution.
(b) Automated resource generation for context expansion and grounding that can help in the creation of realistic scenes.
(c) Creation of a VR-based text-to-3D scene system that can be used as an annotation and active-learning environment, but can also be easily extended in a modular way with additional features to solve more contexts in the future.
(d) Analyze existing practices and tools for digital and virtual teaching, learning, and collaboration, as well as the conditions and strategies in the context of VR.
In the first part of this work, we could show that static word embeddings do not benefit significantly from pronoun substitution. We explain this result by the loss of contextual information, the reduction in the relative occurrence of rare words, and the absence of pronouns to be substituted. But we were able to we have shown that both static and contextualizing language models appear to encode object knowledge, but require a sophisticated apparatus to retrieve it. The models themselves in combination with the measures differ greatly in terms of the amount of knowledge they allow to extract.
Classifier-based variants perform significantly better than the unsupervised methods from bias research, but this is also due to overfitting. The resources generated for this evaluation are later also an important component of point three.
In the second part, we present AffordanceUPT, a modularization of UPT trained on the HICO-DET dataset, which we have extended with Gibsonien/telic annotations. We then show that AffordanceUPT can effectively make the Gibsonian/telic distinction and that the model learns other correlations in the data to make such distinctions (e.g., the presence of hands in the image) that have important implications for grounding images to language.
The third part first presents a VR project to support spatial annotation respectively IsoSpace. The direct spatial visualization and the immediate interaction with the 3D objects should make the labeling more intuitive and thus easier. The project will later be incorporated as part of the Semantic Scene Builder (SeSB). The project itself in turn relies on the Text2SceneVR presented here for generating spatial hypertext, which in turn is based on the VAnnotatoR. Finally, we introduce Semantic Scene Builder (SeSB), a VR-based text-to-3D scene framework using Semantic Annotation Framework (SemAF) as a scheme for annotating semantic relations. It integrates a wide range of tools and resources by utilizing SemAF and UIMA as a unified data structure to generate 3D scenes from textual descriptions and also supports annotations. When evaluating SeSB against another state-of-the-art tool, it was found that our approach not only performed better, but also allowed us to model a wider variety of scenes. The final part reviews existing practices and tools for digital and virtual teaching, learning, and collaboration, as well as the conditions and strategies needed to make the most of technological opportunities in the future.
Protein biosynthesis is a fundamental process across all domains of life. Polypeptides are produced by translating the genetic information of the messenger RNA (mRNA) into amino acids. This elaborate procedure is divided into the four distinct phases: initiation, elongation, termination, and ribosome recycling. The phases are controlled and regulated by a multitude of translation factors. During initiation, the ribosome assembles on the mRNA. Initiation factors (IFs) bind to the small ribosomal subunit (SSU) and assist the recruitment of mRNA and initiator transfer RNA (tRNA), which delivers the first amino acid methionine. After positioning the SSU at the start codon of the mRNA, additional IFs support the joining of the large ribosomal subunit (LSU). Next, elongation factors (EFs) deliver amino-acylated tRNAs (aa-tRNAs) to the translating ribosome and assist kinetic proofreading and ribosome subunit translocation after the catalytic transfer of the polypeptide onto the aa-tRNA. When a stop codon is reached, translation is terminated by release factors (RFs) that hydrolyze the peptidyl-tRNA to release the nascent protein chain. Afterwards, the ribosome is recycled in Eukaryotes and Archaea by the conserved and essential factor ABCE1, which splits the ribosome into the LSU and SSU. ABCE1 remains bound to the SSU forming the post-splitting complex (post-SC). mRNA translation closes into a cycle by recruitment of IFs to the post-SC and the start of a new round of initiation. The post-SC presents the platform for translation initiation. However, the role of ABCE1 in initiation remains elusive. Therefore, the main goal of my thesis was to unravel the molecular mechanism of ABCE1 on the post-SC and during initiation complex (IC) assembly.
Using a reconstituted system, the high-resolution structure of the archaeal post-SC was solved by cryogenic electron microscopy (cryo-EM) following the native splitting route. It was the first complete model of an archaeal SSU at atomic resolution and revealed a previously undescribed ribosomal protein, which we termed eS21. The hinge 2 region of ABCE1 was identified to be the major interaction interface that anchors to the SSU. Functional characterization of single residue mutations in hinge 2 unraveled essential interactions with the ribosomal RNA backbone of the SSU. Sensing of SSU-binding was found to be allosterically transmitted to the nucleotide-binding sites (NBSs) for integration into the ATPase cycle of ABCE1.
Reconstitution of the archaeal translation apparatus allowed for dissection of IC assembly in the presence of ABCE1. Three different ICs were resolved by cryo-EM. The results were in accordance with recent structural findings of eukaryotic translation initiation and highlighted that the involvement of ABCE1 is conserved.
In a semi-native approach, recombinant ABCE1 was pulled-down from crenarchaeal cell lysates. Mass spectrometric analysis of co-immunoprecipitated ribosomal complexes identified the association of numerous translation factors to the post-SC in a cellular context. The establishment of the genetic toolbox of the acidothermophilic Sulfolobus acidocaldarius allowed the homologous expression of ABCE1. Pull-down of native ABCE1 revealed similar ribosomal complexes as the semi-native and reconstituted approaches. Together, my results gave first physiological relevance of ABCE1 involvement in mRNA translation initiation in Archaea. Native archaeal ABCE1-ICs were vitrified for structural analysis by cryo-EM. Thereby, future structural analysis will allow to analyze the interactions of ABCE1 on native ICs and identify its role in IC assembly.
To address the molecular process of IC assembly, the binding affinity of aIF1 to the SSU was determined by fluorescence polarization. Similar studies will allow for a detailed functional analysis on IF recruitment to the SSU in presence of ABCE1.
mRNA surveillance and ribosome-associated quality control (RQC) mechanisms evolved to ensure cell viability. The pathways overcome ribosome stalling and defective translation components. Stalled ribosomes are terminated by special RFs, which do not hydrolyze the peptidyl-tRNA, but allow dissociation of the ribosome by ABCE1. Faulty messages are degraded via mRNA decay pathways and the LSU is rescued by RQC factors. Recently, the bacterial RQC factor MutS2 was identified to specifically target collided di- and polysomes but its molecular mechanism remains unknown. In this thesis, initial functional analyses showed tri-phosphate specific nucleotide binding of MutS2. While the dissociation of collided disomes by MutS2 could not be observed, the results pave the way for future in vitro studies of bacterial RQC factors acting on specific ribosome populations.
In the future, mRNA translation research must focus on complex quality control processes to comprehensively understand this fundamental cellular process in a holistic context.
Einleitung: Knochenersatzmaterialien gewinnen in der regenerativen Medizin immer weiter an Bedeutung. Polylactid-co-Glycolid (PLGA) wird als etabliertes synthetisches Biomaterial bereits vielseitig in der medizinischen Versorgung eingesetzt, häufig in Form von Mikropartikeln oder Platzhaltern beladen mit Antibiotika oder immunaktiven Zellen zur topischen Antibiotikatherapie und Freisetzung von regenerativen Zellen in einer Defektzone. Ziel dieser Studie war die Charakterisierung einer neuen Darbietungsform von PLGA auf ihre physikalischen Eigenschaften, ihre immunologische Signatur und Zytokompatibilität. Dieses Material soll den Einsatz von PLGA in Form einer porösen Membran zur Abdeckung von großen Knochendefekten ermöglichen.
Material und Methoden: Das PLGA-Gemisch wurde in Form von scheibenförmigen Prüfkörpern und Membranen aufbereitet. Es wurde eine biomechanische Analyse des Materials auf Bruchfestigkeit, Biegesteifigkeit und seine Diffusionskapazität durchgeführt. Die Scaffolds wurden mit Knochenmarkstammzellen (BMC und MSC) besiedelt. Mittels MTT-Tests wurde die Lebensdauer und die Viabilität der Zellen auf der Prüfkörperoberfläche ermittelt. Die Zellen wurden durch PCR-Analyse auf osteogene Differenzierung untersucht. Zur Erfassung der immunologischen Signatur erfolgte ein Vollblutstimulationstest mit anschließender umfassender Auswertung des Sekretoms mittels Proteom Profiler-Analyse.
Ergebnisse: Das Material wies eine geringe mechanische Stabilität auf. Die PLGA-Membran zeigte sich für Proteine bis 11,4 kDa durchlässig. Es konnte eine stetige Degeneration des Materials in wässrigem Milieu festgestellt werden. In der Sekretom-Analyse des Vollblutstimulationstests zeigte sich eine für die PLGAMembran charakteristische immunologische Signatur mit Aktivierung von proinflammatorischen Faktoren. Das Zellüberleben auf der Prüfkörperoberfläche nahm während des Erfassungszeitraums konstant ab, während die Zellviabiliät auf dem Wellboden stieg. Es konnte keine signifikante osteogene Differenzierung der Stammzellen festgestellt werden.
Diskussion: Die schnelle Degeneration des Materials in wässriger Umgebung beeinflusste sowohl die Stabilität der Membran als auch die Zelladhäsion auf den Scaffolds negativ. Das Material wirkte dabei weder toxisch auf die Zellen, noch induzierte es eine osteogene Differenzierung. Die Analyse der Immunsignatur ließ eine frühe und starke Entzündungsreaktion nach Implantation des Materials vermuten.
Schlussfolgerung und Ausblick: Während das vorgelegte PLGA-Gemisch nicht die mechanischen Eigenschaften eines gewichttragenden Knochenersatzstoffes aufweist, so lässt es sich dennoch erfolgreich mit Stammzellen beladen, die nach Implantation gezielt in der Defektzone freigesetzt werden können. Die Anregung einer starken Immunantwort kann gerade in der frühen Heilungsphase hilfreich sein. Weitere in vivo-Untersuchungen am Tiermodell sind notwendig zur Optimierung möglicher therapeutischer Anwendungen.