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This dissertation presents the development of a new radio frequency quadrupole (RFQ) structure of the 4-rod type with an operating frequency of 108 MHz for the acceleration of heavy ions with mass-to-charge ratios of up to 8.5 at high duty cycles up to CW operation ("continuous wave") at the High Charge Injector (HLI) of the GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research in Darmstadt.
The need to develop a completely new RFQ for the HLI arises from the fact that with the previously designed and built 4-rod RFQ structure, which was commissioned at the HLI in 2010 as part of the planned HLI upgrade program, the desired operating modes in both pulsed and CW operation could not be achieved even after several years of operating experience and considerable efforts to eliminate or at least mitigate the severe operational instabilities. Mechanical vibrations of the electrodes, which result in strong modulated power reflection, as well as the high thermal sensitivity proved to be particularly problematic.
In addition to the RF design of the new RFQ by simulations performed with the CST Microwave Studio software, the focus of the investigations fell on the mechanical analysis of vibrations on the electrode rods caused by RF operation, for which the ANSYS Workbench software was used. Due to the high thermal load of the RFQ structure of more than 30 kW/m in CW operation, an accurate analysis of the thermal effects on electrode deformation as well as resulting frequency detuning of the resonator is also required, which was investigated by simulations within the capabilities of CST Mphysics Studio.
Based on the results of the design studies carried out by simulations and the thereby achieved design optimizations, a 4-rod RFQ prototype with 6 stems was finally manufactured, on which most of the properties expected from the simulations could be validated by measurements of the RF characteristics as well as of the vibration behavior.
Finally, based on the results of the pre-tests and considering a newly developed beam dynamics concept, a completely revised RF design for a new full-length HLI-RFQ was derived from the prototype design.
Das Glioblastom ist der häufigste bösartige primäre Hirntumor im Erwachsenenalter. Trotz intensiver Forschungsbemühungen inklusive zahlreicher Therapiestudien liegt die mediane Gesamtüberlebenszeit selbst von Patienten in gutem Allgemeinzustand noch immer unter zwei Jahren. Deshalb ist die Erforschung möglicher Resistenzmechanismen sowie neuer therapeutischer Angriffspunkte dringend erforderlich, um effizientere Therapien zu entwickeln.
Insbesondere der Tumormetabolismus hat in den vergangenen Jahren an Bedeutung in der Krebsforschung gewonnen. Hier zeigte sich in anderen Tumorentitäten, dass der Metabolismus der Aminosäure Serin, insbesondere des Schlüsselenzyms der Serin-Biosynthese, der 3-Phosphoglyceratdehydrogenase (PHGDH), ein Ansatzpunkt für neue Therapien sein kann. Wir stellten uns die Frage, ob auch im Glioblastom der Serinstoffwechsel von Bedeutung für Wachstum und Überleben der Tumorzellen ist und ob dieser somit einen neuen therapeutischen Angriffspunkt darstellen kann.
Zur Untersuchung dieser Fragestellung wurden initial verschiedene Tumorzelllinien hinsichtlich ihrer basalen Expression von PHGDH und weiterer Schlüsselenzyme des Serinstoffwechsels auf mRNA- und Protein-Ebene analysiert. Anschließend wurde untersucht, ob sich die Expression dieser Enzyme durch Zellstress verändert. Zur weiteren Evaluierung der PHGDH als möglichem Ansatz für neue Therapien wurde deren Aktivität pharmakologisch und genetisch inhibiert. In Wachstumsanalysen wurde ferner die Abhängigkeit der Zellen von verschiedenen Serinquellen untersucht. Unter Bedingungen des Tumormikromilieus wurden Zelltod- und Redox-Stress-Parameter untersucht. Abschließend wurden die Ergebnisse durch eine PHGDH-Überexpression validiert.
Die basalen Expressionsniveaus der PHGDH unterschieden sich in den fünf analysierten Gliomzelllinien. Es zeigte sich keine Korrelation mit der Expression der
Serinhydroxymethyltransferase 1 und 2 (SHMT 1 und 2, zytoplasmatische bzw. mitochondriale Isoform), welche ebenfalls Schlüsselenzyme im Serinstoffwechsel sind. Unter Zellstress, welcher mittels Hypoxie oder Aktivierung des Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) induziert wurde, zeigte sich ein Anstieg der Expression von PHGDH und SHMT2. Im nächsten Schritt erfolgten Versuche mit CBR-5884, einem pharmakologischen Inhibitor der PHGDH. CBR-5884 reduzierte signifikant die intrazellulären Serin- und Glycin-Spiegel. Parallel zeigte sich eine dosisabhängige, signifikante Reduktion des Zellwachstums in allen getesteten Linien, ohne eine Induktion von Zelltod. Zelllinien mit niedriger PHGDH-Expression wurden zusätzlich bereits durch Entzug von Serin aus dem Kulturmedium signifikant in ihrem Wachstum gehemmt. Unter realistischen Bedingungen des Tumormikromilieus mit Sauerstoff- und Nährstoffmangel zeigte sich unter zusätzlicher PHGDH-Inhibition mittels CBR-5884 ein signifikanter Anstieg von Zelltod-Parametern und reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) einhergehend mit einer reduzierten NADPH/NADP+-Ratio. Die Ergebnisse der pharmakologischen PHGDHInhibition konnten durch eine PHGDH-Gensuppression reproduziert werden.
Umgekehrt bestätigte eine genetische PHGDH-Überexpression den protektiven Effekt eines aktiven Serinmetabolismus für die Tumorzellen.
Zusammenfassend zeigte sich in unseren Versuchen, dass unter Bedingungen des Tumormikromilieus einige Gliomzell-Linien den Serinmetabolismus induzieren, was einen protektiven Effekt für das Überleben unter widrigen Mikromilieusbedingungen zu haben scheint. Umgekehrt reduzierte eine Inhibition der PHGDH als Schlüsselenzym der Serinsynthese unter diesen Bedingungen das Wachstum von Glioblastom-Zellen und induzierte gleichzeitig Zelltod und Redoxstress. Diese Ergebnisse rechtfertigen eine weitere präklinische Testung in in vivo Modellen. Zusammenfassend legen unsere Ergebnisse nahe, dass der Serinmetabolismus einen vielversprechenden Angriffspunkt für neue Therapiestrategien im Glioblastom darstellen könnte.
Das Risiko bakterieller Infektionen durch Thrombozytenkonzentrate (TKs) ist derzeit immer noch das höchste in der Transfusionsmedizin. Dies wird hauptsächlich durch die empfindliche Physiologie der Thrombozyten und die damit verbundene erforderliche Lagerung dieser Produkte bei Raumtemperatur von 22°C ± 2°C bedingt, welche eine optimale Wachstumsbedingung für Bakterien darstellt. Mit Hilfe von predonation sampling und gewissenhaft durchgeführter Hautdesinfektion beim Spender wurden die Grundlagen zur Optimierung der bakteriellen Sicherheit von Thrombozytentransfusionen geschaffen. Allerdings ist die Übertragung von Bakterien bei der Punktion des Spenderarms immer noch die Hauptursache für bakterielle Kontamination von Thrombozytenspenden. In selteneren Fällen ist eine latente Bakteriämie des Spenders ursächlich. Denkbar ist auch eine Verunreinigung bei der Produktion.
Die Studie, welche in drei Phasen verlief, sollte die bakterielle Sicherheit von Thrombozytenkonzentraten und somit auch die Patientensicherheit dieser Produkte verbessern und gleichzeitig die Ressource „Thrombozytenkonzentrat“ optimieren.
In Phase 1 wurden drei zufällig gehäufte Transfusionszwischenfälle des Jahres 2016 untersucht und Wachstumskinetiken der verursachenden Keime erstellt. Es konnte bestätigt werden, dass Hautkeime weiterhin eine relevante Ursache bakterieller Verunreinigung darstellen. Eine Erweiterung des Spenderfragebogens bezüglich der Abfrage eines Risikos für die Übertragung multiresistenter Erreger und Kontakt zu besonderen tierischen Risikogruppen sowie die Einführung einer Mundraumkontrolle bei der ärztlichen Untersuchung könnten das Risiko der bakteriellen Kontamination der Blutspende eventuell reduzieren.
Phase 2 verglich mit PCR, Bactiflow und BacT/ALERT drei bakterielle Schnelltestmethoden synoptisch miteinander. Das Hauptaugenmerk lag hierbei auf der diagnostischen Sensitivität nach Poolbildung von bis zu 10 TKs (Pool-TKs sowie Apheresen).
Alle drei getesteten Bakterienscreeningmethoden zeigten einen zuverlässigen Bakteriennachweis auch nach erfolgter Poolbildung. Bactiflow-Mini-Pooltests konnten 2016 in die Routinetests des DRK Blutspendedienstes Baden-Württemberg-Hessen eingeführt werden und haben in der Zeit von 2016 bis 2019 zum Nachweis von zwölf Bakterienstämmen in Thrombozytenkonzentraten geführt und somit Transfusionszwischenfälle verhindert. Die Daten dieser Promotionsarbeit ermöglichen auch die Anwendung einer generischen 16s-DNA PCR-Methode oder des BacT/ALERT-Verfahrens als alternative Schnelltestmethoden.
In Phase 3 wurde schließlich die Transportstabilität der Proben validiert. Dadurch sollte Bactiflow als sicheres Schnelltestverfahren für TK-Pooltests an drei Standorten für den DRK Blutspendedienst Baden-Württemberg-Hessen und den DRK Blutspendedienst Nord-Ost implementiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl nach einem Transport bei Raumtemperatur als auch bei 4°C die Bakterienkonzentration innerhalb von 24 h auch bei 5er- und 10er-Pool-TKs für alle drei Testverfahren nicht unter die Nachweisgrenze fällt. Die Bakterientestung von TKs ist somit auch nach Zentralisierung an den Instituten Frankfurt und Ulm des DRK Blutspendedienstes Baden-Württemberg-Hessen sowie dem Institut Plauen des DRK Blutspendedienstes Nord-Ost zuverlässig möglich.
Die hiesige Studie konnte dabei helfen, mögliche Ursachen für bakterielle Kontaminationen zu detektieren. Ebenso wurden mit Bactiflow, 16s realtime-PCR und BacT/ALERT drei Bakterienscreeningverfahren erfolgreich für Pools von bis zu zehn Pool- oder Apherese-TKs getestet. Zuletzt konnte auch für alle dieser drei Methoden eine sichere Nutzung nach 24-stündigem Transport sowohl bei Raumtemperatur als auch unter Kühlung bei 4 °C gezeigt werden. Insgesamt konnte die Studie somit zu einer Ressourcenoptimierung und einer Verbesserung der Patientensicherheit beitragen.
Hintergrund: Die LCPUFA der Zellmembran sind Ausgangspunkt für die Synthese von Lipidmediatoren und können je nach freigesetzter Fettsäure von der Zelle in pro- oder antientzündliche Mediatoren verstoffwechselt werden. LCPUFA können das Reaktionsprofil von Zellen beeinflussen, indem sie selbst oder die aus ihnen entstandenen Lipidmediatorderivate an Rezeptoren binden oder auf Genebene ihre Wirkung entfalten. Sowohl das antientzündliche Potenzial der Einzelfettsäuren EPA, DHA, GLA und SDA als auch die Wirkung des n-6/n-3-Verhältnisses wurden bereits in zahlreichen Studien gezeigt. Jedoch wurde noch nicht ausführlich auf den Einfluss einer Kombination verschiedener LCPUFA eingegangen, die sich im Hinblick auf die Verstoffwechselung von n-3- und n-6-Fettsäuren durch gleiche Enzyme wechselseitig beeinflussen können.
Zielsetzung: Ziel dieser Arbeit war es deshalb, den Einfluss von mehrfach ungesättigten Fettsäuren allein und in Kombination auf die COX-2-abhängige Inflammation in A549-Lungenepithelzellen zu untersuchen. Die Inkubation der Zellen mit den Einzelfettsäuren EPA, DHA, GLA und SDA wurde einem LCPUFA-Mix aus diesen vier Fettsäuren gegenübergestellt. Es wurde die IL-6-Produktion und die COX-2-Expression in CM1-stimulierten A549-Zellen als Marker einer Entzündung mittels CBA bzw. Durchflusszytometrie gemessen.
Ergebnisse: Durch die Oberflächencharakterisierung der A549-Zellen mittels Durchflusszytometrie konnte ihre Funktion im Immunsystem hervorgehoben werden. Die Inkubation mit den LCPUFA führte zur Aufnahme in die Zellmembran und zur weiteren Verstoffwechselung der Fettsäuren, wie sich gaschromatographisch nachweisen ließ. Der LCPUFA-Mix (0,02 pmol/Zelle) konnte die CM1 induzierte COX-2-Expression nur tendenziell erniedrigen. Im Gegensatz dazu ließ sich die COX-2-Expression durch eine gleiche Menge an EPA (0,02 pmol/Zelle) sehr signifikant (von 26,81% ± 2,78 auf 16,43% ± 1,45, p < 0,01) reduzieren. Die CM1-induzierte IL-6-Produktion wurde weder durch eine Einzellfettsäure EPA, DHA, GLA oder SDA noch den LCPUFA-Mix signifikant gesenkt.
Diskussion: In Übereinstimmung mit Corbière et al. wurden phänotypische Oberflächenmarker auf den A549-Zellen mittels Durchflusszytometrie gemessen, die sie zur Antigenpräsentation gegenüber T-Lymphozyten befähigen und zeigen, dass sie Teil des Immunsystems sind.[76] Im Gegensatz zum LCPUFA-Mix inhibierte EPA die COX-2-Expression. Zwar ist EPA die Hauptkomponente des LCPUFA-Mixes, dieser enthält aber zusätzlich DHA, GLA und SDA. Eine der vorgenannten drei Fettsäuren könnte den hemmenden Effekt des EPAs auf die COX-2 gemindert haben. Es ist aber auch denkbar, dass eine Interaktion der verschiedenen Fettsäuren zu einer geringeren Hemmung geführt hat. Auch andere Forschungsergebnisse bestätigen, dass die Stärke des Effektes von Fettsäuren abhängig von ihrer Kombination und Konzentration ist. Es stellt sich ein Wirkmaximum auf die Genexpression ein, das durch weitere Erhöhung der Fettsäuren nicht gesteigert werden kann und eventuell sogar ins Gegenteil umschlagen könnte. Gleissman et al. stellten erhöhte Spiegel an AA und COX-2 sowie einen geringeren Anteil an EPA und DHA in Tumorgeweben fest.[37] Für die A549-Zellen zeigten sich in der gaschromatographischen Messung ebenfalls im Vergleich zum AA-Anteil (5,72% ± 0,09) ein geringerer EPA- (0,95% ± 0,37) und DHA-Anteil (0,60% ± 0,07). Für COX-2-Inhibitoren konnten bereits antineoplastische Eigenschaften nachgewiesen werden.[94] Dies könnte ein Grund für die eingeschränkte Zellviabilität im XTT-Test bei höheren Fettsäure-Konzentrationen sein.
Fazit: Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass im Gegensatz zu DHA, GLA, SDA und dem LCPUFA-Mix nur EPA eine signifikante antiinflammatorische Wirkung auf die COX-2 ausübte. Jedoch konnte kein signifikanter antiinflammatorischer Effekt hinsichtlich der Produktion des proinflammatorischen Cytokins IL-6 festgestellt werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass weder einer alleinigen Fettsäure noch dem LCPUFA-Mix eine überlegene antiinflammatorische Wirkung auf alle hier untersuchten Parameter zugeordnet werden konnte.
High-energy physics experiments aim to deepen our understanding of the fundamental structure of matter and the governing forces. One of the most challenging aspects of the design of new experiments is data management and event selection. The search for increasingly rare and intricate physics events asks for high-statistics measurements and sophisticated event analysis. With progressively complex event signatures, traditional hardware-based trigger systems reach the limits of realizable latency and complexity. The Compressed Baryonic Matter experiment (CBM) employs a novel approach for data readout and event selection to address these challenges. Self-triggered, free-streaming detectors push all data to a central compute cluster, called First-level Event Selector (FLES), for software-based event analysis and selection. While this concept solves many issues present in classical architectures, it also sets new challenges for the design of the detector readout systems and online event selection.
This thesis presents an efficient solution to the data management challenges presented by self-triggered, free-streaming particle detectors. The FLES must receive asynchronously streamed data from a heterogeneous detector setup at rates of up to 1 TB/s. The real-time processing environment implies that all components have to deliver high performance and reliability to record as much valuable data as possible. The thesis introduces a time-based data model to partition the input streams into containers of fixed length in experiment time for efficient data management. These containers provide all necessary metadata to enable generic, detector-subsystem-agnostic data distribution across the entire cluster. An analysis shows that the introduced data overhead is well below 1 % for a wide range of system parameters.
Furthermore, a concept and the implementation of a detector data input interface for the CBM FLES, optimized for resource-efficient data transport, are presented. The central element of the architecture is an FPGA-based PCIe extension card for the FLES entry nodes. The hardware designs developed in the thesis enable interfacing with a diverse set of detector systems. A custom, high-throughput DMA design structures data in a way that enables low-overhead access and efficient software processing. The ability to share the host DMA buffers with other devices, such as an InfiniBand HCA, allows for true zero-copy data distribution between the cluster nodes. The discussed FLES input interface is fully implemented and has already proven its reliability in production operation in various physics experiments.
Die Dissertation befasst sich mit Daten zum frühinvasiven kolorektalen Karzinom aus der Westpfalz in einem Zeitraum von 6 Jahren (2010 – 2016). In diesem Zeitraum sind 11% (n=130) frühinvasive kolorektale Karzinome aufgetreten. Davon besitzen 11% (n=14) Lymphknotenmetastasen. Beim pT1 Kolonkarzinom (n=92) treten Lymphknotenmetastasen in 13% (n=12) und beim pT1 Rektumkarzinom (n=38) in 5% (n=2) auf. Zur Risikostratifizierung werden pT1 kolorektale Karzinome in Low-Risk (sm1, G1, G2) und High-Risk (sm3, G3, G4) Karzinome eingeteilt. 84% (n=109) der pT1 kolorektalen Karzinome sind gut (G1) und mäßig differenziert (G2) und 35% (n=46) besitzen eine Submucosaeindringtiefe von sm1. 15% der G1 und G2 (n=11 von 73) pT1 Kolonkarzinome und 6% der G1 und G2 (n=2 von 36) pT1 Rektumkarzinome sind nodal positiv. Ein positiver nodaler Status ist in 12% (n=4 von 33) bei pT1sm1 Kolonkarzinomen aufgetreten. Ähnliches gilt für pT1sm1 Rektumkarzinome mit 8% (n=1 von 13). Weder im sm3 Stadium noch beim G3 pT1 Rektumkarzinom ist ein no-dal positiver Status vorgekommen. Dies zeigt, dass die Einteilung in Low- und High-Risk Karzinome nach der S3–Leitlinie zu überdenken ist. Ein positiver Lymphknoten-status tritt auch bei Low-Risk Karzinomen auf und verschlechtert das onkologische Outcome signifikant. Die Überlebensraten verdeutlichen diese Erkenntnis. Frühinvasi-ve kolorektale Karzinome besitzen eine ähnliche 5 Jahres-Überlebensrate von 81% wie fortgeschrittene neoadjuvant behandelte ypT1 kolorektale Karzinome. Das Gleiche gilt für nodal negative pT1 Karzinome (83%) im Vergleich mit fortgeschrittenen nodal negativen ypT0 und ypT1 Karzinomen (81%). Auch nodal positive pT1 Karzinome und fortgeschrittene nodal positive ypT0 und ypT1 Karzinome haben ähnliche Überle-bensraten (66% versus 67%). Auch dieser Vergleich zeigt, dass frühinvasive kolorekta-le Karzinome unterschätzt werden. Zur Optimierung des onkologischen Outcomes ist eine systemische Therapie bei frühinvasiven kolorektalen Karzinomen - auch ohne Lymphknotenmetastasen - zur Verbesserung des Überlebens nach 5 Jahren zu erwägen. Diese Thematik bietet einen Ansatzpunkt für weitere Studien um eine konkrete Aussa-ge über die Signifikanz einer neo-oder adjuvanten Therapie bei frühinvasiven kolorek-talen Karzinomen zu ermöglichen. Ein angepasstes multimodales Therapiekonzept sowie eine adäquate Nachsorge erscheinen bei frühinvasiven kolorektalen Karzinomen unabdingbar.
Während hohe Spiegel von reaktiven Sauerstoffspezies (reactive oxygen species, ROS) in Form von oxidativem Stress schädliche Auswirkungen auf den Körper haben können, zeigen aktuelle Forschungsarbeiten, dass Redox-Modifikationen an Thiolresten von Proteinen reversible Signalprozesse steuern können. Dieses Prinzip der posttranslationalen Proteinmodifikation durch Redox-Signale scheint auch bei der Verarbeitung und Chronifizierung von Schmerzen von Bedeutung zu sein. Über die potenziellen Redox-modulierten Zielstrukturen im nozizeptiven System ist jedoch bisher nur wenig bekannt.
Ein potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist das kleine EF-Hand Ca2+-bindende Protein S100A4. Wie die anderen Familienmitglieder der S100-Proteinfamilie enthält S100A4 Cysteinreste, die in der Lage sind, redoxabhängig modifiziert zu werden. Studien an menschlichen Biopsien nach Gehirnverletzungen und an Mäusen in Verletzungsmodellen konnten zeigen, dass S100A4 neuroprotektiv wirkt. Darüber hinaus kann S100A4 sezerniert werden und vermittelt extrazellulär insbesondere regulatorische Funktionen innerhalb der Angiogenese, bei der Zellmigration sowie bei zellulären Differenzierungsprozessen. Die Funktionen von S100A4 im nozizeptiven System sind jedoch weitgehend unbekannt. In Vorarbeiten zu diesem Projekt wurde in einem Proteom-Screen beobachtet, dass S100A4 nach einer peripheren Nervenverletzung redoxabhängig im verletzten Nervengewebe hochreguliert wird. Darauf basierend wurde im Rahmen dieser Arbeit die Lokalisation von S100A4 innerhalb des nozizeptiven Systems sowie die funktionelle Bedeutung nach peripherer Nervenverletzung genauer untersucht.
Anhand von Immunfluoreszenzaufnahmen konnte gezeigt werden, dass S100A4 basal in Subpopulationen Peripherin- und NF200-positiver sensorischer Neurone lokalisiert ist. Interessanterweise führt eine Nervenverletzung nicht nur zu einer deutlichen Steigerung der S100A4-Expression im Bereich der Verletzungsstelle, sondern auch zu einer Änderung des neuronalen Verteilungsmusters. Die funktionelle Bedeutung von S100A4 für die Verarbeitung von Schmerzen wurde anhand von Verhaltenstests an Mäusen näher charakterisiert. Dafür wurden gewebsspezifische S100A4 Knockout Mäuse (Adv-S100A4-/-) und globale S100A4 Knockout Mäuse (S100A4-/-) generiert. In Modellen der akuten Nozizeption zeigten sowohl Adv-S100A4-/- als auch S100A4-/- Mäuse eine normale Reaktion auf thermische und mechanische Stimuli. Im „Spared Nerve Injury“ (SNI) Modell für periphere Neuropathien zeigten die S100A4-/- Mäuse eine im Vergleich zu wildtypischen (WT) Mäusen signifikant reduzierte mechanische Hyperalgesie, während bei den gewebsspezifischen Adv-S100A4-/- Mäusen kein verändertes Schmerzverhalten beobachtet werden konnte. Im „Crush Injury“ Modell für periphere Neuropathien war die mechanische Hyperalgesie der S100A4-/- Mäuse im Vergleich zu WT Tieren jedoch nicht verändert. Zusätzlich zur mechanischen Hyperalgesie wurden auch weitere Methoden der Quantifizierung des Schmerzverhaltens (Sciatic Functional Index, Brush Test und Wühlverhalten) etabliert. Allerdings war auch hier das Verhalten der S100A4-/- Mäuse mit dem der WT Mäuse vergleichbar. Darüber hinaus war das durch Applikation eines ROS-Donors induzierte nozizeptive Verhalten von S100A4-/- und WT Mäusen ähnlich. Man kann daher schlussfolgern, dass nach einer peripheren Nervenverletzung die S100A4-Expression insbesondere im Bereich der Verletzungsstelle hochreguliert wird. Dem gegenüber scheint S100A4 jedoch für die Schmerzverarbeitung funktionell nur von untergeordneter Bedeutung zu sein.
Ein weiteres potentielles Redoxtarget im nozizeptiven System ist die lösliche Epoxidhydrolase (soluble epoxide hydrolase, sEH). Die funktionelle Bedeutung von sEH für die Schmerzverarbeitung wurde bereits in früheren Studien belegt, da eine Behandlung mit sEH-Inhibitoren bei Ratten zu einer reduzierten Hypersensitivität in inflammatorischen und neuropathischen Schmerzmodellen führte. Während die analgetische Wirkung von sEH-Inhibitoren bereits gut bekannt ist, wurde eine redoxabhängige Modulation der sEH-Aktivität im nozizeptiven System in bisherigen Forschungsarbeiten kaum untersucht. Bestimmte Elektrophile können die sEH inhibieren, indem sie an das redoxaktive Cystein an Position 521 der sEH binden. Forschungsarbeiten konnten in diesem Zusammenhang bereits zeigen, dass die Cys521-vermittelte Inhibition von sEH durch das Prostaglandin 15d-PGJ2 oder 9-/10-Nitrooleonsäure (NO2-OA) im kardiovaskulären System zu einer Dilatation der Koronargefäße und einer Reduktion des Blutdrucks führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob es durch eine redoxabhängige Hemmung der sEH-Funktion auch innerhalb des nozizeptiven Systems zu einer veränderten Schmerzreaktion bei Mäusen kommt. Um diese Fragestellung beantworten zu können, wurden sEH-Knockin (sEH-KI) Mäuse verwendet, deren redox-sensitives Cystein 521 durch ein Serin ersetzt wurde. Bei diesen Knockin-Mäusen können Elektrophile wie 15d-PGJ2 oder 9-/10-NO2-OA keine Enzyminhibition erzeugen. Die Charakterisierung der sEH-KI Mäuse zeigte sowohl in akuten als auch inflammatorischen Schmerzmodellen (Formalin Test und Zymosan-Pfotenentzündungsmodell) keinen Zusammenhang der Redoxmodifikation mit dem Schmerzverhalten der Mäuse. Auch in neuropathischen und viszeralen Schmerzmodellen (SNI-Modell und Modell der Zymosan-induzierten Peritonitis) konnte kein verändertes Schmerzverhalten der sEH-KI-Mäuse im Vergleich zu Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus war das nozizpetive Verhalten nach Applikation von 15d-PGJ2 bei sEH-KI und WT Mäusen vergleichbar. Die redoxabhängige Modulation der sEH an Cystein 521 scheint demnach, im Gegensatz zum kardiovaskulären System, im nozizeptiven System keine Rolle zu spielen.
The analysis of the global stratospheric meridional circulation, known as the Brewer-Dobson circulation, is an essential part of both experimental and theoretical atmospheric sciences. This large-scale circulation has a crucial influence on the global burden of greenhouse gases and ozone depleting substances throughout the complete atmosphere. This makes it an important factor for the Earth’s radiative budget, which is perceptible at the Earth’s surface despite the remote location of the stratosphere. In the course of climate change it is generally expected that also the Brewer-Dobson circulation undergoes significant changes in structure and strength, although the exact repercussions are still uncertain and thus remain an open scientific question. A general problem for the observational investigation of the dynamical processes in the stratosphere is that residual mean transport cannot be measured directly and hence requires the use of sophisticated proxies. Many studies in the past consider the so-called mean age of air, which is a measure of the average time an air parcel has spent in the stratosphere since passing a certain reference point. While changes in the strength and structure can be detected and visualized using mean age of air, a more thorough distinction between the different involved transport mechanisms of the circulation (residual circulation, mixing) cannot be made. For that, consideration of a full distribution of all relevant transit times through the stratosphere, an age spectrum, is favorable and a powerful tool to analyze the spatial structure as well as possible future changes in detail. Mean age of air and age spectra can be readily derived in atmospheric modeling studies, but an observationally based retrieval is challenging. Mean age of air is usually approximated from measurements of very long-lived trace gas species that act as a dynamical tracer for the stratosphere. The retrieval of age spectra from observations, however, remains an open task for which different methods have been proposed in the past, that often require a combination of strong assumptions and model data explicitly. This is a major issue for a precise and independent investigation of stratospheric dynamics based on measurements. The focus of this cumulative dissertation is on the development process and application of an inversion method to derive stratospheric age spectra from mixing ratios of chemically active substances that combines an applicable and precise ansatz with a minimized amount of necessary model data. Chemically active species have the important benefit that chemistry and transport in the stratosphere are strongly correlated so that the state of depletion of a trace gas can give some information on certain parts of the age spectrum. Considering a sufficient number of distinct trace gases simultaneously, a full approximation of the age spectrum should be possible. The main section of this thesis is split into three parts, which follow the main aspects and key results of the three publications involved (Hauck et al., 2019, 2020; Keber et al., 2020). The newly developed inverse method is based upon the previously established ansatz by Schoeberl et al. (2005), but constrains the shape of the age spectrum by a single parameter inverse Gaussian function. This keeps the balance between applicability and accuracy with a limited amount of measurement data. Additionally, the method introduces a seasonal scaling factor that imposes higher order maxima and minima onto the intrinsically monomodal spectrum based on the seasonal cycle of the tropical upward mass flux to incorporate phases of weaker and stronger transport. A proof of concept of the inverse method is provided using an idealized simulation of the ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry (EMAC) model, where the method is applied to a set of artificial radioactive trace gases with known chemical lifetime. The results imply that the method works properly and retrieves age spectra that match the EMAC reference spectra significantly well on the global and seasonal scale. Only in the lower stratosphere, the performance of the inverse method on the seasonal scale decreases as entrainment into the stratosphere is considered only across the tropical tropopause. Transport across the local extratropical tropopause, however, is a key feature for trace gases in the extratropical lowermost stratosphere so that this entrainment must be included explicitly.
In the second part, the discovered problems are approached to make the inverse method applicable to observations. The formulation of the method is extended to incorporate transport explicitly across the tropical (30° S – 30° N), northern extratropical (30° N – 90° N), and southern extratropical tropopause (30° S – 90° S) each with a single age spectrum that can be inverted independently.
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In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, ob die endotracheale Intubation (ETI) der alternativen Atemwegssicherung mittels Larynxtubus (LT) bezüglich der Überlebenswahrscheinlichkeit bei außerklinisch reanimierten Patienten überlegen ist.
Das retrospektiv erfasste Kollektiv dieser monozentrischen Studie umfasst 222 Patienten, die in den Jahren 2006 bis 2014 nach nicht-traumatischem Herz-Kreislauf-Stillstand außerhalb der Klinik (engl.: Out-of-hospital cardiac arrest, OHCA) präklinisch primär mit Endotrachealtubus (ET) oder LT versorgt und anschließend auf die internistische Intensivstation des Universitätsklinikums Frankfurt am Main aufgenommen wurden. Endpunkte der Studie waren die innerklinische Gesamtmortalität während des Krankenhausaufenthaltes sowie die Überlebensrate nach 24 Stunden.
In die Analyse wurden 208 Patienten einbezogen, von denen präklinisch 48 Patienten mit LT (23 %) und 160 Patienten mit ET (77 %) intubiert wurden. Die innerklinische Sterblichkeitsrate lag insgesamt bei 85 % (n=176); darunter 23 % LT- und 77 % ET-versorgte Patienten. Zwischen den beiden Methoden zur Atemwegssicherung zeigten sich sowohl in einer univariaten Analyse (Hazard ratio [HR]=0,98; 95 % Konfidenzintervall [K.I.] 0,69-1,39; p=0,92) als auch in einer multivariaten Cox-Regressionsmodell (adjustierte HR=1,01; 95 % K.I. 0,76-1,56; p=0,62) keine Unterschiede. Die ersten 24 Stunden nach OHCA überlebten 38 % aller Patienten; auch hier unterschieden sich die beiden Patientenkollektive nicht signifikant voneinander (univariate HR=1,04; 95 % K.I. 0,71-1,52; p=0,83).
Ferner veranschaulichte eine Propensity-Score-Matching-Analyse (PSM) mit einer Subgruppe von 120 Patienten, zusammengestellt in einem 3:1 Verhältnis (ET:LT), sowohl mit Blick auf die Überlebensrate bis zur Krankenhausentlassung (Propensity-adjustierte HR=0,99; 95 % K.I. 0,65-1,51; p=0,97) als auch auf die Mortalität in den ersten 24 Stunden (Propensity-adjustierte HR=1,04; 95 % K.I. 0,44-2,36; p=0,96) vergleichbare Ergebnisse beim Atemwegsmanagement mit LT bzw. ET.
Die frühe Durchführung einer Herzkatheteruntersuchung (HR=0,47; 95 % K.I. 0,28-0,77; p=0,003) sowie der frühe Beginn einer systemischen empirischen antibiotischen Therapie (HR=0,28; 95% K.I. 0,17-0,45; p<0,001) konnten überdies als signifikant positive Prädiktoren für das Überleben in einer angepassten Cox-Regressionsanalyse herausgearbeitet werden.
Im Gesamten konnte somit demonstriert werden, dass die initiale präklinische Anwendung des LT nach OHCA der ETI hinsichtlich der Überlebenswahrscheinlichkeit nicht untergeordnet ist. Neuester Literatur zufolge ist sie womöglich sogar überlegen. Dies gilt es in weiteren Studien zu bestätigen.
Muskelskelett-Erkrankungen (MSE) bei Büroangestellten sind häufig mit einer höheren Muskelspannung und einer eingeschränkten Bewegungsreichweite assoziiert. Ein hohes präventives Potential haben daher Dehntrainings, da durch eine muskuläre Relaxation die Muskelspannung reduziert werden kann und gleichzeitig auf psychischer Ebene eine Möglichkeit zur Entspannung geboten wird. Auch im Rahmen von Maßnahmen der betrieblichen Gesundheitsförderung (BGF), die im Kontext der Arbeitsmedizin immer mehr an Bedeutung gewinnt, stellen Dehntrainings einen erfolgsversprechenden Ansatz dar. Allerdings sind die bislang überprüften Ansätze sehr zeitaufwendig, was zu einem erheblichen Verlust an Arbeitszeit führt. Ein Dehnprogramm mit geringem Zeitaufwand ist das gerätegestützte „five-Business“ Dehntraining, bei dem in fünf Übungen ganze Muskelketten intensiv gedehnt werden. Da das Gerät individuell einstellbar ist, ist die Trainingsintensität standardisiert und gleichzeitig individualisiert. Ziel dieser Studie war daher das five-Business“ Dehntraining auf seine Wirksamkeit hinsichtlich einer Verbesserung der Beweglichkeit, der Lebensqualität und von MSE zu evaluieren. Im Rahmen dieser Dissertation wurde in der ersten Publikation zunächst eine konkrete Methode erarbeitet, die anschließend als 12-wöchige Intervention bei Büroangestellten (Training zwei Mal wöchentlich für je 10 Minuten) umgesetzt wurde. Für die zweite Publikation wurden Veränderungen in der Beweglichkeit im Anschluss an die Intervention und deren Abhängigkeit von soziodemographischen und anthropometrischen Faktoren analysiert. Dazu wurden fünf Beweglichkeitstests verwendet: der Finger-Boden-Abstand und die Lateralflexion wurden mit einem Maßband evaluiert, während die Gelenkwinkel beim modifizierten Schultertest nach Janda, dem modifizierten Thomas Test und der Retroflexion des Rumpfes nach Janda mit einem digitalen Inklinometer gemessen wurden. Insgesamt nahmen 216 (79w; 137m) Probanden im Alter von 44,81 ± 10,55 Jahren freiwillig an der Studie teil. Die Probanden waren 1,76 ± 0,09 m groß und wogen 78,03 ± 15,11 kg. Die mittleren Unterschiede zeigten, dass die Probanden im Schultertest (rechts: 2,1 ± 7,7°, p = 0,001; links: 2,7 ± 10,11°, p = 0,001), in der nach Janda modifizierten Retroflexion des Rumpfes (5,4 ± 8,6°, p<0,001), im Finger-Boden-Abstand (-1,9 ± 4,0 cm, p<0,001) und in der Lateralflexion relativ zur Körpergröße (rechts: -0,004 ± 0,01, p = 0,002; links: -0,004 ± 0,01, p<0,001) Zuwächse im Bewegungsausmaß erzielten. Im Thomas Test zeigten die Probanden eine Abnahme der Flexibilität (rechts: -2,1 ± 4,5°, p<0,001; links: -1,2 ± 4,7°, p = 0,001). In allen Tests zeigten die Effektstärken geringe bis mittlere Effekte (d = 0,24 - 0,62). Probanden mit unterdurchschnittlicher Beweglichkeit im Prä-Test zeigten die höchsten Beweglichkeitszuwächse. Weder Alter, Körpergröße, Gewicht, Body-Mass-Index (BMI) noch Geschlecht hatten einen signifikanten Einfluss auf die Beweglichkeitsveränderungen. Insgesamt kann für das „five-Business“ Dehntraining resümiert werden, dass es effektiv zur Beweglichkeitssteigerung beiträgt. Der vergleichsweise geringe Zeitaufwand ist ausreichend, um insbesondere bei unterdurchschnittlicher Flexibilität zu einem Gewinn an Bewegungsreichweite beizutragen. Da weder soziodemographische noch anthropometrische Faktoren die Beweglichkeitsveränderungen signifikant beeinflussten, kann das „five-Business“ Dehntraining auch bei heterogen zusammengesetzten Kollektiven angewendet werden. Somit ist es als wirksame Dehnintervention als BGF Maßnahme für schreibtischgebundenen Büroangestellte einsetzbar.
Nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclised antimicrobial non-ribosomal peptides
(2020)
A solution to ineffective clinical antimicrobials is the discovery of new ones from under-explored sources such as macrocyclic non-ribosomal peptides (NRP) from nematophilic bacteria. In this dissertation an antimicrobial discovery process –from soil sample to inhibitory peptide– is demonstrated through investigations on six nematophilic bacteria: Xenorhabdus griffiniae XN45, X. griffiniae VH1, Xenorhabdus sp. nov. BG5, Xenorhabdus sp. nov. BMMCB, X. ishibashii and Photorhabdus temperata. To demonstrate the first step of bacterium isolation and species delineation, endosymbionts were isolated from Steinernema sp. strains BG5 and VH1 that were isolated directly from soil samples in Western Kenya. After genome sequencing and assembly of novel Xenorhabdus isolates VH1 and BG5, species delineation was done via three overall genome relatedness indices. VH1 was identified as X. griffiniae VH1, BG5 as Xenorhabdus sp. nov. BG5 and X. griffiniae BMMCB was emended to Xenorhabdus sp. nov. BMMCB. The nematode host of X. griffiniae XN45, Steinernema sp. scarpo was highlighted as a putative novel species. To demonstrate the second step of genome mining and macrocyclic non-ribosomal peptide structure elucidation, chemosynthesis and biosynthesis, the non-ribosomal peptide whose production is encoded by the ishA-B genes in X. ishibashii was investigated. Through a combination of refactoring the ishA-B operon by a promoter exchange mechanism, isotope labelling experiments, high resolution tandem mass spectrometry analysis, bioinformatic protein domain analysis and chemoinformatic comparisons of actual to hypothetical mass spectrometry spectra, the structures of Ishipeptides were elucidated and confirmed by chemical synthesis. Ishipeptide A was a branch cyclic depsidodecapeptide macrocyclised via an ester bond between serine and the terminal glutamate. It chemosynthesis route was via a late stage macrolactamation and linearised Ishipeptide B was synthesised via solid phase iterative synthesis. Ishipeptides were not N-terminally acylated despite being biosynthesised from the IshA protein that had a C-starter domain. It was highlighted that more than restoration of the histidine active site of this domain is required to restore N-terminal acylation activity.
To demonstrate the final step of determination of antimicrobial activity, minimum inhibitory concentrations of Ishipeptides and Photoditritide from Photorhabdus temperata against fungi and bacteria were determined. None were antifungal while only the macrocyclic compounds were inhibitory, with Ishipeptide A inhibitory to Gram-positive bacteria at 37 µM. The cationic Photoditritide, a cyclic hexapeptide macrocyclised via a lactam bond between homoarginine and tryptophan, was 12 times more inhibitory (3.0 µM), even more effective than a current clinical compound, Ampicillin (4.2 µM). For both, macrocyclisation was hypothesised to contribute to antimicrobial activity. Ultimately, this dissertation demonstrated not only nematophilic bacteria as a source of novel macrocyclic antimicrobial non-ribosomal peptides but also a process of antimicrobial discovery–from soil sample to inhibitory peptide– from these useful bacteria genera. This is significant for the fight against antimicrobial resistance.
Although immune checkpoint inhibitors such as anti-PD-1 antibodies have shown remarkable clinical success in many different tumor types, the proportion of patients benefiting from this treatment option remains low. Therefore, there is a need to sensitize tumors for immune checkpoint blockade. In this study two approaches were tested, a chemoimmunotherapy approach combining PD-1 checkpoint blockade with doxorubicin (DOX) chemotherapy, and ablation of the sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor (S1PR4) based on the following rationale. Chemotherapy was shown to induce immune paralysis which contributes to tumor relapse, while PD-1 signaling was shown to facilitate the acquisition of chemoresistance. Thus, combinatorial chemoimmunotherapy is expected to be beneficial by maintaining or even activating anti-tumor immunity during chemotherapy. S1PR4 is an immune cell specific receptor, whose ablation slowed tumor progression by activating anti-tumor immunity in a mouse model that was previously insensitive to anti-PD-1 monotherapy. This suggested that S1PR4 ablation might pre-activate immunity to sensitize for anti-PD-1 therapy.
To test these combinatorial approaches, two tumor mouse models were employed, namely the MC38 murine adenocarcinoma model as well as the transgenic polyoma middle T oncogene (PyMT) breast cancer model. In the MC38 model, a mild synergistic effect of PD-1 immune checkpoint blockade and S1PR4 ablation was observed, indicated by improved tumor progression and survival as compared to the WT control, and an increased number of tumor-free mice compared to anti-PD-1 therapy alone in WT mice. These observations correlated with an enhanced natural killer (NK) cell infiltrate and increased CXCL9 and CXCL10 production in anti-PD-1 treated S1PR4 KO tumors. As noted before, the PyMT model was largely resistant to anti-PD-1 monotherapy in a therapeutic setting. S1PR4 ablation alone showed significant tumor reduction that was not further enhanced by anti-PD-1 treatment. The same was observed when chemotherapy with DOX was added, where WT tumors relapsed, while S1PR4 KO tumor did not. Addition of anti-PD-1 did only mildly increase tumor control in S1PR4 KO mice, indicating that S1PR4 KO per se very efficiently re-activated anti-tumor immunity. Since S1PR4 KO induces type I 12 interferon (IFN-1) over-production in S1PR4 KO PyMT tumors, a link between high IFN-1 levels and tumor immunity was tested by using mice deficient in the IFN-1 receptor (IFNAR1). Unexpectedly, DOX chemotherapy was most efficient in mice with IFNAR ablation only as compared to WT, S1PR4 KO or S1PR4 and IFNAR1 double KO mice, although deficiency in IFNAR signaling is predominantly regarded as tumor promoting. The underlying mechanisms need to be tested in future studies. Interestingly, chemoimmunotherapy in WT mice prevented tumor relapse to a similar extent than S1PR4 KO and was superior to chemotherapy or immune checkpoint blockade alone. To investigate mechanisms of chemoimmunotherapy success compared to monotherapy, whole transcriptome analysis was used, which identified a set of genes that were upregulated specifically upon chemoimmunotherapy. This gene signature and, more specifically, a condensed four-gene signature predicted favorable survival of human mammary carcinoma patients in the METABRIC cohort.
Moreover, PyMT tumors treated with chemoimmunotherapy contained higher levels of cytotoxic lymphocytes, particularly NK cells. Gene set enrichment analysis and ELISA measurements revealed increased IL-27 production and signaling in PyMT tumors upon chemoimmunotherapy. Moreover, IL-27 improved NK cell cytotoxicity against PyMT cells in vitro. These data supported recent clinical observations indicating a benefit of chemoimmunotherapy compared to monotherapy in breast cancer and suggested potential underlying mechanisms.
Taken together the present work revealed new strategies to reactivate tumor immunity leading to improved chemotherapy response, namely a combination with immune checkpoint blockade and ablation of S1PR4, which activated different lymphocyte compartments within tumors.
The interleukin (IL)-1 family has been described for its numerous involvement in the regulation of inflammatory processes. Certain members are able to induce inflammation, whereas others have the capacity to inhibit inflammation. The newly discovered IL-1 family member IL-38 shows interesting and innovative properties. While most of these cytokines are pro-inflammatory mediators, IL-38 appears to enter the smaller circle of anti-inflammatory mediators. As a pattern, IL-38 appears to suppress IL-17-driven chronic or auto-inflammation by working as receptor antagonist. These properties, as well as its beneficial effects in models of inflammatory and autoimmune diseases suggest the possibility of IL-38-based therapies. Nevertheless, its role in the resolution of acute inflammation, thereby preventing chronic inflammation, remains unclear.
The first part of my thesis elucidated the role of IL-38 in the resolution of inflammation. I found that the complete absence of IL-38 in IL-38 KO mice leads to a delayed resolution of inflammation in the zymosan-induced peritonitis mouse model, compared to WT mice. This was marked by a persistent neutrophilia and a lower production of pro-resolving mediators during the resolution phase, such as TGFβ1 production from macrophages following efferocytosis of apoptotic cells. Reduced TGFβ1 production from macrophages coincided with reduced levels of regulatory T cells (Tregs), which are known to promote the resolution of inflammation. Unexpectedly, the TGFβ1 production capacity of macrophages did not influence the induction of Tregs from naïve T cells. Rather, IL-38 KO mice had an accumulation of Tregs in the thymus compared to WT mice. This was caused by an impairment of CD62L expression at the surface of Tregs, which is required for Tregs migration outside of the thymus. Higher Treg numbers in the thymus correlated with lower level of Tregs in peripheral lymphoid organs. Importantly, CD62L expression at the surface of IL-38 KO Tregs in the thymus was restored by injecting IL-38 i.p. for 24h. These data indicate a potential key function of IL-38 in the regulation of Treg migration, which is triggered in many cases of autoimmunity.
The second part of my thesis was to study the role of IL-38 in experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) development, given that EAE is IL-17-dependent. Unexpectedly, IL-38-deficient mice showed strongly reduced clinical scores and histological markers of EAE. This came with reduced inflammatory cell infiltrates, as well as reduced expression of inflammatory markers in the spinal cord. IL-38 mRNA was detected in the spinal cord, mainly by resident and infiltrated phagocytes, but also by other cells, such as ependymal cells. IL-38 was upregulated upon pro-inflammatory stimulation of bone marrow-derived macrophages, and its presence was necessary for a complete activation of inflammatory macrophages. My data suggest an alternative cell-intrinsic role of IL-38 in macrophages to promote inflammation in the central nervous system.
In the last part of my thesis, I initiated a project on the function of IL-38 in B cell physiology and antibody production, given the fact that IL-38 is expressed by B cells. I generated preliminary data showing that the absence of IL-38 in mice decreased antibody production. Furthermore, I showed that IL-38 is particularly expressed by plasma cells in human tonsils. This project remains open and further studies will be conducted to investigate how IL-38 regulates antibody production, both in physiological and autoimmune settings. Understanding the role of IL-38 in autoantibody production could lead to original and innovative therapy for patients suffering from auto-inflammatory disease.
In summary, the different projects of my thesis provide evidence that the pro-resolving function of IL-38 may be indirectly linked to the retention of Tregs in the thymus. Moreover, a possible intracellular role of IL-38 within macrophages was described showing opposite properties in the regulation of inflammation. This function could be causatively involved in EAE development. However, further studies remain to be done to find the mechanism of action by which IL-38 regulates Tregs egression and how it influences the EAE development. Complete understanding of the IL-38 biology and differentiation between its extra- vs potential intracellular functions could make it a promising therapeutic target for chronic inflammatory or autoimmune diseases.
The compound class of the fabclavines was described as secondary or specialized metabolites (SM) for Xenorhabdus budapestensis and X. szentirmaii. Their corresponding structure was elucidated by NMR and further derivatives could be identified in both strains. Biochemically, fabclavines are hybrid SMs derived from two non-ribosomal-peptide-synthetases (NRPS), one type I polyketide-synthase (PKS) and polyunsaturated fatty acid (PUFA) synthases. In detail, a hexapeptide is connected via partially reduced polyketide units to an unsual polyamine. Structurally, they are related to the (pre-)zeamines, described for Serratia plymuthica and Dickeya zeae. Fabclavines exhibit a broad-spectrum bioactivity against a variety of different organisms like Grampositive and Gram-negative bacteria, fungi, protozoa but also against eukaryotic celllines.
In this work, the fabclavine biosynthesis was elucidated and assigned to two independently working assembly lines. The NRPS-PKS-pathway is initiated by the first NRPS FclI via generation of a tetrapeptide, which is elongated by the second NRPS FclJ, leading to a hexapeptide. Alternatively, FclJ can also act as direct start of the biosynthesis, resulting in the final formation of shortened fabclavine derivatives with a diinstead of a hexapeptide. In both cases, the peptide moiety is transferred to the iterative type I PKS FclK, leading to an elongation with partially reduced polyketide units. The resulting NRPS-PKS-intermediate is still enzyme-bound. The PUFA-homologues FclC, FclD and FclE in combination with FclF, FclG and FclH belong to the polyamine-forming pathway. Briefly, repeating decarboxylative Claisen thioester condensation reactions of acyl-coenzym A building blocks lead to the generation of an acyl chain in a PKS- or fatty acid biosynthesis-like manner. The corresponding β-keto-groups are either completely reduced or transaminated in a specific and repetitive way, resulting in the concatenation of so-called amine-units. The final β-keto-group is reduced to a hydroxy-group and the intermediate is reductively released by the thioester reductase FclG. A subsequent transamination step leads to the final polyamine. The NRPS-PKS- as well as the polyamine-pathway are connected by FclL. This condensation domain-like protein catalyzes the condensation of the polyamine with the NRPS-PKS-part, which results in the release of the final fabclavine. The results are described in detail in the first publication (first author).
Fabclavine biosynthesis gene cluster (BGC) are widely spread among the genus Xenorhabdus and Photorhabdus. In Xenorhabdus strains a high degree of conservation regarding the BGC synteny as well as the identity of single proteins can be observed. However, Photorhabdus strains harbor only the PUFA-homologues. While in Photorhabdus no product could be detected, our analysis revealed that the Xenorhabdus strains produce a large chemical diversity of different derivatives. Briefly, the general backbone of the fabclavines is conserved and only four chemical moieties are variable: The second and last amino acids of the NRPS-part, the number of incorporated polyketide units as well as the number of amine units in the polyamine. In combination with the elucidated biosynthesis, these variables could be assigned to single biosynthesis components as diversity mechanisms. Together with the 10 already described derivatives, a total of 32 derivatives could be detected. Interestingly, except for taxonomic closely related strains, all analyzed strains produce their own set of derivatives. Finally, we could confirm that the fabclavines are the major bioactive compound class in the analyzed strains under laboratory conditions. The results are described in detail in the second publication (first author).
Together with our collaboration partner Prof. Selcuk Hazir a potent bioactivity against Enterococcus faecalis, which is associated with endodontic infections, could be contributed to X. cabanillasii. Here, we could confirm that this bioactivity can be assigned to the fabclavines. The results are described in detail in the third publication(co-author).
Among the genus Xenorhabdus, X. bovienii represents an exception as its NRPS and PKS genes of the fabclavine BGC are missing or truncated, resulting in the exclusive production of polyamines. Furthermore, its PUFA-homologue FclC harbors an additional dehydratase (DH) domain. Upon extensive analysis a yet unknown deoxy-polyamine was identified and assigned to this additional domain. Finally, the DH domain was transferred into other polyamine pathways. Regardless of an in cis or in trans integration, the chimeric pathways produced deoxy-derivatives of its naturally occurring polyamines, suggesting that this represents another diversification mechanism. The results are described in detail in the attached manuscript (first author).
Guanosine triphosphate (GTP) cyclohydrolase I (GCH1) catalyzes the conversion of GTP to dihydroneopterin triphosphate (H2NTP), the initiating step in the biosynthesis of tetrahydrobiopterin (BH4). Besides other roles, BH4 functions as cofactor in neurotransmitter biosynthesis. The BH4 biosynthetic pathway and GCH1 have been identified as promising targets to treat pain disorders in patients. The function of mammalian GCH1s is regulated by a metabolic sensing mechanism involving a regulator protein, GCH1 feedback regulatory protein (GFRP). GFRP binds to GCH1 to form inhibited or activated complexes dependent on availability of cofactor ligands, BH4 and phenylalanine, respectively. We determined high-resolution structures of human GCH1−GFRP complexes by cryoelectron microscopy (cryo-EM). Cryo-EM revealed structural flexibility of specific and relevant surface lining loops, which previously was not detected by X-ray crystallography due to crystal packing effects. Further, we studied allosteric regulation of isolated GCH1 by X-ray crystallography. Using the combined structural information, we are able to obtain a comprehensive picture of the mechanism of allosteric regulation. Local rearrangements in the allosteric pocket upon BH4 binding result in drastic changes in the quaternary structure of the enzyme, leading to a more compact, tense form of the inhibited protein, and translocate to the active site, leading to an open, more flexible structure of its surroundings. Inhibition of the enzymatic activity is not a result of hindrance of substrate binding, but rather a consequence of accelerated substrate binding kinetics as shown by saturation transfer difference NMR (STD-NMR) and site-directed mutagenesis. We propose a dissociation rate controlled mechanism of allosteric, noncompetitive inhibition.
Monoterpenes and their monoterpenoid derivatives form a subclass of terpene(oid)s. They are widely used in medicines/pharmaceuticals, as flavor and fragrance compounds, or in agriculture and are also considered as future biofuels. However, for many of these substances, the extraction from natural sources poses challenges such as occurring at low concentrations in their raw material or because the natural sources are diminishing. Furthermore, many of the structurally more complex terpenoids cannot be chemically synthesized in an economic way. Therefore, microbial production provides an attractive alternative, taking advantage of the often distinct regio- and stereoselectivity of enzymatic reactions. However, monoterpenes and monoterpenoids are challenging products for industrial biotechnology processes due to their pronounced cytotoxicity, which complicates the production in microorganisms compared to longer-chain terpenes (sesquiterpenes, diterpenes, etc.).
The aim of this thesis was to generate a biotechnological complement to fossil-resources-based chemical processes for industrial monoterpenoid production. Therefore, a starting point for the further development of a microbial cell factory based on the microbe Pseudomonas putida KT2440 was aimed to be created. This production organism should be able to conduct a whole- cell biocatalysis to selectively oxyfunctionalize monoterpene hydrocarbons using renewable industrial by-products and waste streams as raw material for monoterpenoid production (Figure 1). As a model substance, the production of (-)-menthol should be addressed due to its industrial significance. (-)-Menthol is one of the world’s most widely-used flavor and fragrance compounds by volume as well as a medical component, having an annual production volume of over 30,000 tons. An approach for (-)-menthol production from renewable resources could be a biotechnological(-chemical) two-step conversion (Figure 1), starting from (+)-limonene, a by-product of the citrus fruit processing industry.
The thesis project was divided into three parts. In the first part, enzymes (limonene-3- hydroxylases) were to be identified that can convert (+)-limonene into the precursor of (-)-menthol, (+)-trans-isopiperitenol. To counteract product toxicity, in the second part, the tolerance of the intended production organism P. putida KT2440 towards monoterpenes and their monoterpenoid derivatives should be increased. Finally, in the third part, the identified hydroxylase enzymes would be expressed in the improved P. putida KT2440 strain to create a whole-cell biocatalyst for the first reaction step of a two-step (-)-menthol production, starting from (+)-limonene.
To achieve these objectives, different genetic/molecular biology and analytical methods were applied. In this way, two cytochrome P450 monooxygenase enzymes from the fungi Aureobasidium pullulans and Hormonema carpetanum could be identified and functionally expressed in Pichia pastoris, which can catalyze the intended hydroxylation reaction on (+) limonene with high stereo- and regioselectivity. A further characterization of the enzyme from A. pullulans showed that apart from (+) limonene the protein can also hydroxylate ( ) limonene, - and -pinene, as well as 3-carene.
Furthermore, within this thesis, mechanisms of microbial monoterpenoid resistance of P. putida could be identified. It was shown that the different monoterpenes and monoterpenoids tested have very different toxicity levels and that mainly the Ttg efflux pumps of P. putida GS1 are responsible for the tolerance to many of these compounds. Based on these results, a P. putida KT2440 strain with increased resistance to various monoterpenoids, including isopiperitenol, could then be generated, which can be used as a host organism for the further development of monoterpenoid-producing cell factories.
While within the scope of this work the heterologous expression of the fungal gene in prokaryotic cells in a functional form could not be realized despite different approaches, the identified enzymes, the monoterpenoid-tolerant P. putida strain and a plasmid developed for heterologous gene expression in P. putida provide a starting point for the further design of a microbial cell factory for biotechnological monoterpenoid production.
Reliable and efficient recording of the error-related negativity with a speeded Eriksen Flanker task
(2020)
There is accumulating evidence that the error-related negativity (ERN), an event-related potential elicited after erroneous actions, is altered in different psychiatric disorders and may help to guide treatment options. Thus, the ERN is a promising candidate as a psychiatric biomarker. Basic methodological requirements for a biomarker are standardized and reliable measurements. Additional psychiatry specific requirements are time efficiency and patient-friendliness.
The aim of the present study is to establish ERN acquisition in a reliable, time-efficient and patient-friendly way for use in clinical practice.
Healthy subjects (N=27) performed a modified Eriksen Flanker Task with adaptive reaction time window and only incongruent stimuli that maximizes the number of errors. All participants were tested for mental health by the Mini International Neuropsychiatric Interview (M.I.N.I.). The first N=12 subjects were part of a pilot study and further N=14 subjects were included for analysis (one subject was excluded due to technical problems). In a test-retest design with two sessions separated by 28 days the reliability of the ERN has been assessed. To ensure external validity, we aimed to replicate previously reported correlation patterns of ERN amplitude with (1) number of errors and (2) negative affect. State affect of each subject was measured by the Positive and Negative Affect Schedule. In order to optimize the clinical use of the task, we determined to which extent the task can be shortened while keeping reliability >0.80.
We found excellent reliability of the ERN (intraclass correlation coefficient =0.806-0.947) and replicated specific correlation patterns (ERN amplitude with relative number of errors: r=0.394; p=0.082; ERN amplitude with negative affect: r=-0.583, p=0.014). The task can be shortened to a patient-friendly and clinically feasible length of only 8 minutes keeping reliability >0.80.
To conclude, the present modified task provides reliable and efficient recording of the ERN, facilitating its use as a psychiatric biomarker.
This thesis primarily investigates an (hitherto unnoticed) agreement alternation between Romance and Germanic in D>N>&>N constructions (e.g. “these walls and ceiling”). While Romance exhibits left conjunct agreement, Germanic shows morphologically resolved agreement on the determiner, i.e. the phi-feature mismatching conjuncts can only be licensed if a syncretic form is available. To handle these data the author suggests a theory in which coordination is syntactically and morphologically unspecified and multiple agree is a general option. Infelicitous derivations are ruled out by interface conditions on the semantic and the phonological well formedness. The complete results of the corpus research conducted to deliver a sound empirical basis for the phenomena investigated in this thesis can be found in the appendix.
Evidence is increasingly pointing towards a significant global decline in biodiversity. The drivers of this decline are numerous, including habitat change and overexploitation, rapid deforestation, pollution, exotic species and disease, and finally climate change as an emerging driver of biodiversity change (Nakamura, et al., 2013; Hancocks, 2001; Pereira, Navarro & Martins, 2012). Raising public awareness of the need to conserve biological diversity is essential to safeguard the richness of life forms all over the world (Lindemann-Matthies, 2002). In this regard, institutions such as science museums, zoos and aquariums have the potential to play an important role (Rennie & Stocklmayer, 2003). Especially, zoos can provide a productive learning environment (Miles & Tout, 1992), facilitating the promotion of public conservation awareness and the adoption of pro-environmental behaviours that would reduce negative human impacts on biodiversity (Barongi, et al., 2015).
Based on these concepts, my study contributes to the developing field of visitor studies. Taking as reference non-zoo visitors and zoo visitors, I have focused on reviewing some aspects of conservation education, such as people's awareness of conservation, people's interest in animals and people's feelings towards animals and attitudes towards zoos. The study identified differences between non-regular and regular zoo visitors in interests in animals, as well as visitor attitudes towards conservation issues and zoos. Therefore, the present study indicated that positive emotional reactions and, in particular, a perceived sense of connection to the animal were linked and depended on the frequency of zoo visits. It was as well remarkable, that conservation awareness was influenced by the interest in animals, the interest in visiting zoos, the attitudes towards these institutions, and the age and the country of origin. All these variables had a greater effect in the conservation consciousness of the participants. Additionally interestingly, the main reason for visiting zoos in every country was to learn something about animals. This highlights the educational role of zoos and broadly supports the idea that people want to visit zoos to learn something about animals, in turn facilitating pro-conservation learning and changes in attitude. They are uniquely positioned to interact with visitors, communities, and society and to contribute by providing an informative and entertaining environment. Visiting zoos could led to contribute to promoting animal connectedness and interest in species.
Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) ist die sechsthäufigste Krebsart mit der zweithäufigsten krebsbedingten Letalität. Sorafenib ist bereits seit über 10 Jahren die einzige verfügbare und zugelassene systemische Chemotherapie. Allerdings zeigen Patienten oft eine Resistenz gegenüber Sorafenib.
In zahlreichen Krebsarten konnte bereits gezeigt werden, dass Sphingolipide bei der Tumorentwicklung und Chemoresistenz eine wichtige Rolle spielen. Sphingolipide sind bioaktive Lipidmoleküle, welche unteranderem für die Beeinflussung verschiedener Signalwege intra- und extrazellulär verantwortlich sind. So konnte gezeigt werden, dass das Verhältnis zwischen Sphingosin-1-Phosphat (S1P) und Ceramiden eine wichtige Rolle für das Überleben von Zellen spielt, wobei eine Verschiebung des Verhältnisses zugunsten des S1P meist eine proliferative Wirkung auf Zellen hat. Für die Phosphorylierung des Sphingosins zu S1P sind die zwei Enzyme Sphingosinkinase 1 und 2 (SPHK1/2) verantwortlich.
Es gibt bereits Studien, die nachweisen konnten, dass diese Enzyme gerade in Tumorzellen verstärkt exprimiert werden. Auf der anderen Seite kann eine verstärkte Bildung von Ceramiden die Apoptose der Tumorzellen verstärken. Daher ist es nicht verwunderlich, dass der Sphingolipid-Stoffwechsel einen interessanten Angriffspunkt für die Krebstherapie darstellt. Aus diesem Grund sollte in der vorliegenden Arbeit zunächst untersucht werden, ob Sorafenib einen Einfluss auf den Sphingolipid Stoffwechsel hat. Weiter sollte untersucht werden, ob die Beeinflussung des Sphingolipid-Stoffwechsels die Effekte von Sorafenib potenzieren könnte.
Es konnte zunächst gezeigt werden, dass Sorafenib die mRNA-Expression verschiedener Enzyme, die das Verhältnis zwischen Ceramiden und S1P regulieren, beeinflussen kann. Es wurde weiter untersucht, wie sich der Ceramidsynthase Inhibitor FB1 auf die Proliferation und die Induktion der Apoptose auswirkt. Dies wurde ebenfalls mit SLP (SPHK1 Inhibitor), SLM (SPHK2 Inhibitor) und SKI II, einem unspezifischen Inhibitor beider Sphingosinkinasen, untersucht. Es wurden weiter die Einflüsse aller verwendeten Substanzen auf die Bildung verschiedener Sphingolipide untersucht.
Hierbei konnte gezeigt werden, dass Sorafenib in der Lage ist, die Proliferation der Zellen zu hemmen und die Apoptose-Induktion zu fördern. Weiter führte Sorafenib zu einer Akkumulation der Dihydroceramide. Was wiederrum weder mit SKI II, FB1; SLP noch SLM beobachtet werden konnte. Der signifikante Anstieg der Dihydroceramid-Konzentrationen konnte mit dem durch Sorafenib induzierten oxidativen Stress in Verbindung gebracht werden.
SLP und SLM waren nicht in der Lage, die Effekte von Sorafenib auf die Proliferation zu potenzieren. Die Kombination von Sorafenib mit SLP oder SLM führte jedoch in den Huh7.5 Zellen zu einer drastischen Reduktion des S1P-Spiegel.
FB1 und SKI II führten zu einer stärkeren Hemmung der Proliferation als Sorafenib. Wobei gezeigt werden konnte, dass beide Substanzen die Ceramid-Spiegel tendenziell eher vermindern und die S1P-Spiegel erhöhen. Durch die Stimulation mit FB1 kam es sogar zu einer signifikanten Erhöhung der S1P-Spiegel. Es scheint, dass der Einfluss von FB1 und SKI II auf die Proliferation der Zellen unabhängig vom Sphingolipid-Stoffwechsel ist. Diese scheinen eher über andere Mechanismen zu wirken. Es könnte von Interesse sein, gerade diese Signalwege von SKI II im HCC weiter zu untersuchen, da SKI II bereits in Mausmodellen anderer Krebsarten vielversprechende Ergebnisse zeigte.