Refine
Year of publication
- 2020 (235) (remove)
Document Type
- Doctoral Thesis (235) (remove)
Has Fulltext
- yes (235)
Is part of the Bibliography
- no (235) (remove)
Keywords
- Knochenersatzmaterial (2)
- Sprache (2)
- 3-alkylphenols (1)
- 3D-Druck (1)
- 6-methylsalicylic acid synthase (1)
- 9-HODE (1)
- ADHS (1)
- ALL (1)
- AML (1)
- Absorption modeling (1)
Institute
This thesis discusses important questions of the beam dynamics in the proton-lead operation in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN in Geneva. In two time blocks of several weeks in the years 2013 and 2016, proton-lead collisions have so far been successfully generated in the LHC and used by the experiments at the LHC. One reason for doubts regarding the successful operation in proton-lead configuration was the fact that the beams have to be accelerated with different revolution frequencies. There is long-range repulsion between the beams, since both beams share the beam chamber around the interaction points. Because of the different revolution frequencies, the positions of the interaction between the beams shift each revolution. This can lead to resonant excitation and to an increase in the transverse beam emittance, as was observed in the Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC). In this thesis, simulations for the LHC, RHIC and the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) are performed with a new model. The results for RHIC show relative growth rates of the emittances of the gold beam in gold-deuteron operation in RHIC from 0.1 %/s to 1.5 %/s. Growth rates of this magnitude were observed experimentally in RHIC. Simulations for the LHC show no significant increase of the emittance of the lead beam for different intensities of the counter-rotating beam. The simulation results confirm the measured stability of the beams in the LHC and the issue of strongly increasing emittances in RHIC is reproduced. Also, no significant increase of the emittance is predicted for the Future Circular Collider (FCC) and the HL-LHC.
Using a frequency-map analysis, this work verifies whether the interaction of the lead beam with the much smaller proton beam in the proton-lead operation of the LHC leads to diffusion within the lead beam. Experiences at HERA at DESY in Hamburg and at SppS at CERN have shown that the lifetime of the larger beam can rapidly decrease under certain circumstances. The results of the simulation show no chaotic dynamics near the beam centre of the lead beam. This result is supported by experimental observation.
A program code has been developed which calculates the beam evolution in the LHC by means of coupled differential equations. This study shows that the growth rates of the lead beam due to intra-beam scattering is overestimated and that particle bunches of the lead beam lose more intensity than assumed in the model. The analysis also shows that bunches colliding in a detector suffer additional losses that increase with decreasing crossing angle at the interaction point.
In this work, 2016 data from beam-loss monitors in combination with the luminosity and the loss rate of the beam intensity are used to determine the cross section of proton-lead collisions at the center-of-mass energy of 8.16 TeV. Beam-loss monitors that mainly detect beam losses that are not caused by the collision process itself are used to determine the total cross section via regression. An analysis of the data recorded in 2016 at the center-of-mass energy of 8.16 TeV resulted in a total cross section of σ=(2.32±0.01(stat.)±0.20(sys.)) b. This corresponds approximately to a hadronic cross section of σ(had)=(2.24±0.01(stat.)±0.21(sys.)) b. This value deviates only by 5.7 % from the theoretical value σ(had)=(2.12±0.01) b.
The simulation code for determining the beam evolution is also used to estimate the integrated luminosity of a future one-month run with proton-lead collisions. The result of the study shows that in the future the luminosity in the ATLAS and CMS experiments will increase from 15/nb per day in 2016 to 30/nb per day, which is a significant increase in terms of the performance. This operation, however, requires the use of the TCL collimators to protect the dispersion suppressors at ATLAS and CMS from collision fragments.
This work also gives an outlook on the expected luminosity production in proton-nucleus operation using ion species lighter than lead ions. For example, a change from proton-lead to proton-argon collisions would increase the integrated luminosity from monthly 0.8/nb to 9.4/nb in ATLAS and CMS. This is an increase of one order of magnitude and approximately a doubling of the integrated nucleon-nucleon luminosity. There may be a test operation with proton-oxygen collisions in 2023, which will last only a few days and will be operated with a low luminosity. The LHCf experiment (LHCb experiment) would achieve the desired integrated luminosity of 1.5/nb (2/nb) within 70h (35h) beam time.
Three types of post-translation modifications (PTMs) containing N-glycosylation, phosphorylation, ubiquitylation were characterized in diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) on a global scale using quantitative mass spectrometry based proteomics technology in this study.
DLBCL is the most common type of malignant lymphomas and has a heterogeneous gene expression profiling, phenotype and clinical response to chemotherapy. DLBCL is a good model for the correct classification of cancers into molecularly different subtypes, which benefits for the selection of rational therapeutic strategies. It resulted in two histologically indistinguishable subtypes-activated B-cell-like (ABC) subgroup and germinal center B-cell-like (GCB) subgroup according to gene expression profiling. Signals originating from the B-cell receptor (BCR), the key protein on the surface of B cells, promote growth and survival of DLBCL. Antigen-dependent/independent BCR signaling is found in DLBCL subtypes.
Recent researches reveal that glycosylation plays role in human cells via site-specific regulation. Aberrant N-glycosylation in BCR-related effectors, such as, CD79a, immunoglobulin M or G (IgM or IgG), has been found to be associated with lymphoid malignancies. However, accurate quantification of intact glycopeptides and their individual glycan moieties in a cell-wide manner is still challenging. Here we established a site-specific quantitative N-glycoproteomics platform termed SugarQuant. It included a fast sample preparation workflow using Protein Aggregation Capture (PAC), an optimized multi-notch MS3 acquisition workflow (Glyco-SPS-MS3), a self-developed R-based tool (GlycoBinder). The robustness and accuracy of quantitation in SugarQuant were proved in a study using the different amounts of TMT-labelled IgM N-glycopeptides spiked into a background of TMT-labelled yeast peptides. Next, we used SugarQuant to identify and quantify more than 5000 unique glycoforms in Burkitt’s lymphoma cells treated with a series of doses of 2-deoxy-2-fluoro-L-fucose (2FF) and determine the more accurate site-specific glycosylation changes that occurred upon inhibition of fucosylation compared to using MS2 analysis. It revealed that 2FF-sensitive N-glycosylation on key players in BCR-mediated signaling in DG75. Furthermore, 2FF treatment also affects phosphorylation of the key players involving in B cell receptor signaling.
Then we investigated the site-specific quantitative N-glycoproteome in the cell lines of DLBCL subtypes using SugarQuant. More than 7000 unique intact glycopeptides (glycoforms) were quantified in five ABC DLBCL and four GCB DLBCL cell lines. The glycoproteome mapping (intact glycopeptide expressions) in each cell line allows to segregate DLBCL subtypes. The majority of these glycoforms were from the key cell-surface BCR effectors, such as IgM, CD79 and PTPRC. Lastly, we investigated the change of fucosylated glycopeptides in TMD8 cell line upon knockout of the fucosyltransferase FUT8, which is responsible for core-fucose synthesis, and by the treatment with 2FF. The results revealed that FUT8 might also regulate the synthesis of sub/terminal fucose on glycan chain and the inhibition of fucosylation increased the sialyated glycopeptide expression.
Phosphorylation is involved in regulating multiple processes as an important mediator in BCR signaling. Likewise, ubiquitylation plays vital roles in the activation of the nuclear factor-kappaB (NF-κB) pathway in BCR signaling. There are two vital upstream BCR-proximal tyrosine kinases, Bruton’s tyrosine kinase (BTK) and spleen tyrosine kinase (SYK), which regulate the auto-phosphorylation and phosphorylation of other proteins in BCR signaling pathway. Here we investigated the dynamics of downstream phosphorylation and ubiquitylation signaling in ABC DLBCL and GCB DLBCL cell lines upon the inhibitions of BTK and SYK using quantitative proteomics strategy. In the phosphoproteome analysis, a large dataset of quantified phosphorylation sites was obtained in the three ABC and four GCB DLBCL cell lines. BCR signaling in the subtypes of DLBCL cell lines was found to be highly individual in distinct cell lines. These significantly regulated phosphorylation events in each cell line with individual treatment were involved in multiple Reactome pathways, such as, M phase, signaling by Rho GTPases and diseases of signal transduction. Moreover, the gene regulation-related biological processes including chromosome organization and medication, DNA metabolic process, nuclear export, were involved in the DLBCL cell lines. In the ubiquitinome analysis, we identified more than 15,000 ubiquitylation sites in two ABC and one GCB cell lines upon the inhibition of BTK and SYK. The different ubiquitylation events observed in ABC and GCB subtypes revealed distinct BCR signaling pathways in two subtypes. The similar signaling perturbations across each cell line upon BTK and SYK inhibition, which were obtained from the significantly regulated ubiquitylated peptides expression, revealed the cell-type-specific concordance in ubiquitylation regulation upon BTK and SYK inhibition. These ubiquitylation modified proteins who bore the significantly regulated ubi-peptides in the samples were also found to be highly involved in gene regulatory processes.
...
Endothelial dysfunction plays an important role in different pathological conditions, but whether endothelial cell death contributes to the development and progression of certain pathological conditions is rather unclear. Here we found that endothelial cells undergo cell death during pathologies such as LPS-induced sepsis and in models of hindlimb, renal and cardiac ischemia-reperfusion injury. Analyses of mice lacking endothelial key cell death regulators such as TAK1, RIPK3 and Caspase 8 gave us insight in the role of endothelial cell death in these pathological models. For example, increased endothelial necroptosis along with basal inflammation in lungs of TAK1ECKO mice affects susceptibility to LPS-induced sepsis and mortality, which correlated with elevated IFN-gamma and MIP-2 serum levels. Furthermore, we found that inhibition of RIPK3-mediated endothelial necroptosis could reduce the susceptibility of TAK1ECKO mice to LPS-induced sepsis and mortality. In ischemia or ischemia-reperfusion models, inhibition of RIPK3-mediated endothelial necroptosis did not reduce injury in the heart after ischemia, nor did it have any effect on organ function post-injury in the kidney or the heart. Inhibition of necroptosis also did not alter vascularization processes in hindlimb post-ischemia. Taken together, endothelial necroptosis contributes to increased sepsis severity and progression whereas inhibition of endothelial necroptosis can ameliorate susceptibility to sepsis in the absence of endothelial TAK1. Inhibition of endothelial necroptosis however does not play an important role during ischemia or ischemia-reperfusion induced organ injury.
Ziel dieser Untersuchung ist es, die Legitimität der Kriminalisierung des Glücksspiels in Brasilien zu hinterfragen. Dies geschieht mit besonderem Augenmerk auf das spezifische brasilianische Glücksspiel, das „Spiel der Tiere“ (Jogo do bicho), das Ende des 19. Jahrhunderts in der Stadt Rio de Janeiro, der Hauptstadt des damaligen kaiserlichen Brasiliens, entstand. Es handelt sich um eine Form des Glücksspiels, die sich in ganz Brasilien verbreitet hat und bereits Gegenstand mehrerer akademischer Studien in den Bereichen Anthropologie und Soziologie war. Das Verbot dieser Art von Glücksspiel, seine Kriminalisierung, seine große Beliebtheit und seine gesellschaftliche Toleranz sind jedoch Gründe dafür, dass das Spiel der Tiere im Besonderen und das Glücksspiel im Allgemeinen auch im juristischen Bereich, insbesondere im Strafrecht, ein bisher vernachlässigter Forschungsgegenstand von großem Interesse ist.
Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Analyse der Kriminalisierung des Glücksspiels, das in Brasilien seit über einem Jahrhundert unter freiem Himmel praktiziert wird. Bei dieser Analyse werden die Gründe für die Kriminalisierung und die Legitimität des Verbots in Frage gestellt. Zu diesem Zweck ist der Text, abgesehen von der Einleitung und der Schlussfolgerung, in sechs Kapitel unterteilt.
Kapitel 1 beschreibt die Geschichte des brasilianischen Tierspiels, die Ursprünge seines Verbots und seiner Kriminalisierung. In Kapitel 2 wird über die Wirklichkeit der Strafverfolgung in diesem „Kriminalitätsbereich“ berichtet. Kapitel 3 stellt den ent-sprechenden Straftatbestand des brasilianischen „Código Penal“ im Kontext der Systematik des brasilianischen Strafgesetzbuches vor. Kapitel 4 widmet sich zunächst den verfassungsrechtlichen Grenzen der Kriminalisierung, und danach einem Überblick über das deutsche Glücksspielverbot und die Glücksspielregulierung. Ergänzt wird diese Suche in Kapitel 5, in dem die Forschung das strafrechtliche Glücksspielverbot in den Kontext der Debatte über die Abgrenzung zwischen und den Zusammenhang von Recht und Moral. Im abschließenden Kapitel 6 wird das (strafrechtlich sanktionierte) Glücksspielverbot mit den klassischen Legitimations-anforderungen konfrontiert.
Was in der strafrechtlichen Literatur der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts zur Rechtfertigung des Verbots zu lesen ist, deutet auf einen großen Einfluss moralischer Argumente hin. Diese Argumente haben bis heute an Gewicht nicht verloren, auch wenn die Befürworter der Beibehaltung der Kriminalisierung versuchen, ihre letztlich moralistische Ideologie gegen das Glücksspiel mit Argumenten wie der Begleitkriminalität des Glückspiels zu verschleiern, die eher eine Folge als eine Ursache der Kriminalisierung ist.
Hintergrund. Ziel dieser Studie war es, zu bewerten, ob die Datenübertragung während peripherer endovaskulärer Eingriffe durch ein sprachgesteuertes, optisches Head-Mounted Display verwirklicht, und ob hierdurch der Arbeitsablauf der Intervention verbessert werden kann.
Methoden. Wir benutzten die Google Glass® Explorer Edition in Verbindung mit einer eigens entwickelten Glass App, um vorhandene Grafiken über die Datenbrille durch Sprachbefehle zugänglich zu machen. 40 Medizinstudenten im letzten Drittel des Medizinstudiums wurden in zwei Gruppen randomisiert.
Jeder Proband erhielt die Aufgabe eine PTA der A. femoralis superficialis an einem High-Fidelity-VR-Simulator (ANGIO-Mentor®, 3D Systems) durchzuführen. Während Gruppe A hierfür nötige Informationen über einen zusätzlich installierten Monitor erhielt, verwendete Gruppe B Google Glass®, um jeweilige Informationen durch zuvor definierte Sprachbefehle aufzurufen. Die objektive Bewertung der erbrachten Leistung erfolgte durch standardisierte Bewertungsbögen in dichotomer Nominalskalierung und durch die Messung der für die Aufgaben benötigten Zeit. Am Ende jeder Simulation erfolgte die subjektive Bewertung seitens der Probanden durch standardisierte Fragebögen mit 5-Level-Likert-Skalierung.
Ergebnisse. Eine maximale Punktzahl von 10 Punkten war erreichbar. Der in Gruppe A und Gruppe B gefundene Median lag bei 9 Punkten mit nicht signifikanten Abweichungen (p = 0,91). Die Gesamtdauer des Eingriffs betrug zwischen 12 und 14 Minuten. Gruppe B war unter Verwendung von Google Glass®, aufgrund technischer Schwierigkeiten mit der getesteten App, im Schnitt um 1:07 Minuten signifikant langsamer (p = 0,01). Dennoch konnte nachgewiesen werden, dass Google Glass® bei dem Transfer einfacher Informationen schneller oder zumindest gleichwertig gegenüber dem klassischen Monitoring war.
In diesem Kontext erachteten 92,5% der Probanden die Digitalisierung im klinischen Alltag als sinnvoll. 17 von 20 Teilnehmern (85%) empfanden die Handhabung von Google Glass® als einfach bis sehr einfach. Alle Teilnehmer waren der Ansicht, dass Augmented Reality bei peripheren endovaskulären Eingriffen im Katheterlabor nützlich sein könnte.
Schlussfolgerung. Google Glass® war dem klassischen Monitoring im Katheterlabor hinsichtlich der Gesamtinterventionszeit nur geringfügig unterlegen und behinderte den Arbeitsablauf während einer simulierten PTA der A. femoralis superficialis nicht. Unsere Studie offenbarte hierbei technische Schwierigkeiten bei der Genauigkeit der Spracherkennung und der Bildqualität von Google Glass®. Trotzdem konnten einzelne Aufgaben durch die Nutzung der Google Glass® signifikant schneller durchgeführt werden. Wir erwarten, dass nach Überwindung dieser technischen Probleme der Arbeitsablauf während endovaskulären Eingriffen mit einem optischen Head-Mounted Display verbessert werden kann.
Zielstellung: Es sollte im Rahmen dieser Arbeit geprüft werden ob (1) ein Zusammenhang zwischen einer radiologischen Beinlängendifferenz und einer veränderten Hüft- bzw. Kniegelenksbelastung bei Coxarthrosepatienten besteht. Des Weiteren galt es zu prüfen (2) ob die radiologisch-anatomische Beinachse bei Coxarthrosepatienten einen Einfluss auf die Gelenksbelastung von Hüfte und Knie habe und (3) ob sich in diesem Zusammenhang Unterschiede zwischen unilateral und bilateral betroffenem Patientenkollektiv darstellen ließe.
Hintergründe: Es konnte bereits gezeigt werden, dass Coxarthrosepatienten ein verändertes Gangbild aufweisen. Diese Veränderungen sind mitverantwortlich für eine veränderete Gelenkbelastung sowohl in Knie als auch Hüfte, sowohl im Vergleich zwischen betroffener und nicht betroffener Seite als auch im Vergleich zu hüftgesunden Normprobanden. Insbesondere bezüglich der Kniegelenksbelastung konnte bei den Betroffenen ein reduziertes Knieadduktionsmoment (KAM) während der Standphase nachgewiesen werden. Dies steht im Einklang mit der Beobachtung, dass Coxarthrosepatienten vermehrt eine laterale Kniearthrose auf der ipsilateralen Seite entwickeln. Coxarthrosepatienten zeigten darüber hinaus eine veränderte Beinachse, mit einer Tendenz hin zu einer Valgusfehlstellung. In wieweit insbesondere die proximale Beinachse einen Einfluss auf die alterierten Gelenkmomente hat, bleibt bislang jedoch offen. Zu bilateralen Patienten sind darüber hinaus nur wenige Daten vorliegend.
Methoden: Um die oben genannten Hypothesen zu prüfen wurden bei insgesamt 29 Patienten, bei welchen die Indikation für eine Hüfttotalendoprothese aufgrund einer fortgeschrittenen Coxarthrose gestellt wurde, eine instrumentelle Bewegungsanalyse sowie eine biplanare EOSRöntgenaufnahme, welche in diesem Zusammenhang die konventionelle präoperative Planungsaufnahme ersetzte, durchgeführt. Anschließend wurden die Daten, die aus der 3D EOS Rekonstruktion über die Beinachse gewonnen wurden, sowie die Ergebnisse der Bewegungsanalyse mit bereits zuvor erhobenen Normdaten sowie untereinander verglichen und statistisch analysiert.
Ergebnisse: Es zeigte sich, dass die Patienten eine bis auf MFA nicht von der Norm abweichende Beinachse hatten. Die bilateralen zeigten eine signifikant größere Beinlängendifferenz als die Norm, die unilateralen Patienten jedoch diesbezüglich keine Abweichung. Insgesamt zeigten die Patienten ein verändertes Gangbild, welches weitgehend den bereits in der Literatur beschriebenen Veränderungen entsprach.
Bezüglich der Gelenkmomente zeigte sich ein im Vergleich zur Norm erniedrigtes KAM 2, die übrigen Gelenkmomente zeigten keine Abweichungen von der Norm.
Es zeigten sich weder für die Beinachse noch für die Gelenkmomente signifikante Unterschiede zwischen unilateralem und bilateralem Patientenkollektiv.
Die unilateralen Patienten als gesamtes zeigten keine Korrelationen mit der absoluten Beinlängendifferenz. In einer unilateralen Subgruppe, in der die betroffene Seite länger war, konnte eine inverse Korrelation mit HAM 1 und HAM 2 gefunden werden.
KAM 1 und KAM 2 korrelierten signifikant mit allen Beinachsenparametern. In einer schrittweisen Regressionsanalyse mit HKA, FO und MFA konnten damit 68% der KAM 1 Alterationen und 57,5 % der Veränderungen von KAM 2 erklärt werden. HAM 1 und HAM 2 zeigten jeweils eine signifikante Korrelation mit MFA.
Schlussfolgerung: Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die Beinachse, insbesondere das Offset, einen Teil der Veränderungen der Kniegelenksbelastung erklären. Eine intraoperative Vergrößerung des Offsets und damit eine Varisierung der Beinachse könnte möglicherweise so zu einer Normalisierung der Kniegelenksbelastung führen.
Connectomic analysis of apical dendrite innervation in pyramidal neurons of mouse cerebral cortex
(2020)
The central goal of this study was to generate synapse-resolution maps of local and long-range innervation on apical dendrites (AD) in mouse cerebral cortex. We used three-dimensional electron microscopy (3D-EM) to first measure the cell-type specific balance in the excitatory and inhibitory input on ADs. Further, we found two inhibitory axon populations with preference for apical dendrites originating from layer 2 and 3/5. Additionally, we used a combination of large-scale volumetric light and electron microscopy to investigate the innervation preference of long-range cortical projections onto ADs. To generate such large-scale 3D-EM datasets, we also developed a software package to automate aberration adjustment.
The balance of excitation and inhibition defines the computational properties of neurons. We, therefore, generated 6 datasets and annotated 26,548 excitatory and inhibitory synapses to map the relative inhibitory strength on the AD of pyramidal neurons in layers 1 and 2 (L1 and 2) of the cortex. We found consistent and cell-type specific patterns of inhibitory strength along the apical dendrite of L2-5 pyramidal neurons in primary somatosensory (S1), secondary visual (V2), posterior parietal (PPC) and anterior cingulate (ACC) cortices. L2 and L5 pyramidal neurons had inhibitory hot-zones at their main bifurcation and distal apical dendrite tuft, respectively. In contrast, L3 neurons had a baseline (~10%) level of inhibition along their apical dendrite. As controls, we quantified the effect of synapse strength (size), dendrite diameter, AD classification and synapse identification methods on the cell-type specific synapse densities. To classify L5 pyramidal subtypes, we performed hierarchical clustering using morphological properties that were described to differentiate slender- and thick-tufted L5 neurons.
We also investigated the distance to soma as a predictor of fractional inhibition around the main bifurcation of apical dendrites. Interestingly, we found a strong exponential relationship that was absent in density of either synapse type. This suggests a distance dependent control mechanism designed specifically for the balance (in synapse numbers) of excitation and inhibition.
Next, we focused on the inhibitory innervation preference for apical dendrite of pyramidal neuron. We, therefore, annotated 5,448 output synapses of AD-targeting inhibitory axons and found two populations specific for either L2 or L3/5 apical dendrites. Together with previous findings on preferential innervation of sub-cellular structures by inhibitory axons, this suggests two distinct inhibitory circuits for control of AD activity in L2 vs. deep-layer pyramidal neurons. This innervation preference was surprisingly consistent across S1, V2, PPC and ACC cortices.
3D-EM data acquisition is a laborious process that is made easier and more popular everyday by technical progress in the laboratory and industrial settings. To make data acquisition robust using our custom-built 3D-EM microscopes, an automatic aberration software was implemented to adjust the objective lens and the stigmators of the electron microscope. This method was used in multiple month-long experiments across 2 microscopes and 10 datasets. The aberration adjustment used the reduction in image details (high-frequency elements) to estimate the level of deviation from optimal focus and stigmator parameters. However, large objects in EM micrographs such as blood vessel and nuclei cross-sections generated anomalous results. We, therefore, added image processing routines based on edge detection combined with morphological operations to exclude such large objects.
Finally, we performed a correlative three-dimensional (3D) light (LM) and electron (EM) microscopy experiment to map the long-range primary visual (V1) and secondary motor (M2) cortical input to ADs in layer 1 of PPC using the “FluoEM” approach. This method allows for identification of the long-range source of projection axons in EM volumes without the need for EM-dense label conversion or heat-induced markings. The long-range source of an axon in EM is identified based on the fluorescent protein that is expressed in its LM counterpart. In comparison to M2 input, Long-range axons from V1 had a higher tendency to target L3 pyramidal neurons in PPC according to our preliminary analysis. In combination with the difference observed in the synapse composition of L2 and L3 apical dendrites, this suggests the need for separate functional and structural analysis of L2 and 3 pyramidal neurons.
Die Forschungsarbeit analysiert zwei Zeugniskonferenzen der Sekundarstufe I von hessischen Intensivklassen und Expertinneninterviews ihrer Teilnehmerinnen. Dabei werden verwaltungsrechtliche Sinnlogiken in ihren Diskursen und Entscheidungsmustern sichtbar gemacht, die am Ende zu dem Ergebnis führen, dass Lehrkräfte im Spannungsfeld zwischen Pädagogik und Verwaltung zwar arbeiten aber nur nach verwaltungsrechtlichen Maßstäben entscheiden dürfen. Im Ergebnis zeigt die Forschungsarbeit auf, dass das schulische Verwaltungssystem zur vorsätzlichen Ausgrenzung bestimmter Schüler*innentypen führt, die keine Chance auf einen Schulabschluss haben. Um fleißige aber sehr belastete Schüler*innen sprichwörtlich retten zu können, suchen die Lehrkräfte nach verwaltungsrechtlichen Grauzonen, um den Abgang von der Schule ohne Schulabschluss abwenden zu können. Dies geht sogar so weit, dass sie gegen die Rechtsnormen verstoßen oder Schüler*innen zum vorzeitigen Abgang von der Schule bewegen wollen, damit sie privat eine benötigte Alphabetisierung erhalten können, die in den Intensivklassen nicht möglich ist. Die Lehrkräfte formulieren im geschlossenen Bereich der Zeugniskonferenz offene Diskriminierung und Sexismus in ihren Interaktionen, welche sich auf ihre Bildungsentscheidungen auswirken können, ohne dass dies nach außen sichtbar wird. Neben den bereits forschungsgegenständlichen Antinomien und institutionellen Diskriminierungsmechanismen im Schulsystem, zeigt die Forschungsarbeit unmittelbar die Praxis schulische Selektionen.
Die kulturanthropologische Studie beschäftigt sich mit der pädagogischen Nutzung von Wäldern. Sie betrachtet dieses Phänomen vor dem Hintergrund zweier Entwicklungen: Zum einen wird die Zunahme von gesellschaftlichen Bedürfnissen an den Wald betrachtet etwa aus den Bereichen Freizeit, Sport, Gesundheit oder Bildung. Zum anderen wird die Zuspitzung des Nutzungskonflikts zwischen Forst- und Naturschutzakteuren im Wald in den Blick genommen. Im Zentrum der Arbeit stehen daher sowohl der Prozess der pädagogischen Inwertsetzung des Waldes als auch die Frage, wie sich der Nutzungskonflikt in der pädagogischen Praxis widerspiegelt. Eine empirisch-ethnografische Feldforschung im Nationalpark Kellerwald-Edersee und im Jugendwaldheim des Forstbetriebs des Landes Hessen im Jahr 2014 bilden das Fundament der Studie.
Die Ergebnisse machen den Prozess der pädagogischen Inwertsetzung transparent: Sie verweisen auf einzelne Praktiken, auf beteiligte Akteure und stellen dar, wie das Bild vom Wald als pädagogisch wertvoller Raum gesellschaftlich Fuß fasst. Sie zeigen darüber hinaus, dass Naturschutz- und Forstakteure die Bildungspraktiken nutzen, um ihre jeweiligen Vorstellungen zur Nutzung des Waldes gesellschaftlich durchzusetzen. Vor allem machen die Ergebnisse deutlich, dass durch die pädagogischen Inwertsetzung einerseits und die Instrumentalisierung der Bildung andererseits Diskussionen über die Funktion und den Stellenwert der pädagogischen Nutzung von Wäldern ausgelöst werden. Die Studie zeigt, dass im Rahmen dieser Debatten die gesellschaftlichen Wünsche gegenüber den bislang dominierenden forstwirtschaftlichen und naturschutzfachlichen Aspekten an Relevanz gewinnen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Reaktionsmikroskop (REMI) nach dem Messprinzip COLTRIMS (Cold Target Recoil Ion Momentum Spectrometry) neu konstruiert und aufgebaut. Die Leistungsfähigkeit des Experimentaufbaus konnte sowohl in diversen Testreihen als auch anschließend unter realen Messbedingungen an der Synchrotronstrahlungsanlage SOLEIL und am endgültigen Bestimmungsort SQS-Instrument (Small Quantum Systems) des Freie-Elektronen-Lasers European XFEL (X-ray free-electron laser) eindrucksvoll unter Beweis gestellt werden.
Mit der Experimentiertechnik COLTRIMS ist es möglich, alle geladenen Fragmente einer Wechselwirkung eines Projektilteilchens mit einem Targetteilchen mittels zweier orts- und zeitauflösender Detektoren nachzuweisen. In einem Vakuumrezipienten wird die als Molekularstrahl präparierte Targetsubstanz inmitten der Hauptkammer zentral mit einem Projektilstrahl (z.B. des XFEL) zum Überlapp gebracht, sodass dort eine Wechselwirkung stattfinden kann. Bei den entstehenden Fragmenten handelt es sich um positiv geladene Ionen sowie negative geladene Elektronen. Elektrische Felder, erzeugt durch eine Spektrometer-Einheit, sowie durch Helmholtz-Spulen erzeugte magnetische Felder ermöglichen es, die geladenen Fragmente in Richtung der Detektoren zu lenken. Die Orts- und Zeitmessung eines einzelnen Teilchens (z.B. eines Ions) findet in Koinzidenz mit den anderen Teilchen (z.B. weiteren Ionen bzw. Elektronen) statt. Mit dieser Messmethode können die Impulsvektoren und Ladungszustände aller geladenen Fragmente in Koinzidenz gemessen werden. Da hierbei die geometrische Anordnung der einzelnen Komponenten für die Leistungsfähigkeit des Experiments eine entscheidende Rolle spielt, mussten bei der Neukonstruktion des COLTRIMS-Apparates für den Einsatz an einem Freie-Elektronen-Laser (FEL) einige Rahmenbedingungen erfüllt werden. Besonders wurden die hohen Vakuumvoraussetzungen an den Experimentaufbau aufgrund der enormen Lichtintensität eines FEL beachtet. Das Zusammenspiel der vielen Einzelkomponenten konnte zunächst in mehreren Testreihen überprüft werden. Unter anderem durch Variation der Vakuumbauteile in Material und Beschaffenheit konnten die zuvor ermittelten Vorgaben schließlich erreicht werden. Das neu konstruierte Target-Präparationssystem zur Erzeugung molekularer Gasstrahlen erlaubt nun den Einsatz von bis zu vier unterschiedlich dimensionierten, differentiell gepumpten Stufen. Zudem wurden hochpräzise Piezo-Aktuatoren verbaut, welche die Bewegung von Blenden im Vakuum erlauben, wodurch eine variable Einstellung des lokalen Targetdrucks ermöglicht wird. Die Anpassung der elektrischen Felder des Spektrometers für ein jeweiliges Experiment wurde mittels Simulationen der Teilchentrajektorien, Teilchenflugzeiten sowie der Detektorauflösung durchgeführt.
Da die in dieser Arbeit besprochenen Messungen und Ergebnisse die Wechselwirkungsprozesse von Röntgenstrahlung bzw. Synchrotronstrahlung mit Materie thematisieren, wird die Erzeugung von Synchrotronstrahlung sowohl in Kreisbeschleunigern als auch in den modernen Freie-Elektronen-Lasern (FEL) erklärt und hergeleitet. Der im Röntgenbereich arbeitende Freie-Elektronen-Laser European XFEL, welcher u.A. als Strahlungsquelle für die hier gezeigten Experimente diente, ist eine von derzeit noch wenigen Anlagen ihrer Art weltweit. Seine Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich liegt bis zu acht Größenordnungen über den bisher verwendeten Anlagen für Synchrotronstrahlung.
Beim ersten Einsatz der neuen Apparatur an der Synchrotronstrahlungsanlage SOLEIL wurde der ultraschnelle Dissoziationsprozess von Chlormethan (CH3Cl) untersucht. Während des Zerfallsprozesses nach Anregung durch Röntgenstrahlung werden hochenergetische Auger-Elektronen emittiert, welche in Koinzidenz mit verschiedenen Molekülfragmenten nachgewiesen wurden. Durch den Zerfallsmechanismus der ultraschnellen Dissoziation wird die Auger-Elektronenemission nach resonanter Molekülanregung während der Dissoziation des Moleküls beschrieben. Die kinetische Energie des Auger-Elektrons ist dabei abhängig von seinem Emissionszeitpunkt. Somit können die gemessenen Auger-Elektronen ein „Standbild“ der zeitlichen Abfolge des Dissoziationsprozesses liefern.
Es wird eine detaillierte Beschreibung der Datenanalyse vorgenommen, welche aus Kalibrationsmessungen und einer Interpretation der Messdaten besteht. Die abschließende Betrachtung besteht in der Darstellung der Elektronenemissionswinkelverteilungen im molekülfesten Koordinatensystem. Die Winkelverteilung der Auger-Elektronen wird am Anfang der Dissoziation vom umgebenden Molekül- potential beeinflusst und zeigt deutliche Strukturen entlang der Bindungsachse. Entfernen sich die Bindungspartner voneinander und das Auger-Elektron wird währenddessen emittiert, so verschwinden diese Strukturen zunehmend und eine Vorzugsemissionsrichtung senkrecht zur Molekülachse wird sichtbar.
Die Analyse der Messdaten zur Untersuchung von Multiphotonen-Ionisation an Sauerstoff-Molekülen am Freie-Elektronen-Laser European XFEL ermöglichte unter anderem die Beobachtung „hohler Moleküle“, also Systemen mit Doppelinnerschalen- Vakanzen. Solche Zustände können vor allem durch die sequentielle Absorption zweier Photonen entstehen, wobei die hierbei nötige Photonendichte nur von FEL- Anlagen bereit gestellt werden kann. Hier konnte das Ziel erreicht werden, erstmalig die Emissionswinkelverteilungen der Photoelektronen von mehrfach ionisierten Sauerstoff-Molekülen (O+/O3+-Aufbruchskanal) als Folge der ablaufenden Mechanismen femtosekundengenau zu beobachten. Hierzu wurde ein vereinfachtes Schema der verschiedenen Zerfallsschritte erstellt und schließlich ermittelt, dass der Zerfall durch eine PAPA-Sequenz beschrieben werden kann. Bei dieser handelt es sich um die zweimalige Abfolge von Photoionisation und Auger-Zerfall. Somit werden vier positive Ladungen im Molekül erzeugt. Das zweite Photon des XFEL wird dabei während der Dissoziation der sich Coulomb-abstoßenden Fragmente absorbiert, weshalb es sich um einen zweistufigen Prozess aus Anrege- und Abfrage- Schritt (Pump-Probe) handelt. Schlussendlich gelang zudem der Nachweis von Doppelinnerschalen-Vakanzen im Sauerstoff-Molekül nach Selektion des O2+/O2+- Aufbruchkanals. Hierfür konnten die beiden Möglichkeiten einer zweiseitigen oder einseitigen Doppelinnerschalen-Vakanz getrennt betrachtet werden und ebenfalls erstmalig das Verhalten der Elektronenemission dieser beiden Zustände verglichen werden.
Investigating the inhibition of anti-apoptotic BCL-2 family proteins in pediatric cancer cells
(2020)
Cancer is amongst the leading causes of death in childhood. Rhabdomyosarcoma (RMS) is the most frequently occurring soft tissue sarcoma in children and adolescents. It presumably arises from mesenchymal progenitors of skeletal muscle cells and presents with different subtypes that differ both histologically and genetically. Osteosarcoma (OS) and Ewing sarcoma (ES) are the most frequently diagnosed pediatric bone tumors. Even though the prognosis of these cancer entities improved significantly during recent decades, the survival rates are currently stagnating. Especially, dismal prognosis of relapsed and metastasizing cases of these malignancies urgently call for novel treatment options. BCL-2 proteins are vital guardians that control intrinsic apoptosis. Furthermore, it was shown that BCL-2 proteins critically regulate apoptosis in pediatric solid tumors. BH3 mimetics are small molecules that bind and inhibit anti-apoptotic BCL-2 proteins. They have already been investigated as cancer therapeutics for several years and show first encouraging clinical results. Therefore, we hypothesized that targeting BCL-2, MCL-1 and BCL-XL might be a promising approach to treat RMS, OS and ES.
In this study, we aimed to comprehensively evaluate the potential of anti-apoptotic BCL-2 family proteins as therapeutic targets for pediatric solid tumors such as RMS, OS and ES.
Notably, RMS, OS and ES cells largely expressed the most relevant BCL-2 family protein members. However, cells were widely insensitive to single pharmacological inhibition of either BCL-XL, BCL-2 or MCL-1 by A-1331852, ABT-199 and S63845, respectively. This finding was independent of their BCL-2 family protein expression levels. Significantly, co-administration of A-1331852 and S63845 induced cell death in RMS, OS and ES cell lines in a highly synergistic manner. Transient silencing of MCL-1 and/or BCL-XL verified the co-dependency of RMS cells on these proteins for survival. Importantly, A-1331852/S63845 co-treatment was more efficient in causing cell death in RMS, OS and ES cells than either inhibitor combined with ABT-199. Efficacy of A-1331852/S63845 co-treatment could be additionally demonstrated in a primary sample of pediatric malignant epithelioid mesothelioma.
Mechanistically, concomitant A-1331852/S63845 treatment mediated rapid intrinsic apoptosis involving swift loss of the mitochondrial outer membrane potential as well as activation of caspases-3, -8 and -9. An observed caspase dependent loss of MCL-1 might further amplify the A-1331852/S63845 triggered pro-death signaling. Furthermore, we identified BAX and BAK as key mediators of apoptosis caused by dual inhibition of MCL-1 and BCL-XL. A-1331852/S63845 induced cell death was relying on BAX and/or BAK in a cell line dependent manner. Interestingly, treatment with A-1331852 and S63845 liberated BAK from its interaction with MCL-1 and BCL-XL. Moreover, BAX and BAK were activated and interacted with each other to form a pore in the outer mitochondrial membrane. Further, in RD cells BIM and NOXA partially contributed to A-1331852/S63845 mediated cell death. Consistently, in this cell line BIM and NOXA were disrupted from their binding to BCL-XL and MCL-1 by A-1331852 and S63845, respectively. However, BH3 only proteins were not involved in A-1331852/S63845 induced cell death in Kym-1 cells. Therefore, we concluded that BH3 only proteins played only a marginal and cell line dependent role in mediating cell death caused by MCL-1 and BCL-XL co-repression.
Notably, A-1331852/S63845 co-treatment spared non-malignant fibroblasts, myoblasts and peripheral blood mononuclear cells, which suggests a therapeutic window for its application in vivo. Besides, we could demonstrate that sequential BH3 mimetic treatment still significantly induced cell death, albeit to minor extents compared to its dual administration. Importantly, we successfully evaluated concomitant treatment with A-1331852 and S63845 in multicellular RMS spheroids and in an in vivo embryonic chicken model of RMS. These findings stress the high transcriptional relevance of A-1331852/S63845 as an emerging novel cancer regimen.
Collectively, the thesis at hand explored the great potential of co-treatment with A-1331852 and S63845 in pediatric solid tumors and unveiled the underlying molecular mechanisms of cell death in RMS. Together, the current investigations support further preclinical and clinical studies to evaluate the effect of dual MCL-1 and BCL-XL targeting in pediatric solid tumors.
Throughout their life cells of eukaryotic organisms can be confronted with a variety of proteotoxic stresses and in order to survive, corresponding resistance mechanisms had to evolve. Proteotoxic stresses can cause misfolding of proteins and accumulation of toxic protein aggregates. Failure to remove aggregates of misfolded proteins compromises cellular function and can ultimately cause cell death and disease. To deal with this challenge, cells utilize a complex network of protein quality control pathways, including chaperones, the ubiquitin-proteasome system and the autophagy system.
Another mechanism to cope with proteotoxic stresses is the stalling of translation initiation in order to save valuable resources and prevent faulty translation. Upon stress, intrinsically disordered RNA-binding proteins such as TIA-1 or G3BP1/2 are recruited to stalled preinitiation complexes and a network of multivalent interactions between RNAs and proteins is formed. These mRNP networks can merge with each other and phase separate into membraneless liquid-like structures called stress granules (SGs). Once stress is released, SGs are quickly resolved and translation continues. Yet, chronic stress or mutations of SG-associated proteins can cause persistent SGs, which can sequester misfolded proteins and have been linked to neurodegenerative diseases such as amyotrophic lateral sclerosis or frontotemporal dementia.
In mammalian cells, three isoforms of the small ubiquitin-related modifier (SUMO), SUMO1, SUMO2 and SUMO3 are covalently attached to lysine residues of target proteins. SUMO conjugation is catalyzed via an enzymatic cascade of an heteromeric E1 activating enzyme, the E2 conjugating enzyme Ubc9 and in some cases one of a limited number of E3 SUMO ligases. SUMOylation is a dynamic modification and can be reversed by SUMO isopeptidases, the best characterized of which belong to the SENP family. Cellular stresses such as heat or oxidative stress strongly induce SUMOylation resulting in increased numbers of poly-SUMOylation (formation of SUMO2/3 chains) on nuclear proteins.
The SUMO-targeted ubiquitin ligase (STUbL) RNF4 harbors four SUMO interaction motifs in its N-terminal domain. This feature allows RNF4 to specifically bind poly-SUMOylated proteins and catalyze their proteolytic or non-proteolytic ubiquitylation.
A variety of substrate proteins have been shown to undergo SUMO-primed ubiquitylation by RNF4 in response to stress or DNA damage. RNF4-mediated ubiquitylation is often a signal for proteolytic degradation of these substrates.
In this work we aimed by identify novel RNF4 targets, in heat-stressed cells in order to gain a wider understanding of the nuclear proteotoxic stress response. Analysis by mass spectrometry revealed that a large fraction of RNF4-interacting proteins in heatstressed cells are nuclear RNA-binding proteins, many of which shuttle outside the nucleus and associate with SGs upon stress. We validated, that nuclear RNA-binding proteins, such as TDP-43 and hnRNP M are indeed heat-induced targets of SUMOprimed ubiquitylation by RNF4.
These initial results led us to further investigate the links between the SUMO/RNF4-mediated, nuclear protein quality control and the dynamics of cytosolic heat- or arsenite-induced SGs. SUMO2/3 and RNF4 are mainly nuclear proteins and we confirmed that they do not associate with SGs. Yet, we could demonstrate that depletion of SUMO2/3, the E3 SUMO ligase PML or RNF4 as well as chemical inhibition of SUMOylation strongly delayed SG clearance upon stress release, indicating that a functional STUbL pathway is essential for the timely clearance of SGs.
Next, we investigated how stress-induced poly-SUMOylation is regulated. Our data shows that SENP levels and activities are reduced in response to heat and arsenite stress, which allows the buildup of poly-SUMO chains on nuclear proteins. Limitation of poly-SUMOylation by overexpression of the SUMO chain-specific isopeptidases SENP6 and SENP7 induced SG formation. In contrast, poly-SUMO-priming by chemical depletion of SENP6 with the drug hinokiflavone drastically limited SG formation upon stress treatment. These results indicate a clear role of chain-specific SENPs in the regulation of stress-induced poly-SUMOylation and SG dynamics.
Last, we investigated whether the STUbL pathway could affect the phase separation of FUSP525 (an ALS-linked mutant of the SG-associated protein FUS) and observed that perturbations of the STUbL pathway lead to an increased phase separation of FUSP525L.
Thus, our work connects the SUMO/RNF4 protein quality control mechanism to the dynamics of SGs supporting the hypothesis that release of proteotoxic stress in the nucleus facilitates the clearance of cytosolic SGs. Thereby, we discovered a previously unknown link between the nuclear and cytosolic axis of proteotoxic stress response.
Bei Kindern mit akuter lymphoblastischer Leukämie ist eine möglichst frühe und genaue Diagnostik der Infiltration des Zentralen Nervensystems für die Festlegung der weiteren Therapie von essenzieller Bedeutung. Ziel dieser Studie war es, die diagnostische Wertigkeit der Schädel-MRT im Vergleich zum Standarddiagnostikum Lumbalpunktion bezüglich einer leukämischen Beteiligung des ZNS zu untersuchen. Außerdem sollte die Häufigkeit relevanter Zufallsbefunde festgestellt werden, um den Nutzen einer zusätzlich zur Lumbalpunktion durchgeführten MRT zu beurteilen. Es erfolgte eine retrospektive Analyse der Daten von 277 Patienten mit Erstdiagnose und 56 Patienten mit Rezidiv einer ALL, die zwischen 1998 und 2016 an der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin des Universitätsklinikums Frankfurt am Main behandelt worden waren. Sie hatten im Rahmen der initialen Diagnostik zusätzlich zur Lumbalpunktion eine Schädel-MRT mit Kontrastmittel erhalten.
Der durchschnittliche zeitliche Abstand zwischen Diagnosestellung und MRT betrug 11 Tage (39,5 Tage bei Rezidivpatienten). Die Sensitivitäten und Spezifitäten der beiden diagnostischen Mittel MRT und Liquor wurden berechnet.
Dazu diente als Goldstandard die endgültige Diagnose des ZNS-Status, die entweder durch die Liquordiagnostik, die Bildgebung oder die Klinik (RetinaInfiltration, Fazialisparese) gestellt wurde.
Insgesamt fanden sich bei 14 der 277 Patienten mit Erstdiagnose Leukämie eine Infiltration des ZNS. Davon waren 2 Patienten in der MRT, 11 Patienten in der Lumbalpunktion und 2 Patienten durch eine Retina-Infiltration als positiv diagnostiziert worden. Nur ein Patient, der in der MRT positiv befundet worden war, hatte in der Liquordiagnostik ein negatives Ergebnis. Bei den 56 Patienten mit Rezidiv ergab die MRT 6 positive Befunde und die Liquordiagnostik zeigte 13 positive Befunde. 3 Patienten waren zudem klinisch mit Fazialisparese (n=2) und retinaler Infiltration (n=1) positiv zu werten. Diese 3 hatten jedoch auch in der Lumbalpunktion ein positives Ergebnis. Von den Patienten, die in der MRT positiv befundet wurden, hatte 1 Patient ein negatives Ergebnis in der Lumbalpunktion.
Dieser zeigte allerdings Symptome und hätte somit die Bildgebung ohnehin erhalten. Für die MRT ergibt sich bei den Patienten mit Erstdiagnose eine Sensitivität von 14,3%, bei den Rezidivpatienten eine Sensitivität von 43%. Die Spezifität liegt bei den Patienten mit Erstdiagnose ALL bei 99,6% und bei den Rezidivpatienten bei 100%. Für die Lumbalpunktion errechnet sich bei den Patienten mit Erstdiagnose eine Sensitivität von 78,6% und bei den Rezidivpatienten eine Sensitivität von 92,9%, mit einer Falsch-negativ-Rate von 21,4% und 7,1%. Die Spezifität der Lumbalpunktion liegt in beiden Gruppen bei 100%.
Bezüglich relevanter Zufallsbefunde ist bei den Patienten mit Erstdiagnose eine Sinusvenenthrombose bei einer klinisch unauffälligen Patientin zu nennen.
Weitere Nebenbefunde, die keine Auswirkungen auf die Therapie hatten, waren Schleimhautschwellungen der Nasennebenhöhlen (n=188), Verlegung der Mastoidzellen (n=45), Hirnvolumenminderung (n=27), Blutungen ohne Therapiebedürftigkeit (n=5), Zysten (n=11) und angeborene Fehlbildungen (n=7). Außerdem wurde bei 6 Rezidivpatienten eine chronische therapieassoziierte Leukenzephalopathie diagnostiziert.
Die vorliegende Studie stellt unseres Wissens nach die bisher umfangreichste Schädel-MRT-Studie bei Kindern mit ALL unter dieser Fragestellung dar. Ihre Nachteile ergeben sich durch die retrospektive Betrachtung und dadurch bedingte eingeschränkte Einheitlichkeit.
Aus unseren Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass die Schädel-MRT keinen zusätzlichen Nutzen zur alleinigen Lumbalpunktion bringt. Nur ein einziger Patient hatte in der MRT ein positives Ergebnis, welches weder durch die Lumbalpunktion noch durch die Klinik erkannt worden war. Auch in Hinblick auf die geringe Rate an relevanten Nebenbefunden bei asymptomatischen Patienten ergibt sich keine grundsätzliche Notwendigkeit zur Durchführung dieser Bildgebung. Die zusätzliche Belastung einer kontrastmittelgestützten MRT, für die bei kleinen Kindern zudem häufig eine Sedierung erforderlich ist, kann klinisch neurologisch unauffälligen Patienten mit ALL also erspart werden.
Correct cellular function is ensured by a complex network of proteins and enzymes, regulating protein synthesis and degradation. This protein network, maintaining the so-called protein homeostasis, regulates those processes on multiple levels, producing new or degrading old proteins to cope with changing intra- and extracellular environments. Disturbance of this tightly regulated machinery can have severe effects on the cell and can lead to a variety of pathologies on organism level. Diseases including cancer, neurodegeneration and infections are associated with causative or consequent alterations in protein homeostasis. To understand the pathologies of these diseases, it is therefore critical to examine how perturbations of protein homeostasis affect cellular pathways and physiology. In the recent years, analysis of protein homeostasis networks has resulted in the development of novel therapeutic approaches. However, for many factors it remains unclear how the cell is affected, if they are disturbed. Protein synthesis and degradation represent immediate responses of the cell to changes and need to be studied in the right timeframe, making them difficult to access by common methodology. In this work we developed a new mass spectrometry (MS) based method to study protein synthesis and degradation on a system-wide scale. Multiplexed enhanced protein dynamic (mePROD) MS was developed, overcoming these limitations by special sample mixing and novel data analysis protocols. MePROD thereby enables the measurement of rapid and transient (e.g. minutes) changes in protein synthesis of thousands of proteins. During responses of the cell to stressors (e.g. protein misfolding, oxidation or infection), two major pathways regulate the protein synthesis: the Integrated Stress Response (ISR) and mammalian target of rapamycin (mTOR). Both pathways have been connected with various diseases in the past and are common therapy targets. Although both pathways target protein synthesis in stress responses, the set of targets regulated by these pathways was believed to differ. Through the new mePROD MS method we could measure a comprehensive comparison of both pathways for the first time, revealing comparable system-wide patterns of regulation between the two pathways. This changed the current view on the regulation elicited by these pathways and furthermore represents a useful resource for the whole field of research. We could further develop the mePROD method and decrease MS measurement time needed to obtain an in-depth dataset. Through implementation of logic based instrument methods, it was possible to enhance the number of measured proteins by approximately three-fold within the same measurement time.
The dynamics of protein synthesis and degradation are frequently modulated by pathogens infecting the cell to promote pathogen replication. At the same time, the cell counteracts the infection by modulating protein dynamics as well. To develop useful therapy approaches to fight infections, it therefore is necessary to understand the complex changes within the host cell during infections on a system-wide scale. In 2019, a novel coronavirus spread around the world, causing a world-wide health-crisis. To better understand this novel virus and its infection of the host cell we conducted a study applying the mePROD methodology and classical proteomics to characterize the dynamic changes during the infection course in vitro. We discovered that the infection remodeled a diverse set of host cell pathways (e.g. mRNA splicing, glycolysis, DNA synthesis and protein homeostasis) and thereby showed possible targets for antiviral therapy. By targeted inhibition of these pathways, we could observe that these pathways indeed are necessary for SARS-CoV-2 replication and their inhibition could reduce viral load in the cells. Another experimental approach focused on the dynamic changes of protein modification, namely phosphorylation, after infection with SARS-CoV-2. Here, we could show the very important participation of growth factor signaling pathways in viral proliferation. Both studies together revealed critical pathways that are needed for the viral proliferation and hence are promising candidates for further therapies. Subsequent targeting of these pathways by either already approved drugs (Ribavirin and Sorafenib) or drugs in clinical trials (2-deoxyglucose, Pladienolide-B, NMS-873, Pictilisib, Omipalisib, RO5126766 and Lonafarnib) could block viral replication in vitro and suggests important clinical approaches targeting SARS-COV-2 infection.
Die Arbeit gibt einen Einblick in die Rolle, die Wochenschau und Wahlwerbung während der 1920er Jahre im Zuge der politischen Propagandaarbeit in der ersten deutschen Demokratie einnahmen. Zu diesem Zweck werden nicht nur politische Filme analysiert, sondern es wird auch ein Blick auf die Verbindungen der Weimarer Politik in die Filmbranche und die vorherrschende Zensurpraxis geworfen.
We study continuous dually epi-translation invariant valuations on certain cones of convex functions containing the space of finite-valued convex functions. Using the homogeneous decomposition of this space, we associate a certain distribution to any homogeneous valuation similar to the Goodey-Weil embedding for translation invariant valuations on convex bodies. The support of these distributions induces a corresponding notion of support for the underlying valuations, which imposes certain restrictions on these functionals, and we study the relation between the support of a valuation and its domain. This gives a partial answer to the question which dually epi-translation invariant valuations on finite-valued convex functions can be extended to larger cones of convex functions.
We also study topological properties of spaces of valuations with support contained in a fixed compact set. As an application of these results, we introduce the class of smooth valuations on convex functions and show that the subspace of smooth dually epi-translation invariant valuations is dense in the space of continuous dually epi-translation invariant valuation on finite-valued convex functions. These smooth valuations are given by integrating certain smooth differential forms over the graph of the differential of a convex function. We use this construction to give a characterization of a dense subspace of all continuous valuations on finite-valued convex functions that are rotation invariant as well as dually epi-translation invariant.
Using results from Alesker's theory of smooth valuations on convex bodies, we also show that any smooth valuation can be written as a convergent sum of mixed Hessian valuations. In particular, mixed Hessian valuations span a dense subspace, which is a version of McMullen’s conjecture for valuations on convex functions.
Einleitung: OTSC Proctology ist ein Verfahren in der Analfistelchirurgie dessen Erfolgsaussichten auch 9 Jahre nach der ersten klinischen Anwendung nicht abschließend beurteilt werden können. Die wenigen bisher publizierten Studien zeigen sehr divergente Ergebnisse mit Heilungsraten von 10 bis 90%.
Material und Methoden: Wir führten eine retrospektive Auswertung der Behandlungsergebnisse aller konsekutiven Patienten, die in dem Zeitraum vom 01.03.2014 bis 31.03.2017 in der koloproktologischen Abteilung der DKD Helios Klinik Wiesbaden mittels OTSC-Verfahren wegen Analfisteln operiert wurden, durch. Erfasst wurden Alter, Geschlecht, OP- und Aufenthaltsdauer, Operateur, Fistelart und –lokalisation, Vorhandensein von Stoma und CED, plastischer Fistelverschluss (PFV) in der Anamnese, Clipverbleib nach der OP, Dauer des Follow-ups, Komplikationen sowie postoperative Schmerzsituation. Die Datenauswertung erfolgte mittels deskriptiver Statistik bei Subgruppenanalyse unter Verwendung der Statistiksoftware SPSS 20.
Ergebnisse: Es wurden insgesamt 68 Fälle eingeschlossen, davon 37% weiblich und 63% männlich. Das durchschnittliche Alter betrug 52 Jahre (25 – 81). 19 (28%) Patienten litten an CED, 11 (16%) Patienten hatten ein Stoma. 34 (50%) der Patienten hatten plastischen Fistelverschluss in der Anamnese. Die Verteilung nach Fisteltyp war wie folgt: 58 (85%) transsphinktär, 4 (6%) suprasphinktär, 3 (4%) intersphinktär, 1 (1,5%) rektovaginal, 1 (1,5%) rektourethral und 1 (1,5%) Pouchfistel. Die häufigsten Fistelokalisationen waren bei 6 h (N = 26, 38%), 12 h (N = 14, 21%), 7 h (N = 7, 10%) und 3h (N = 5, 7%) SSL. Die durchschnittlichen OP-Dauer und stationärer Aufenthalt betrugen 25 min (6 – 90) und 7 Tage (1 – 14 Tage) entsprechend. Die durchschnittliche Dauer des Follow-ups betrug 29 Monate (10 – 36).
Die Fistelheilung im Gesamtkollektiv lag bei 48,5%, 1 (1,5%) Patient war lost-tofollow-up. In der weiblichen (N = 25) und männlichen (N = 43) Kohorte fand die Heilung in 40% und 53% der Fälle entsprechend statt. Die Heilungsraten bei intersphinktären (N = 3), transsphinktären (N = 58) und suprasphinktären (N = 4) Fisteln lagen bei 100%, 46,5% und 50% entsprechend, eine rektovaginale und eine rektourethrale Fistel sind nicht geheilt. Eine Pouchfistel ist geheilt.
Die Heilungsraten bei 6h und 12h SSL lagen bei 58% und 14% entsprechend mit deutlichem Vorteil bei posteriorer Fistellage. Dieser Vorteil blieb nach der Aufteilung der Fisteln in anteriore (N = 30) und posteriore (N = 38), mit
Heilungsraten von 33% und 60,5% entsprechend, bestehen. In den Subgruppen ohne CED (N = 49) und mit CED (N = 19) lagen die Heilungsraten bei 53% und 35% entsprechend. In den Subgruppen ohne PFV (N = 34) und mit PFV (N = 34) lagen die Heilungsraten bei 59% und 38% entsprechend. In der Subgruppe ohne Stoma (N = 57) wurde eine Heilung in 47% der Fälle, in der Subgruppe mit Stoma (N = 11) in 55% beobachtet. In der Subgruppe mit den kryploglandulären Fisteln (N = 47) war die Heilung in 55,3% zu sehen und in der Subgruppe mit
kryptoglandulären Fisteln ohne PFV (N = 27) bei 63%.
In 48 (70,6%) Fällen wurde der Clip aktiv entfernt, in 11 (16,2%) Fällen kam es zum Spontanverlust und in 8 (11,8%) Fällen blieb der Clip in situ. Die durchschnittliche Zeit bis zur Klammerentfernung betrug 4 Monate. Die Heilungsraten bei Clipentfernung, Clipverbleib und Clipspontanabgang lagen bei 42%, 100% und 45% entsprechend.
Der maximale Schmerz nach NRS 0 – 2 bei 61% der Patienten, NRS 3 – 4 bei 28% und NRS 5 – 7 nur bei 11%. Bei 50% der Fälle war kein Opiat erforderlich und bei 39% der Fälle erfolgte die Opiateinnahme nicht länger als 2 Tage.
Die Komplikationen waren sehr selten: eine Nachblutung mit Clipdislokation (1,5%), ein Analabszess (1,5%), 2 Fälle (3%) der neuaufgetretenen Stuhlschmieren und 1 (1,5%) Wundheilungsstörung intraanal, die spontan abheilte. In 4 (6%) Fällen kam es zur Klammerdislokation vom inneren
Fistelostium mit konsekutiver Fistelpersistenz.
Fazit: OTSC ist ein komplikationsarmes und schmerzarmes Verfahren mit kurzer OP-Zeit und könnte einen festen Platz in der Analfistelchirurgie einnehmen. Die bestmöglichen Ergebnisse lassen sich bei dorsal gelegenen Analfisteln in
nichtvoroperierten Patienten ohne CED erzielen.
Hintergrund und Ziel der Studie: Steigende Erwartungen der Kataraktpatienten führen zu stetigen Weiterentwicklungen in der Linsenchirurgie. Der Wunsch nach einem perfekten Sehvermögen und nach Brillenfreiheit ist ein häufiges Anliegen insbesondere jüngerer Patienten. Die Einführung von Multifokallinsen hat die Therapie der Katarakt revolutioniert. Mit ihnen kann der Patient sowohl in der Nähe und Ferne als auch im Intermediärbereich scharf sehen. Für die präoperative Berechnung der Linsenstärke sind verschiedene Formeln verfügbar. Bis jetzt wurde keine Studie publiziert, die die Präzision dieser Formeln für die Kalkulation der Stärke von Tri- oder Quadrifokallinsen untersucht hat. Das Ziel dieser Studie war die Evaluation neun moderner Formeln für die Berechnung der Linsenstärke der quadrifokalen AcrySof IQ PanOptix TFNT00.
Methoden:
Die vorliegende Studie ist eine retrospektive konsekutive Fallserie, die an der Augenklinik der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main durchgeführt wurde. Es wurden alle Patienten eingeschlossen, die sich einer Femtosekundenlaser-assistierten Operation mit Implantation der quadrifokalen Intraokularlinse unterzogen. Mit dem IOLMaster 500 wurden die präoperativen Biometrie- und Keratometriemessungen durchgeführt. Das Scheimpflug-System Pentacam wurde zur Bestimmung der zentralen Hornhautdicke genutzt. Drei Monate nach der Operation fand eine subjektive Refraktionsbestimmung statt.
Die folgenden Formeln wurden untersucht: Holladay 1, Sanders-Retzlaff-Kraff/ theoretical (SRK/T), Hoffer Q, T2, Holladay 2, Haigis, Barrett Universal II, Olsen und Hill-radiale Basisfunktion (RBF). Aus den präoperativ gemessenen Parametern und der implantierten Linsenstärke wurde für jedes Auge die postoperative Refraktion berechnet. Der Vorhersagefehler (PE) ist definiert als die Differenz zwischen dem tatsächlich erreichten postoperativen sphärischen Äquivalent und dem vorhergesagten postoperativen sphärischen Äquivalent. Zur Reduktion systematischer Fehler und somit des mittleren PE wurden die Linsenkonstanten optimiert. Primäre Endpunkte waren die Unterschiede der mittleren absoluten Vorhersagefehler (MAE) zwischen den Formeln. Die Standardabweichung sowie mediane und maximale absolute PE wurden ebenso untersucht wie die Prozent-zahlen der Augen, deren PE innerhalb von ± 0,25 Dioptrien (dpt), ± 0,5 dpt, ± 1,0 dpt und ± 2,0 dpt lagen.
Ergebnisse: 75 Augen von 38 Patienten wurden in die vorliegende Studie eingeschlossen. Es gab signifikante Unterschiede zwischen den Formeln bezüglich des MAE (p Wert < 0,001). Die Rangfolge der Formeln entsprechend ihrer MAE lautet wie folgt: Barrett Universal II (0,294 dpt), Hill-RBF (0,332 dpt), Olsen (0,339 dpt), T2 (0,351 dpt), Holladay 1 (0,381 dpt), Haigis (0,382 dpt), SRK/T (0,393 dpt), Holladay 2 (0,399 dpt) und Hoffer Q (0,410 dpt). Den niedrigsten maximalen absoluten PE erreichte die Barrett Universal II. Bei der Verwendung der Haigis, Barrett Universal II, Olsen und Hill-RBF hatten 80% der Augen einen PE innerhalb von ± 0,5 dpt. In der Subgruppe der kurzen Augen wurde der niedrigste PE mit der Hill-RBF erreicht, in der Subgruppe der langen Augen mit der Barrett Universal II und mit der Olsen. Die Unterschiede zwischen den Formeln in den Subgruppenanalysen waren jedoch nicht signifikant.
Schlussfolgerung:Die exaktesten Vorhersagen der postoperativen Refraktion konnten mit der Barrett Universal II erzielt werden. Diese Formel sollte daher künftig für die Berechnung der Linsenstärke der quadrifokalen PanOptix genutzt werden. Die T2, Olsen und Hill-RBF führten ebenfalls zu niedrigen PE. Weitere Studien sollten durchgeführt werden, um insbesondere die neuen Formeln im Zusammenhang mit verschiedenen Multifokallinsen zu untersuchen. Um die Vorhersagegenauigkeit der Formeln in Augen mit extremen Achsenlängen zu bewerten, sind Studien mit größeren Fallzahlen nötig.
This work describes development of a comprehensive methodology for analyzing vibro-acoustic and wear mechanisms in transmission systems. The thesis addresses certain gaps present in the fields of structure dynamics and abrasion mechanism and opens new areas for further research.
The paper attempts to understand new and relatively unexplored challenges like influences of wear on the dynamics of drive train. It also focuses on developing new techniques for analyzing the vibration and acoustic behavior of the drive unit structures and surrounding fluids respectively.
The developed methodology meets the requirements of both the complete system and component level modeling by using specially identified combination of different simulation techniques. Based on the created template model, a three-stage spur plus helical gearbox is constructed and simulated as an application example. In addition to the internal mechanical excitation mechanisms, the transmission model also includes the rotational and translational dynamics of the gears, shafts and bearings. It is followed by illustration of wear among the rotating components.
Different kinds of static and dynamic analyses are performed and coupled at various levels depending on the mechanical complexities involved. Furthermore, the structure dynamic vibration of the housing and the associated sound particle radiations are mapped into the surrounding fluid. Additionally, the approach for selection of the potential parameters for optimization is depicted. Final part focuses on the measurements of different system states used for validation of the model. In the end, results obtained from both simulations and experiments are analyzed and assessed for there respective performances.
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.
Droughts impair plant growth, limit global net primary production and are predicted to increase in the course of climate change. Knowledge of the plant drought response on a molecular level can facilitate the selection of drought resistant genotypes and genetic engineering and thereby can help to implement strategies, such as assisted migration projects or crop improvement, in order to preserve natural and agricultural vegetation against droughts.
Studies on gene expression under drought stress were conducted in three species each of the genera Quercus and Panicum, to shed light on the molecular drought response in these species and identify drought responsive genes as a basis for technical applications.
In the genus Quercus, gene expression studies were conducted in the three major European forest trees Q. ilex, Q. pubescens and Q. robur, for which a distributional shift caused by climate change is predicted for the 21st century. RNA-Seq experiments were conducted in the three Quercus species for the first time, ortholog groups were assigned and unregulated genes, as well as drought responsive genes, were identified (Madritsch et al. 2019). For a set of the unregulated genes, a stable expression over the course of long-term drought periods was evaluated in order to enable an application as reference genes for normalizing qRT-PCR experiments (Kotrade 2019a). The reference genes were used in subsequent experiments to generate gene expression profiles over the course of a two-year drought experiment with consecutive drought periods for a set of twelve drought responsive genes and revealed a highly variable gene regulation under long-term drought stress in the Quercus species (Kotrade et al. 2019b).
In the genus Panicum, the gene expression in response to drought was examined in the two wild crop species, P. laetum and P. turgidum, and in the less drought tolerant species P. bisulcatum via RNA-Seq experiments (Kotrade et al. 2020 (in revision). The transcriptomes of the species were sequenced for the first time, ortholog groups were assigned and the gene regulation was compared across the species. The common grounds of the drought response in Panicum were determined by identifying similarities across the species, while the identification of differences between the species led to genes that might contribute to the higher drought tolerance of P. laetum and P. turgidum
A comparison across the two genera showed large differences in the gene regulation upon drought. This might be largely explained by different experimental setups that resulted in different drought conditions in the genera, such as drought intensity, drought duration and velocity of drought development.
The sequence information and the drought responsive genes identified in the Quercus and Panicum species can be used to develop marker assays for marker-assisted selection. The genes that putatively contribute to the higher drought tolerance of the two wild crop Panicum species should be considered as candidate targets in genetic engineering studies. Marker-assisted selection and genetic engineering can be applied, for example, in assisted migration projects to support natural vegetation in the course of climate change or to breed more drought tolerant crop strains to mitigate crop failure rates caused by droughts.
Aufgrund der starken Heterogenität und Komplexität der akuten myeloischen Leukämie ist diese bis heute nicht zufriedenstellend zu behandeln. Die bestmögliche Therapie wird mittlerweile zunehmend auf die Erkrankung des Einzelnen angepasst. Vermehrt gewinnen Tyrosinkinase-Inhibitoren in der Therapie an Bedeutung. Diese Inhibitoren hemmen Proteine auf zellulärer Ebene.
Bei etwa 30% der AML-Patienten lassen sich Mutationen des FLT3-Gens nachweisen. Das Gen kodiert für die fms like tyrosine kinase 3, eine Rezeptor-Tyrosinkinase an der Zelloberfläche von unreifen Blutzellen des Knochenmarks. Durch Mutationen des FLT3 Gens erhalten diese Zellen einen Proliferationsvorteil gegenüber den physiologischen Blutzellen.
Am häufigsten kommt es zu in frame-Insertionen des FLT3-Gens, vor allem im Bereich der juxtamembranen Domäne: sogenannte interne Tandemduplikationen (ITD). Weiterhin kommen zu einem geringeren Teil Punktmutationen einzelner Codons, zum Beispiel im Bereich des activation loops oder im Bereich des gatekeepers vor. Durch das Auftreten der Punktmutationen, die entweder bereits zum Zeitpunkt der Diagnose vorliegen oder erst während einer Therapie mit einem Tyrosinkinase-Inhibitor entstehen können, verändert sich das Bindungsverhalten vieler solcher gegen FLT3 gerichteten Inhibitoren. Durch Letzteres kann ein mögliches Therapieversagen beispielsweise während der Behandlung mit AC220 (Quizartinib) erklärt werden (Smith et al.).
In der vorliegenden Dissertationsschrift sind Unterschiede der Signalwege zwischen FLT3-ITD und FLT3-ITD mit der zusätzlichen gatekeeper-Punktmutation F691L herausgearbeitet. Dafür wurden die beiden FLT3-Mutationen in den Vektor pMy-IRES-GFP eingebracht und retroviral in Ba/F3-Zellen transduziert. Nach Überprüfung der Expression von FLT3 ITD und dem Wachstumsverhalten unter Zugabe von AC220 (Quizartinib), wurden verschiedene Signalkaskaden von FLT3 mittels Western Blot untersucht. Hierbei zeigten sich sowohl Unterschiede für die Expression von phosphoryliertem ERK als auch von phosphoryliertem STAT5.
Durch verschieden starke Expressionen der FLT3130kDa- und FLT3160kDA-Varianten wurde eine unterschiedliche Lokalisation von FLT3-ITD in Zellen mit und ohne die Mutation F691L postuliert. Allerdings ließ sich diese experimentell mittels Immunfluoreszenz nicht belegen, da die Methode für die verwendeten Suspensionszellen nicht ausreichend geeignet war.
In den durchgeführten Versuchen zum Wachstumsverhalten der Zellen bei der Verwendung von Kinaseinhibitoren konnte bei der Verwendung des SYK-Inhibitors R406 eine dosisabhängige Proliferationshemmung der FLT3-ITD-mutierten Ba/F3- und 32D-Zellen beobachtet werden. Die Hemmung von FLT3 durch R406 wurde in der Literatur bereits beschrieben (Braselmann et al.).
Die abschließenden Experimente der Massenspektrometrie mit SILAC Markierung lassen mit der Detektion von mehreren hundert signifikant regulierten phosphorylierten Proteinen in den beiden FLT3-ITD-exprimierenden Populationen auf die Aktivierung unterschiedlicher Signalwege schließen. Durch das Vergleichen einzelner Teilexperimente ergaben sich Proteine, deren Phosphorylierung mehrfach in die gleiche Richtung reguliert war. Für Zellen, die zusätzlich zur ITD-Mutation die Mutation F691L besaßen, konnten insgesamt sieben hoch-regulierte, phosphorylierte Proteine ermittelt werden, bei denen ein zellulärer Effekt durch die Phosphorylierung der entsprechenden Aminosäurereste in der Literatur beschrieben ist.
Das im Western Blot nachgewiesene, in Zellen mit der Mutation F691L stärker phosphorylierte STAT5 ist aller Voraussicht nach Ursache der nachgewiesenen verstärkten Phosphorylierung von RPS6 im Experiment der globalen Phosphorylierung. Die PIM-Kinasen als Substrate einer STAT5-induzierten Transkription phosphorylieren RPS6 an Serin 235. Dies führt seinerseits zu einer verstärkten Translation von mRNA weiterer Gene. Die genauen Zusammenhänge der hier ermittelten Unterschiede müssen jedoch weiter untersucht werden.
In Zukunft könnte zudem die Untersuchung der beiden Proteine SHP 1 oder HSP90 weitere Aufschlüsse über die unterschiedlichen Signalwege geben. Für beide Proteine wurden Phosphorylierungen detektiert, die in den untersuchten Zellen mit FLT3-ITD bzw. der zusätzlichen Punktmutation F691L unterschiedlich reguliert sind.
Two main types of methods are used in gene therapy: integrating vectors and nuclease-based genome engineering. Nucleases are site-specific and are efficient for knock-outs, but inefficient at inserting long DNA sequences. Integrating vectors perform this task with high efficiency, but their insertion occurs at random genomic positions. This can result in transformation of target cells, which leads to severe adverse events in a gene therapy context. Thus, it is of great interest to develop novel genome engineering tools that combine the advantages of both technologies. The main focus of this thesis is on generating such a targetable integrating vector.
The integrating vector used in this project is the Sleeping Beauty (SB) transposon, a DNA transposon characterized by high activity across a wide range of cells. The SB transposase was combined with an RNA-guided Cas9 nuclease domain. This nuclease component was meant to direct transposase integration to specific targets defined by RNAs. The SB transposase was fused to cleavage-inactivated Cas9 (dCas9) to tether it to the target sites. In addition, adapter proteins consisting of dCas9 and domains non-covalently interacting with SB transposase or the SB transposon were generated. All constituent domains of these fusion proteins were tested in enzymatic assays and almost all enzymatic activities could be verified.
Combining the fusion protein dCas9-SB100X with a gRNA binding a sequence from the AluY repetitive element resulted in a weak, but statistically significant enrichment around sites bound by the gRNA. This enrichment was ca. 2-fold and occurred within a 300 bp window downstream of target sites, or within the AluY element.
Targeting with adapter proteins and targeting of other targets (L1 elements or single-copy targets) did not result in statistically significant effects. Single-copy targets tested included the HPRT gene and three specifically selected GSH targets that were known to be receptive to SB insertions. The combination with a more sequence-specific transposase mutant also failed to increase specificity to a level allowing targeting of single-copy loci. Genome-wide analysis of insertions however demonstrated, that dCas9-SB100X has a different insertion profile than SB100X, regardless of the gRNA used.
As low efficiency of retargeting is likely a consequence of the high background activity of the SB100X transposase in the fusion constructs, a SB mutant with reduced DNA affinity, SB(C42), was generated. For this mutant, transposition activity was partly dependent on a dCas9 domain being supplied with a multi-copy target gRNA, specifically a 2-fold increase in the presence of a AluY-directed gRNA. Whether using this mutant results in improved targeting remains to be determined.
In a side project, an attempt was made to direct SB insertions to ribosomal DNA by fusing the transposase to a nucleolar protein. This fusion transposase partially localized to nucleoli and insertions catalyzed by this transposase were found to be enriched in nucleolus organizer regions (NORs) and nucleolus-associated domains (NADs).
The aim of a second side project was increasing the ratio between homology-directed repair (HDR) and non-homologous end-joining (NHEJ) at Cas9-mediated double-strand breaks (DSBs). To achieve this, Cas9 was fused to DNA-interacting domains and corresponding binding sequences were fused to the homology donors. While an increased HDR/NHEJ ration could be observed for the fusion proteins, it was not dependent on the presence on the binding sequences in the donor molecules.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten neue Synthesemethoden für den schnellen und effizienten Aufbau von molekularer Komplexität ausgehend von Enamiden als zentrale Synthesebausteine entwickelt werden. Dabei konnten insgesamt fünf unterschiedliche Reaktionen entwickelt werden, die die Synthesen nützlicher Bausteine, wie z.B. β-Amidosulfone 127 oder 1,3-Diamide 128, und neuartiger Heterocyclen ermöglichen. Insgesamt konnte so in einem diversität-orientierten Ansatz, die selektive Bildung von bis zu fünf stereogenen Einheiten ausgehend von einfachen, acyclischen Startmaterialen ermöglicht werden.
Metall-vermittelte Sulfonierungen von Enamiden mittels Sulfinatsalzen:
Im ersten Abschnitt sollten Enamide für die Synthese von Sulfonen eingesetzt werden. Dabei konnte, abhängig vom Katalysatorsystem, sowohl eine C-(sp2)-H Sulfonylierung (Schema 5-1-a.)) als auch eine Oxysulfonylierung (Schema 5-1-b.)) entwickelt werden. Durch die Verwendung von Mn(OAc)3.2 H2O wurden selektiv (E)-konfigurierteβ-Amidovinylsulfone 126 erhalten. Die Reaktion ist unempfindlich gegenüber Luft und Wasser, was sie besonders einfach in der Durchführung macht. Zudem besitzt sie eine große Substratbreite und bietet durch die Kombination mit klassischer Organometallchemie mit einem Isomerisierung-Sulfonierungs-Protokoll eine interessante Alternative zur C-H Sulfonylierung von Enamiden. Auf Grundlage dieser Reaktion sollte, durch zusätzliches Abfangen eines intermediär gebildeten Acylimins durch einen Alkohol, auch eine Oxysulfonierung entwickelt werden. In der Tat konnte durch die Verwendung von Fe(NO3)3∙9 H2O eine entsprechende 3-Komponentenreaktion zu β-Amidosulfonen 127 mit zwei stereogenen Zentren etabliert werden.
Diese Verbindungen versprechen vor allem durch ihr hohes Vorkommen als Schlüsselmotiv in biologisch aktiven Substanzen ein hohes Anwendungspotential. Die Reaktion verfügt über eine breite Substratbreite und ist analog zur Mangan-vermittelten Variante einfach in der Durchführung. Die erhaltenen sulfonierten N,O-Acetale 127 können zudem in die entsprechende Imine überführt und mit einem geeigneten Nukleophil abgefangen werden. So lässt sich z.B. das Methylfuran-Derivat 177a darstellen, welches durch eine oxidative Spaltung in die geschützte Aminosäure 178 überführt werden kann.
Addition von Enamiden und Enimiden an N-Acylimine:
Aufbauend auf der zweistufigen Reaktionssequenz zum Aufbau von 1,3-Diamiden 128 über die Addition von Enamiden 29 an N-Acylimine 131 und anschließender Umsetzung mit einem Nukleophil, konnte die Synthese zu einer Eintopf-Reaktion weiterentwickelt werden (siehe Schema 5-3-c.).
Als Katalysator für beide Reaktionsschritte zeigte Bi(OTf)3 als luft- und wasserstabiler Katalysator die besten Ausbeuten und Selektivitäten. Dabei werden selektiv 1,2-anti-2,3- anti-konfigurierte 1,3-Diamide 128 mit drei fortlaufenden Stereozentren erhalten. Vorteile dieser Methode sind, neben einer einfachen Durchführbarkeit, die simple Skalierbarkeit sowie die Toleranz einer Vielzahl unterschiedlicher funktioneller Gruppen in der Reaktion. So konnten durch Variation aller drei Komponenten über 30 Beispiele der gewünschten 1,2-anti-2,3-anti-konfigurierten 1,3-Diamide 128 dargestellt werden. Die hier entwickelte Eintopf-Reaktion stellt somit eine wichtige Erweiterung zu bestehenden 1,3-Diamidsynthesen dar. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass ausgehend von Phthaloyl-basierten Enimiden 125 die nur schlecht darstellbare Substanzklasse der Dihydropyrimido[2,1-a]isoindol-6(2H)-one 129 hergestellt werden kann (siehe Schema 5-3-d.). Dieses neuartige heterocyclische Motiv wurde bisher kaum auf seine biologische Aktivität hin untersucht und verspricht daher ein interessantes Anwendungsfeld. Insgesamt weisen die erhaltenen Verbindungen drei fortlaufende Stereozentren auf, wobei sie in guten bis sehr guten Ausbeuten diastereomerenrein erhalten werden konnten. Dabei lässt sich der hohe Grad an Stereoselektivität durch eine [4+2] Cycloaddition zwischen dem in situ erzeugten N-Acylimin 131 und einem Enimid 125 zu einem Oxazin 132, gefolgt von einer Säure-vermittelten Umlagerung, erklären. Durch Variation der Enimid- und Acyliminkomponente konnten insgesamt 27 neuartige Dihydropyrimido[2,1-a]isoindol-6(2H)-one 129 synthetisiert werden.
Addition von Enamiden an Aldehyde – Stereoselektive Synthese
pentasubstituierter Tetrahydropyrane:
Im letzten Teil der Arbeit sollte, analog zur stereodivergenten Synthese von 1,3- Diaminen, durch Addition von Enamiden an Aldehyde, die jeweiligen 1,3-Aminoalkohole dargestellt werden. Interessanterweise wurde in dieser Transformation die selektive Bildung eines pentasubstituierten Tetrahydropyrans beobachtet. Dabei werden in einem Schritt drei neue σ-Bindungen und fünf fortlaufende Stereozentren aufgebaut. Bemerkenswert ist zudem der außerordentlich hohe Grad an Stereoselektivität, da von 16 möglichen Diastereomeren nur eines gebildet wird. Durch Variation der Aldehyd- und Enamidkomponente ließen sich insgesamt 23 verschiedene Tetrahydropyrane in guten bis sehr guten Ausbeuten und exzellenter Diastereoselektivitäten darstellen. Der Einsatz (Z)-konfigurierter Enamide erlaubte zudem die Synthese eines weiteren Diastereomers 262b, welches sich in der relativen Konfiguration an C5 von 262a unterscheidet.
Insgesamt zeigen die in dieser Arbeit entwickelten Reaktionen die enorme Anwendungsbreite von Enamiden in der stereoselektiven Synthese. So konnten in einfach durchführbaren Transformationen aus simplen Startmaterialien bis zu fünf benachbarte stereogene Einheiten aufgebaut werden. Dabei zeigt die Vielfalt der erhaltenen Verbindungen gleichsam die unterschiedlichen Reaktionsmodi der Enamideinheit 29 (siehe Kapitel 1.2). Daher werden, besonders bei der Entwicklung neuer Synthesemethoden für acyclische, stickstoffhaltige Verbindungen mit mehreren fortlaufenden Stereozentren, Enamide auch in Zukunft noch ein interessantes Forschungsfeld bleiben.
Die Sonografie wird als primäre Untersuchungsmethode zur Abklärung vielfältiger Krankheitsbilder eingesetzt und hat sich auch in Leitlinien etabliert. Die Rolle der Sonografie in der Geriatrie ist weniger bekannt und nicht systematisch untersucht.
Ziel der Studie war die Evaluierung der Sonografie als routinemäßig eingesetztes Verfahren und erweiterte körperliche Untersuchung bei geriatrischen Patienten in der medizinischen Akutversorgung. Alle sogenannten geriatrischen Assessments und auch die Sonografie als Screening-Untersuchung erfolgten unabhängig von der Symptomatik des geriatrischen Patienten. Die Befunde wurden mit einem hand-held ultrasound device (HHUSD) und einem high-end ultrasound (HEUS) erhoben und dann verglichen. Die HEUS-Ergebnisse wurden als Goldstandard angesehen. Die Untersuchungen mit HEUS erfolgten meist zu einem späteren Zeitpunkt als mit HHUSD; in der Regel in einem Zeitraum von bis zu sieben Tagen.
Es handelt sich um eine prospektive Studie, die 86 Patienten in einem Zeitraum von 10 Monaten eingeschlossen hat. Die Untersucherin und Doktorandin stellte Folgendes dar: Das Abdomen und die basalen Abschnitte des Thorax sowie die Schilddrüse. Zusätzlich erfolgte eine elastografische Untersuchung der Leber mittels FibroScan.
Die Ultraschalluntersuchung war bei 22/86 (25,6 %) Patienten aufgrund der Symptomatik indiziert und erfolgte bei 64/86 (74,4 %) Patienten als Screening, also ohne klinische Fragestellung. Die Indikationen der Untersuchungen waren: Tumorsuche (8/86 (9,3 %)), Anämie (5/86 (5,8 %)), Leberwert-Erhöhung (5/86 (5,8 %)), Dyspnoe (5/86 (5,8 %)), Frage nach Milzpathologien (2/86 (2,3 %)), Gewichtsverlust (1/86 (1,2 %)), Infektfokussuche (1/86 (1,2 %)), Durchfall (1/86 (1,2 %)), Frage nach intraabdominalem Hämatom (1/86 (1,2 %)) und Kontrolle bei bekanntem Bauchaortenaneurysma (1/86 (1,2 %)). Bei einigen Patienten kamen mehrere Fragestellungen vor.
Die Befunde, die am häufigsten gefunden wurden, waren: Cholezystolithiasis (28/86 (32,6 %); mit HHUSD 5 falsch negative Ergebnisse), rechtsseitiger Pleuraerguss (27/86 (31,4 %); 5 falsch positive Ergebnisse mit HHUSD), Schilddrüsenknoten (26/86 (30,2 %); 2 falsch negative und 1 falsch positiver Befunde mit HHUSD), Nierenzysten (24/86 (27,9 %); 6 falsch negative Ergebnisse mit HHUSD) und Fettleber (23/86 (26,7 %); 3 falsch negative Befunde mit HHUSD). Von 64/86 (74,4 %) untersuchten Patienten ergab sich bei 8/86 (9,3 %) eine therapeutische Konsequenz. Die wichtigsten Befunde, die mit HHUSD übersehen wurden waren: 2 zystische Formationen im Pankreas (2/86 (2,3 %); mit HEUS insgesamt (6/86 (7,0 %)), eine Lebezirrhose (mit HEUS 2/86 (2,3 %)), eine Choledocholithiasis (1/86 (1,2 %); mit HEUS 2/86 (2,3 %)) und ein Lungeninfiltrat (1/86 (1,2 %); mit HEUS 2/86 (2,3 %)). Alle übersehenen Befunde hatten keine dringende therapeutische Konsequenz, so dass die point of care Sonografie (POCUS) hier ausreichend war, um die „ja/nein“-Fragen zu klären.
Bei 65/86 (75,6 %) Patienten war eine Messung der Lebersteifigkeit mittels FibroScan erfolgreich.
Es gab keine Interobserver-Variabilität. Die Untersucherin war eine Fachärztin für Innere Medizin aber keine DEGUM-ausgebildete Ultraschallerin.
Insgesamt zeigte sich eine ausreichende bis gute Übereinstimmung der erhobenen Befunde zwischen HHUSD und HEUS. Die POCUS-Untersuchung lieferte in den meisten Fällen eine Antwort auf die häufigsten Fragestellungen in der Geriatrie (wie Hydratationsstatus, Harnverhalt). Weiterhin konnte die Behandlung bei zufällig gescreenten Patienten optimiert werden. Zur Bestimmung der Organgröße konnte ebenfalls eine gute Korrelation der beiden Geräte festgestellt werden, so dass sich die alleinige Untersuchung mit HHUSD in diesen Fällen ausreichend gezeigt hätte. Ein routinemäßiger Einsatz der Sonografie in der Geriatrie muss in weiteren Studien untersucht werden. Da es sich bei geriatrischen Patienten um multimorbide Patienten mit entsprechend angepassten therapeutischen Zielen handelt, hatten mehrere der erhobenen Befunde in dieser Studie zum Zeitpunkt der geriatrischen Behandlung keine therapeutische Konsequenz.
Im Mittelpunkt der Studie steht die Überprüfung der Wirksamkeit der Fortbildungs¬reihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten, die von der Verfasserin konzipiert und hessenweit für Lehrpersonen aller Schulformen angeboten wurde. Bislang sind kohärente Konzepte zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten oder zur individuellen Förderung zumindest nicht weit verbreitet. Das Erkenntnisinteresse der vorliegenden Studie war daher auf die Frage gerichtet, ob sich durch eine dieser Art konzipierten Fortbildungsreihe tatsächlich die Nutzung ausgewählter Prinzipien, Instrumente und Verfahren sowie die Selbstwirksamkeitserwartungen bezüglich der Steuerung und Unterstützung von Lernprozessen verändern und beeinflussen lassen. Diese Fragestellung kann aufgrund der empirischen Daten bejaht werden.
Als wichtige Voraussetzung für den Erfolg der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten kann die in den formativen Evaluationen ermittelte Akzeptanz der Fortbildung und der Fortbildungsinhalte angesehen werden. Sie bildet die Grundlage für Veränderungsprozesse, die sich messbar insbesondere in der Follow-Up-Erhebung in der Zunahme der Nutzung von Prinzipien, Instrumente und Verfahren und in den Selbstwirksamkeitserwartungen der Lehrpersonen niederschlagen. Dieser Veränderungsprozess kann als bemerkenswert bezeichnet werden, da in den formativen Evaluationen die Frage nach der Nutzung und Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht stets durch niedrigere Zustimmungswerte gekennzeichnet war und damit das Zutrauen und die Überzeugung in den persönlichen Veränderungsprozess zurückhaltend war im Vergleich zu den Zustimmungswerten zu den Inhalten der Fortbildungsreihe sowie zu deren Sinnhaftigkeit.
Akzeptanz, Zustimmung und die Einsicht in die Sinnhaftigkeit sowie die Überzeugung der Umsetzbarkeit im eigenen Unterricht können als Schlüsselelemente für die Veränderung der Handlungskompetenz von Lehrpersonen gesehen werden und stehen in Übereinstimmung mit entsprechenden Befunden der Conceptual-Change-Forschung. Damit konnte ein wesentliches Element erfolgreicher, da wirksamer Fortbildung insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung empirisch belegt. Diese sollte nach ca. einem halben Jahr nach dem Ende der Fortbildungsreihe Aufschluss über die Nachhaltigkeit der Wirkung der Fortbildungsinhalte erbringen. Einschränkend soll hier jedoch auf die Reduktion der Stichprobe hingewiesen werden: Waren es zum 1.MZP 422 Lehrpersonen (270 FG, 152 KG), die an der Erhebung teilgenommen haben, waren es zum 2.MZP noch 347 Lehrpersonen (229 FG, 118 KG) und zum 3. Messzeitpunkt nur 172 Lehrpersonen (101 FG, 71 KG).
Insbesondere die durch die Fortbildungsreihe erzielten positiven Veränderungen der Selbstwirksamkeitserwartungen unterstreichen den Forschungsstand zu deren Bedeutung für nachhaltige Veränderung des Unterrichtshandelns von Lehrpersonen aller Schulformen. Von besonderem Interesse für die Konzeptualisierung von Lehrerfortbildungen erscheint der Zusammenhang zwischen der Vermittlung von Wissen und den Selbstwirksamkeitserwartungen. Aufgrund von Forschungsbefunden kann angenommen werden, dass ohne die Überzeugung und die Zuversicht, das erworbene Wissen erfolgreich im eigenen Unterricht umsetzen und in Handlungskompetenz überleiten zu können, keine Veränderungsprozesse und Lernen ausgelöst und ermöglicht werden. Dieser Zusammenhang sollte stärker in weiteren Studien überprüft werden, um Lehrpersonen künftig gezielter für und auf Veränderungen im Unterrichtshandeln vorbereiten und unterstützen zu können. Desweiteren gilt es, die Anleitung der Lehrpersonen zur Reflexion ihres Unter¬richtshandelns genauer in den Blick zu nehmen. Nach dem kompetenztheoretischen Ansatz von Baumert und Kunter (2006) und entsprechenden Forschungsbefunden kann die Selbstreflexion als ein wesentlicher Faktor für Veränderungsprozesse und vor allem für die Selbstwirksamkeitserwartungen angenommen werden. In der Fortbildungsreihe zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten wurden die Lehrpersonen jeweils zu Beginn jeder Veranstaltung zur Reflexion angeleitet über die umgesetzten Fortbildungsinhalte sowie deren Wirkung auf die Schülerinnen und Schüler. Hierzu sind weitergehende Forschungen wünschenswert, um auf der Grundlage entsprechender Befunde wirksame Fortbildungsangebote gestalten zu können.
Weiterer Klärungsbedarf besteht hinsichtlich der Implementation von Fortbil¬dungsinhalten in die Unterrichtspraxis. In der vorliegenden empirischen Studie konnte insbesondere durch die Follow-Up-Erhebung gezeigt werden, dass die Umsetzung und Implementation der Fortbildungsinhalte gelungen zu sein scheint und die Verbesserung der Nutzung von Prinzipien, Instrumenten und Verfahren zum förder- und kompetenzorientierten Unterrichten sowie die Steigerung der Selbstwirksamkeitserwartungen erkennbar sind. Dabei gilt als einschränkend zu bedenken, dass es sich bei den erhobenen Werten um Selbstauskünfte der Teilnehmer/-innen handelt. Gleichwohl kann insbesondere der signifikante Zuwachs in den Selbstwirksamkeitserwartungen als bedeutsam eingeschätzt werden, nachdem durch Forschungsbefunde nachdrücklich darauf verwiesen wird, dass gerade Überzeugungen von Lehrpersonen schwer zugänglich und veränderbar sind.
...
Solute carrier (SLC) are related to various diseases in human and promising pharmaceutical targets but more structural and functional information on SLCs is required to expand their use for drug design and therapy. The 7-transmembrane segment inverted (7-TMIR) fold was identified for the SLC families 4, 23 and 26 in the last decade thus detailed analysis of the structure function relationship of one of these families might also yield insights for the other two. SVCT1 and SVCT2 from the SLC23 family are sodium dependent ascorbic acid transporters in human but structural analysis of the SLC23 family is exclusively based on two homologs – UraA from E. coli and UapA from A. nidulans – yielding two inward-facing and one occluded conformation. In combination with outward-facing conformations from SLC4 transporters, and additional information from the SLC26 family, an elevator transport mechanism for all 7-TMIR proteins was identified but detailed mechanistic features of the transport remain elusive due to the lack of multiple conformations from individual transporters.
To increase the understanding of 7-TMIR protein structure and function in this study, the transport mechanism of SLC23 transporters was analyzed by two strategies including selection of alpaca derived nanobodies and synthetic nanobodies against UraA as prokaryotic model protein of the SLC23 family. The second strategy involved mutagenesis of UraA at functional relevant positions regarding the conformational change during transport. Therefore, available structures of 7-TMIR proteins and less related elevator transporters were analyzed and a common motif identified – the alpha helical inter-domain linkers. The proposed rigid body movement for transport in combination with the characteristic alpha helical secondary structure of the linkers connecting both rigid bodies led to the hypothesis of functional relevance of the linkers and a conformational hinge being located in close proximity to the linkers. These positions were identified and used to modulate the biophysical properties of the transporter. Mutagenesis at three relevant positions led to loss of transport functionality and these UraA variants could be recombinantly produced and purified to further examine the underlying mechanistic effects. The variants UraAG320P and UraAP330G from the periplasmic inter-domain linker showed increased dimerization and thermal stability as well as substrate binding in solution. The substrate affinity of UraAG320P was identified to be 5-fold higher compared to the wildtype. The solvent accessibility of the substrate binding site in UraAG320P and UraAP330G revealed reduced open probability that indicated an altered conformational space compared to UraAWT. This phenomenon was analyzed in more detail by differential hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry and the results supported the hypothesis of a reduced open probability and gave further insights into the impact of the two mutations in the periplasmic inter-domain linker in UraA.
This thesis further presents strategies for phage display selection of nanobodies with epitope bias and a post selection analysis pipeline to identify nanobodies with desired binding characteristics. Thereby, whole cell transport inhibition highlighted periplasmic epitope binders and conformational selectivity. A cytoplasmic epitope could be identified by pulldown with inside-out membrane vesicles for one cytoplasmic side binder. Thermal stabilization analysis of the target protein in differential scanning fluorometry was performed in presence of two different nanobodies to identify simultaneous binding by additional thermal stabilization respectively competition by intermediate melting temperatures. Combination of epitope information with simultaneous DSF could be used to identify the stabilization of different UraA conformations by a set of binders and presents a general nanobody selection strategy for other SLCs. Synthetic nanobodies (sybodies) were also included in the analysis pipeline and Sy45 identified as promising candidate for co-crystallization that gave rise to UraAWT crystals in several conditions in presence or absence of uracil. Similar crystals could be obtained in combination with UraAG320P that were further optimized to gain structural information on this mutant. The structure was solved by molecular replacement and the model refined at 3.1 Å resolution confirming the cytoplasmic epitope of Sy45 as predicted by the selection pipeline. The stabilized conformation was inward-facing similar to the reported UapA structure but significantly different to the previously reported inward-facing structure of UraA. The structure further confirmed the structural integrity of the UraA mutant G320P. Despite the monomeric state of UraA in the structure, the gate domain aligned reasonably well with the gate domain of the previously published dimeric UraA structure in the occluded conformation and allowed detailed analysis of the conformational transition in UraA from inward-facing to occluded by a single rigid body movement. Thereby little movement in the gate domain of UraA was observed in contrast to a previously reported transport mechanism. Core domain rotation around a rotation axis parallel to the substrate barrier was found to explain the major part of conformational transition from inward-facing to occluded and experimentally supported the hypothesized mechanism by Chang et al. (2017). Additionally, the conformational hinge around position G320 in UraA could be identified as well as the impact of the backbone rigidity introduced by the highly conserved proline residue at position 330 in UraA on the conformational transition. This position was found to serve as anchoring point the inter-domain linker and determines the coordinated movement of inter-domain linker and core domain. The functional analysis further highlighted the requirement of alpha helical secondary structure within the inter-domain linker that serves as amphipathic structural entity that can adjust to changed core-gate domain distances and angles during transport by extension/compression or bending while preserving the rigid linkage.
The applied strategies to modulate the conformational space of UraA by mutagenesis at the hinge positions in the inter-domain linkers is transferrable to other transporters and might facilitate their structural and functional characterization.
Further, this study discusses the conformational thermostabilization of UraA that is based on increased melting temperatures upon restriction of its conformational freedom. The term ‘conformational thermostabilization’ introduced by Serrano-Vega et al. (2007) could be experimentally supported and the direct correlation between the conformational freedom and thermostabilization was qualitatively analyzed for UraA. The concept of conformational thermostabilization might help in characterization of other dynamic transport systems as well.
Climate controls the broad-scale distribution of vegetation and change in climate will alter the vegetation distribution, biome boundaries, biodiversity, phenology and supply of ecosystem services. A better understanding of the consequences of climate change is required, particularly in under-investigated regions such as tropical Asia, i.e., South and South-east Asia, which is a host to 7 of the 36 global biodiversity hotspots. Conservation strategies would also require an in-depth understanding of the response of vegetation to climate change. Therefore, the main objective of this thesis was to investigate the impact of climate change and rising CO2 vegetation in tropical Asia. Dynamic global vegetation model (DGVMs) are the well-known tools to investigate vegetation-climate interactions and climate change impacts on ecosystems. In this thesis, I used a complex trait-based DGVM called adaptive dynamic vegetation model version 2 (aDGVM2).
In Chapter 1, I presented a brief background of the phytogeography and discussed the exiting knowledge gap on vegetation-climate interactions in the region. One major disadvantage for available DGVMs studies for the tropical Asia is that most of them have used fixed plant functional types (PFTs) and do not explicitly represent the distinct varieties of vegetation type of the region such as Asian savannas. In Chapter 2, I discussed at great length to improve DGVMs for South Asia and discussed ways to include them in the model for better representation of region vegetation-climate interaction.
I upgraded the current version of aDGVM2 and added a new vegetation type i.e., C3 grasses, and modified the sub-module to simulate photosynthesis for each individual plants to aDGVM2. In chapter 3, I used this updated version of aDGVM2 to simulate the current and future vegetation distribution in South Asia under RCP4.5 and RCP8.5 (RCP: representative concentration pathway). The model predicted an increase in biomass, canopy cover, and tree height under the presence of CO2 fertilization, which triggered transitions towards tree-dominated biomes by the end of the 21st century under both RCPs. I found that vegetation along the Western Ghats and the Himalayas are more susceptible to change due to climate change and open biomes such as grassland and savanna are prone to woody encroachment.
In Chapter 4, the study domain was extended to include South-east Asia to verify if the model configuration used in Chapter 3 can also simulate vegetation patterns in tropical Asia. The aDGVM2 simulations showed a robust trend of increasing vegetation biomass and transitions from small deciduous vegetation to taller evergreen vegetation across most of tropical Asia. Shifts in plant phenology also affect ecosystem carbon cycles and ecosystem feedback to climate, yet the quantification of such impacts remains challenging. The study showed increased biomass due to CO2 fertilization, indicates that the region can remain a carbon sink given there is no other resource limitation. However, nutrient limitations on CO2 fertilization effects were not included in the study, and carbon sink potential has to be seen with caution.
In Chapter 5, I focused on Asian savannas, which have been mismanaged since the colonial era due to misinterpretation as a degraded forest. I proposed a biome classification scheme to distinguish between degraded forest or woodland and savanna based on the abundance of grass biomass and canopy cover. I found that considering vegetation systems as woodland or degraded forest could easily be mistaken as a potential for forest restoration within a tree-centric perspective. This would put approximately 35% to 40% of a unique savanna biome at risk. Although projected woody encroachments may imply a transition toward the forest that benefits climate mitigation. This raises potential conflicts of interest between biodiversity conservation in open ecosystems, i.e., savanna and active afforestation, to enhance carbon sequestration. Proper management strategies should be taken into account to maintain a balance for both objective
In conclusion, the model predicted that vegetation in South and South-East Asia would significantly shift towards tree-dominated biomes due to CO2-induced fertilization of C3-photosynthesis. The simulation under fixed CO2 and rising CO2 scenarios clearly showed that rising level of atmospheric CO2 is responsible for most of the predicted change in biome properties. This study is an important step towards understanding ecosystems of South and Southeast Asia, specifically savannas. The aDGVM2 can serve as tools to inform decision making for climate adaptation and mitigation for savanna. The thesis, thus contributes to our ability to improve conservation strategies to mitigate the consequences of climate change.
Die Pathophysiologie der Bandscheibendegeneration (intervertebral disc degeneration, IVDD) und ihre molekularen Mechanismen sind noch in weiten Teilen unverstanden. Ihre Ursachen und Risikofaktoren sind vielfältig und schließen unter anderem Alter, Geschlecht, Umwelteinflüsse oder mechanische Belastungen mit ein.
Für das der Bandscheibe eng verwandte Knorpelgewebe wurde in aktuellen Studien der Einfluss des Sympathikus bzw. dessen Neurotransmitters Noradrenalin (NE) via adrenerger Rezeptoren (AR) auf die Zellproliferation, die Expression von Molekülen der extrazellulären Matrix und somit auch auf die Degeneration beschrieben. In Bandscheiben wurde bereits das Vorhandensein von sympathischen Nervenendigungen nachgewiesen, allerdings wurde die Expression der Adrenozeptoren hier noch nie untersucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war also die Analyse der ARs im Gewebe der Bandscheibe und die Evaluation der Korrelation mit der Bandscheibendegeneration.
Das für die Analyse benötigte Gewebe stammt von Patienten, bei welchen eine Wirbelkörperverblockung (Spondylodese) durchgeführt wurde. Im Rahmen dieser Spondylodese wird das Bandscheibengewebe des betroffenen Segmentes entfernt. Der Degenerationsgrad der anonymisierten Proben wurde prä- und intraoperativ bestimmt und im entnommenen Gewebe sowie in isolierten Zellen die Expression aller bekannten ARs mittels reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) untersucht. Zum Nachweis der ARs auf Proteinebene wurden einzelne humane Proben auch immunhistochemisch analysiert. Des Weiteren wurde anhand von Wildtyp- und sogenannten SM/J-Mäusen, die eine spontane IVDD entwickeln, die Proteinexpression der ARs und der extrazellulären Matrix (ECM) von gesunden und geschädigten Bandscheiben an histologischen Schnitten verglichen. Schließlich wurde an isolierten und kultivierten humanen Zellen ein Stimulationsversuch mit Noradrenalin durchgeführt, um zu prüfen, ob es nach Aktivierung der ARs zu einer intrazellulären Signalweiterleitung kommt.
In Nativgewebe der humanen Bandscheibe konnte die messenger Ribonukleinsäure (mRNA) von α1a-, α1b-, α2a-, α2b-, α2c-, β1- und β2-ARs nachgewiesen werden. Nach siebentägiger Zellkultur im Monolayer präsentierte sich ein nur dezent abweichendes Genexpressionsmuster. Auf Proteinebene war das Signal des β2-AR nur im Bereich des Annulus fibrosus (AF) detektierbar jedoch nicht im Nucleus pulposus (NP). Selbiges war auch in murinen Schnitten festzustellen, wobei sich bei Wildtype (WT)-Mäusen hauptsächlich im inneren AF β2-positive Zellen fanden, während sich das Signal bei der SM/J-Maus weiter in Richtung des äußeren AF und des NP ausdehnte. α2a-AR und α2c-AR waren hingegen auf Proteinebene nicht nachweisbar. Bei der immunhistochemischen Untersuchung relevanter ECM-Moleküle zeigte sich für Kollagen II, Kollagen XII, cartilage oligomeric matrix protein (COMP) und Decorin (DCN) eine Verteilung, die mit der des β2-AR-Signals korreliert. Der Stimulationsversuch in humaner Zellkultur ergab eine Aktivierung der für die ARs relevanten Proteinkinase A (PKA)- und extracellular signal–regulated kinases (ERK1/2) -Signalwege.
In der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal die Existenz und Funktionalität von Adrenozeptoren im Bandscheibengewebe nachgewiesen werden. Unterschiede in der Expression der ARs, kombiniert mit Veränderungen der ECM-Zusammensetzung könnten ein Hinweis auf den Einfluss des Sympathikus bei IVDD sein. Die aktuelle demographische Entwicklung und die sich hieraus ergebende gesundheitsökonomische Belastung machen die Ergründung molekularer Mechanismen der IVDD und die daraus resultierende Entwicklung innovativer Behandlungsmethoden zu Kardinalfragen moderner orthopädischer Grundlagenforschung.
In the past decade, tissue-resident innate lymphoid cells (ILC) have become a central field of immunological research. ILC are a family of innate immune cells comprising cytotoxic Natural Killer (NK) cells and the non-cytotoxic helper like ILC1, ILC2 and ILC3. They mirror the functions and phenotypes of T cells, but do not require rearranged antigen-specific receptors for their rapid response to signals from injured or infected tissue. As potent cytokine producers being enriched in mucosal tissue, ILC play an essential role in tissue maintenance and regulating immunity to chronic inflammation and infection (Vivier et al., 2018). Although heterogeneity and plasticity of ILC complicates their classification, the pathophysiology of a broad variety of autoimmune and chronic inflammatory diseases have been associated with dysregulations in ILC subset distribution and functions (Dzopalic et al., 2019). This highlights their importance in human health and disease and accounts for the need for markers unambiguously describing the different ILC subtypes. This work introduces NKp65, a C-type lectin-like receptor (CTLR) encoded in the natural killer gene complex by the KLRF2 gene, as an exclusive marker for human ILC3. NKp65 expression especially discerns ILC3-like NK cell precursor from mature NK cells which express the NKp65-relative NKp80. Moreover, flow cytometric analysis of NKp65 expression aids in the demarcation of natural cytotoxicity receptor (NCR) expressing ILC3, from the closely related but functionally distinct RORt+ LTi cells and NCR- ILC3. This work further provides insights into NK cell development by in vitro differentiation studies in which NKp65 expressing cells are generated in presence of OP9 feeder cells and cytokines to support development. In such cultures, NKp65 expressing in vitro ILC (ivILC) acquire NKp80 expression in a Notch-dependent manner indicating their differentiation into mature NK cells. Acquisition of NK cell phenotypic markers is accompanied by NKp65 downregulation which leads to the mutually exclusive expression of NKp80 on NK cells and NKp65 on ILC3-like cells. Further insights are provided into the functional consequences of NKp65 engagement by its cognate high affinity ligand ‘keratinocyte-associated C-type lectin’ (KACL) which is selectively expressed on human keratinocytes (Bauer et al., 2015; Spreu et al., 2010). Expressed on ivILC, NKp65 mediates killing of KACL expressing target cells, suggesting that NKp65-KACL interaction promotes cellular cytotoxicity. In this context, the observed metalloproteinase dependent shedding of NKp65 might play a role in the termination of the cellular interaction. The findings on the regulation of NKp65 expression demonstrate the presence of a functional STAT5 response element in the KLRF2 promoter endowing a transcriptional control of NKp65 expression by IL-7 signaling. This provides an interesting link between the dependency of ILC3 on IL-7 signaling for their maintenance and the specific expression of NKp65 on these cells.
In summary, this study provides new insights into the physiologic expression of the CTLR NKp65 on human ILC3. The dependency of NKp65 surface expression on sustained STAT5 signaling provided by IL-7 underlines the connection of NKp65 expression and an ILC3 phenotype which might contribute to promote future research in discerning the interspersed pathways of ILC3 and NK cell development. The tissue and cell specific expression of NKp65 on ILC3 and its ligand KACL on keratinocytes of the human skin further suggests an important role of this genetically coupled receptor-ligand pair in tissue specific immunosurveillance.
This manuscript-based thesis is divided into four chapters. Chapter one is an introduction to lichens and the Antarctic. It introduces the goal of the thesis and the problems related with lichen systematics and the lack of knowledge about Antarctic lichens. The Antarctic is one of the last wildernesses, isolated from the other continents by the Antarctic Circumpolar Current, the Subantarctic Front, the Antarctic Polar Front, and the Drake Passage. Terrestrial life in Antarctica is restricted to widely separated and small ice-free areas that cover only 0.3% of the continent. Colonization of the Antarctic is a challenge for many taxa and is related to their ability for long-range dispersal and their adaptation to the harsh climate. Antarctic terrestrial ecosystems are significantly threatened by climate change, invasive species, and their interactions. Glacial retreat caused by higher than average temperatures exposes new habitats that can be easily colonized from local biota, but non-native species can also be favored by the new climatic conditions. In addition, propagule movement mediated by humans can introduce new species or change the population structure of many taxa. The terrestrial biota is comprised almost exclusively by “lower organisms” (invertebrates, bryophytes, algae, lichenized fungi, and microorganisms). Lichens are the dominant component, and the most important primary producers. Lichens are symbiotic associations consisting of a fungus (mycobiont) and one or more photosynthetic (photobiont) partners. They can disperse sexually or vegetatively. There are several problems related to the symbiotic nature of lichens that do not facilitate easy identification; although molecular data offers additional evidence, species delimitation in lichens is still not straightforward. The true number of species is underestimated due to the presence of cryptic species and species pairs. Recommended universal fungal barcode sequences (e. g. ITS) sometimes fail to delimit species pairs. Thus, it is necessary to identify fast-evolving markers that allow for the delimitation of closely related species before proceeding with the analysis of lichen populations. The goal of this thesis is to elucidate the so far unknown genetic structure among Antarctic lichen populations because of the immediate consequences for conservation strategies. The thesis focuses not only on patterns of differentiation and gene flow, but also investigates the question of human-mediated propagule transfer into Antarctica and among Antarctic sites. This project provides data on the genetic structure of Antarctic lichens that is urgently needed to develop conservation strategies in the face of global warming and increased human activities in the region. Due to the fact that it is not possible to apply all of the unspecific fingerprinting methods to lichens, microsatellites or simple sequence repeats (SSRs) are one of the best tools to investigate the genetic structure of lichen populations. SSRs offer the possibility to discriminate the lichen partners, but species-specific microsatellites have been developed for only a few species. Regarding the Antarctic, only one species has been studied with SSRs.
The second chapter describes new methods and tools to delimit closely related species of lichens and provides fast evolving markers to characterize their genetic structure. The chapter introduces the lichen species analysed in this thesis and the problems related to their correct identification by morphological methods and molecular data. Chapter two explains the sampling methods for lichen populations and the localities from small areas in which the species pairs occur together. Then the methods used to generate and validate fungal specific microsatellites that cross-amplify species pairs are described. This chapter focuses on the species pair Usnea antarctica and U. aurantiacoatra because they are the most common lichens in the Maritime Antarctic. An internal transcribed spacer (ITS) marker do not discriminate between these species, and some authors have suggested to synonymize them. Unpublished results from another Antarctic species pair, Placopsis antarctica and P. contortuplicata, are included to confirm the capability of SSRs to discriminate closely related lichen species. This thesis is the first study to generate SSRs that cross amplify species pairs, using BLAST to compare one genome against the other to obtain markers with the same length in flanking regions. The de novo developed SSRs are able to discriminate the two closely related species, and can detect variability at the population level. In the end of the chapter, ITS sequences, microsatellites, and SNPs are used to delimit the species of Usnea antarctica and U. aurantiacoatra. The chapter exposes the importance of a correct species delimitation and the ability of SSRs and SNPs to delimit the Antarctic Usnea species pair compared with the recommended universal fungal barcode sequence ITS. ...
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.
Duale Thrombozytenaggregationshemmung (‚dual antiplatelet therapy‘: DAPT) erhöht das Risiko für eine hämorrhagische Transformation (HT) von ischämischen Schlaganfällen nach Thrombolyse mit gewebespezifischem Plasminogenaktivator (‚tissue plasminogen activator‘: tPA). Bisherige klinische Studien waren jedoch nicht vollends eindeutig, ob diese erhöhte Blutungswahrscheinlichkeit tatsächlich zu einer schlechteren Ausgangssituation für Patienten führt. Viele sehen die initiale klinische Verschlechterung im Rahmen einer potenziellen HT durch den Nutzen der wiederhergestellten Rekanalisation verschlossener Gefäße aufgewogen. Aus diesem Grunde sollte tPA auch in Patienten angewendet werden, die einen Schlaganfall unter DAPT erleiden. Bisher sind der Pathomechanismus und die beteiligten Mediatoren der HT unverstanden. Allerdings könnte die Reduktion der tPA-assoziierten HT zu einer sichereren Anwendung der Thrombolyse beitragen und ihren Nutzen insgesamt weiter steigern. Daher war es Ziel dieser Studie, ein Schlaganfallmodell mit tPA-assoziierter HT in Mäusen unter DAPT zu etablieren, um damit erste Bewertungen therapeutischer Ansätze zur Begrenzung der HT zu ermöglichen.
Ein entscheidender Aspekt vorab war die Bestimmung der Thrombozytenfunktion in den behandelten Mäusen, um damit die Wirksamkeit der DAPT zu messen. Dies war besonders vor dem Hintergrund wichtig, dass DAPT bei Patienten unterschiedlich wirksam ist. So gibt es einen gewissen Anteil Patienten, der resistent gegenüber Aspirin und/oder anderen Thrombozytenaggregationshemmern wie Clopidogrel zu sein scheint. Daher galt es, dieses Phänomen in unserem Modell zu kontrollieren und etwaige Non-Responder zu identifizieren und gegebenenfalls auszuschließen. Dies ist bei herkömmlichen Methoden der Aggregometrie (dem Standardverfahren zur Messung der Thrombozytenfunktion und Therapieüberwachung von Thrombozytenaggregationshemmern) eine Herausforderung, da im Handel erhältliche Aggregometer Blutvolumina erfordern, die für eine Maus tödlich wären. Auch Schwanzblutungstests (sog. „tail bleeding tests“) versagen häufig, wenn sie nach einer experimentellen Schlaganfalloperation durchgeführt werden. Wir haben daher einen Durchflusszytometrie-basierten Ansatz zur Messung der in vitro Thrombozytenfunktion modifiziert, der nur geringe Blutvolumina erfordert und von uns erstmals in einem experimentellen Schlaganfallprotokoll eingesetzt wurde. Dieser zeigte eine signifikant reduzierte Thrombozytenfunktion nach DAPT mit Aspirin und Clopidogrel (ASA+CPG) an. Die Methode korrelierte gut mit Ergebnissen von zusätzlich durchgeführten Schwanzblutungstests und wird künftige präklinische Studien zur DAPT in Mäusen erleichtern. Obwohl es eine gewisse Variabilität in der Thrombozytenfunktion der behandelten Mäuse gab, identifizierten wir letztendlich keine Non-Responder.
Als nächstes zeigten wir erfolgreich, dass DAPT mit ASA+CPG in Mäusen beim experimentellen Schlaganfall zu vermehrter HT beiträgt. Wurde die DAPT mit einer tPA-Thrombolyse verbunden, erhöhte sich die HT-Rate sogar signifikant im Vergleich zu unbehandelten Mäusen mit und ohne tPA-Thrombolyse. Unser Modell kann nun genutzt werden, um die Mechanismen der HT weiter zu untersuchen. Noch wichtiger ist, dass die Einrichtung eines solchen Modells es Forschern ermöglicht, mögliche Strategien zur Minderung des Blutungsrisikos bei Patienten mit DAPT zu testen.
Zur Verringerung der HT wählten wir zwei verschiedene pharmakologische Strategien. Zunächst untersuchten wir die Reduktion der tPA Dosis, welche allerdings nicht erfolgreich vor hämorrhagischen Komplikationen schützen konnte. Danach fokussierten wir uns auf die Rolle der 12/15-Lipoxygenase (12/15-LOX) in unserem Modell. Verschiedene Vorarbeiten hatten gezeigt, dass die 12/15-LOX zum Untergang von Endothelzellen im ischämischen Gehirn beiträgt und damit wahrscheinlich eine ursächliche oder zumindest unterstützende Rolle in der Entstehung der HT hat. So wiederholten wir unsere Versuche der tPA-assoziierten HT unter DAPT in LOX-knockout Mäusen und inhibierten die 12/15-LOX pharmakologisch mit ML351. Wir zeigten erfolgreich, dass die Hemmung von 12/15-LOX in Wildtyp-Mäusen die Blutungsrate signifikant reduzierte und identifizierten die 12/15-LOX damit als geeigneten Kandidaten für weiterführende Studien zur Eindämmung sekundärer Schäden nach ischämischen Schlaganfall. Zudem wäre neben der therapeutischen, auch die prophylaktische Gabe von 12/15-LOX Inhibitoren in Hochrisikopatienten additiv zur Thrombolyse denkbar. Eine solche Blutungsprophylaxe könnte zu einer Indikationserweiterung der Lysetherapie beitragen und das funktionelle Langzeit-Ergebnis der Patienten verbessern.
Stellenwert der Teststreifen-basierten Analyse der INR für die Behandlung von Blutungskomplikationen
(2020)
Das Ziel der hier vorliegenden Studie war es einen Zusammenhang zwischen den Ergebnissen von konventioneller versus Teststreifen-basierter INR-Messung zu untersuchen und die Analysedauern der beiden Methoden zu vergleichen. Wir haben in dieser prospektiven Mono-Center Studie 24 hämorrhagische Patienten und Patientinnen inkludiert und aus infrastrukturellen Gesichtspunkten in zwei Gruppenkollektive aufgeteilt. Das eine Studienkollektiv bildeten 12 hämorrhagische Patientinnen der Klinik für Gynäkologie und Geburtshilfe des Universitätsklinikums Frankfurt. Die Blutproben dieser Patientinnen wurden mittels einem personengebundenen Transportdienst in das Zentrallabor der Universitätsklinik geliefert. Das zweite Gruppenkollektiv bildeten 12 Patienten aus dem Schockraum der zentralen Notaufnahme. Die Blutproben dieses Kollektivs wurden mittels Rohrpost direkt in das Zentrallabor übermittelt. Wir untersuchten mittels konventioneller Gerinnungsdiagnostik und mittels Teststreifen-basierter POC-Diagnostik (CoaguChek II Pro®, PT Test, Roche Diagnostics AG) die INR eines jeden Patienten. Zudem erfolgte die Erfassung von Transport- und Analysedauer. Für die Auswertung der Daten errechneten wir die Spearman-Korrelationskoeffizienten sowohl auf Gruppenebene als auch für das Gesamtkollektiv und führten eine Bland-Altman Analyse zum direkten Methodenvergleich durch.
Es zeigte sich, dass die mittels POCT ermittelte INR im Gesamtkollektiv signifikant mit den im Zentrallabor gemessenen Werten korreliert (r=0,79). Auch auf Gruppenebene zeigte sich in Gruppe 1 (Schockraum) r=0,91 und in Gruppe 2 (Kreißsaal) r=0,83 eine signifikante Korrelation. Die Bland-Altmann Analyse ergab, dass die Ergebnisse der Teststreifen-basierten POC-Methode um 0,082 (SD±0,19) niedriger waren als die Ergebnisse der konventionellen Gerinnungstests. Die Untersuchung der Analyse- und Transportzeiten brachte hervor, dass die Bereitstellungsdauer der POC-Messmethode signifikant kürzer war (2 (1,04/2,85) Minuten) als die Dauer bis zur elektronischen Ergebnisbereitstellung nach laboranalytischen Untersuchungen (58,2 (38,28/88) Minuten). Es ergab sich zudem, dass die Transportdauer mittels Rohrpost mit 8 (3,25/10,1) Minuten signifikant kürzer war als die des personengebundenen Transportdienstes 18,5 (14,5/33) Minuten (p<0,001).Die in der Studie ermittelten konsistenten Ergebnisse lassen vermuten, dass Teststreifen-basierte Systeme als Methoden zur Notfalldiagnostik hämorrhagischer Patienten geeignet sein können, weil ihre Messergebnisse verglichen mit der klassischen Gerinnungsdiagnostik im Zentrallabor deutlich schneller und mit vergleichbarer Ergebnisqualität vorliegen. Die Teststreifen-basierten Methoden können als diagnostische Elemente in Hämotherapie-Algorithmen eingesetzt werden und dazu beitragen, eine zeitnahe und zielgerichtete Hämotherapie umzusetzen, die sich positiv auf das klinische Ergebnis der Patienten auswirken kann.
Hintergrund
Obwohl Feedback ein wichtiges und gut untersuchtes Element der medizinischen Ausbildung darstellt, wird es trotz eines großen Bedarfs der Studierenden sowohl im Unterricht als auch in Prüfungssituationen nur selten angewendet. Die Frankfurter Medizinstudierenden beklagen besonders, dass sie zu ihren Objective Structured Clinical Examinations (OSCEs) als Abschlussprüfung im Fach Chirurgie bisher kein detailliertes Feedback erhalten. Auch die Prüfenden beklagen häufig, dass sie die Studierenden weder für herausragende Leistungen loben noch über auftretende Fehler informieren können.
Ziel dieser Arbeit ist deshalb die Erstellung und Implementierung eines strukturierten schriftlichen Feedbacks in eine bestehende OSCE-Prüfung im Fach Chirurgie, das an den Bedürfnissen sowohl der Studierenden als auch der Prüfenden orientiert ist.
Material und Methoden
Das Studiendesign war prospektiv. Im ersten Schritt wurde eine Befragung erfahrener OSCE-Prüfender durchgeführt, um zu erheben, welches Feedback sie gerne an Studierende weitergeben würden. Basierend hierauf wurde ein erster Feedbackbogen erstellt. Dieser umfasste neben vorformulierten Aussagen auch die Möglichkeit Freitextkommentare zu geben und wurde von den Prüfenden für jeden Studierenden in der Wechselzeit zwischen den OSCE-Stationen ausgefüllt. Die Feedbackbögen wurden anschließend eingescannt und per E- Mail an die Studierenden geschickt. Im Anschluss hieran erfolgte eine webbasierte Befragung der Studierenden und der OSCE-Prüfenden, sowie eine tiefergehende Befragung der Studierenden in Form von Fokusgruppen- Interviews.
Basierend auf den Ergebnissen der Umfragen und der Fokusgruppen wurden die Feedbackbögen nochmals grundlegend überarbeitet und im folgenden OSCE erneut angewendet. Die Zufriedenheit der Prüfenden und Studierenden wurde analog zur ersten Befragung erhoben.
Ergebnisse
Insgesamt nahmen 351 Studierende und 51 Prüfende in beiden OSCEs an der Studie teil. In der abschließenden Online-Evaluation gaben 87,5% der Studierenden und 91,6% der Prüfenden an, dass sie zustimmen oder eher zustimmen, dass das schriftliche Feedback in zukünftigen OSCE-Prüfungen weiterhin angewendet werden soll. Mehr als 50% der Studierenden gaben jedoch an, dass das Feedback noch nicht konkret genug sei.
Mehr als ein Viertel der Prüfenden gab an, dass das Ausfüllen der Feedbackbögen zeitlich herausfordernd sei. In allen Fokusgruppen wurde das schriftliche Feedback durch die Studierenden befürwortet.
Schlussfolgerung
Die Implementierung eines strukturierten schriftlichen Feedbacks in einen OSCE ist problemlos möglich. Das schriftliche Feedback wird sowohl von den Prüfenden als auch von den Studierenden als nützlich empfunden.
Die Forschung beschrieben in dieser Dissertation ist ein Teil der "European Research and Innovation Programme - PEARRL", und wurde von Horizon 2020 Marie Sklodowska-Curie actions der Europäischen Union, unter Förderungsnummer 674909 unterstützt.
In den letzten Jahren, wurde Senkung der Intensität der pharmazeutischen Forschung und Entwicklung beobachtet, da die Weiterentwicklung der Wirkstoffmolekülen hinzu einer "handlichen" Formulierung viele Schwierigkeiten aufweist. Meiste der neuen Wirkstoffkandidaten, die sich in Entwicklung befinden, haben suboptimale Eigenschaften in Bezug zur Löslichkeit und Auflösung und zeigen schlechte Bioverfügbarkeit, wenn eingenommen. Deswegen verlangen meiste neue Wirkstoffkandidate einen besonderen Ansatz in Bezug auf Formulierung, um akzeptable orale Bioverfügbarkeit zu erreichen. Diese neue Formulierungen werden meistens als “bio-enabling” Formulierungen bezeichnet und werden in Heilmittelentwicklung immer häufiger verwendet.
Hauptziel dieser Dissertation ist zu erforschen ob, durch Verbinden von biorelevanten in vitro Werkzeugen mit in silico Modeling und Simulationen, die in vitro Löslichkeit und Auflösung von bio-enabling Formulierungen mechanistisch erkläert und besser verstanden werden kann und somit eine erfolgreiche Simulation von in vivo Leistung erreicht werden kann.
Als Erstes wurden die physiologische Parameter, die die pharmakokinetik oraler Formulierungen beeinflüssen, identifiziert, indem die Auswirkung der Wirkstoffe, die zur Behandlung Magen-Darm-Krankheiten genutzt werden, sowie deren Pharmakokinetik, beurteilt wurde. Unter anderem wurde pH als einer der entscheinenden phyisiologischen Parameter erkannt, da es die Pharmakokinetik peroral verabreichter Stoffe signifikant beeinflüssen kann.
Als zweiter Schritt, mit besonderer Beachtung auf die Verwendung der biorelevanten in vitro Werkzeugen für die Erforschung der in vivo Auflösungsprozesse von bio-enabling Formulierungen, Fokus auf die biorelevante Medien und in vitro Apparaturen, die mögliche Prezipitationskinetik einschätzen können, wurde gesetzt. Biorelevante Medien sind wässrige Flüssigkeiten, die die Zusammensetzung der gastrointestinaler Flüssigkeiten nachmachen und für die Auflösungsuntersuchungen genutzt werden. Bis heute beinhalten die Aspirationsstudien die wichtigsten Hinweise und Informationen für den Design biorelevanter Medien. Es wurde beobachtet, dass die berichteten Werte mancher phyisiologisher Parameter erhebliche Unterschiede zwischen den Aspirationsstudien zeigen. Deswegen wurde untersucht, ob die Ergebnisse durch die Auswahl an Methodologie, die für die Entnahme und die Auswertung der Proben genutzt worden sind, beeinflusst werden können, wobei besondere Aufmerksamkeit den pH und der Pufferkapazität geschenkt wurde. Es wurde gezeigt, dass Unterschiede im Prozess der Probenhandhabung, z.B. Zentrifugieren und Lagerung einen deutlichen Einfluss auf die gemessenen Werte haben kann. Ausserdem, wurden in dieser Arbeit die in vitro Setups, die bisher in der Literatur zur Beurteilung der Übersättigung u.o. Ausfällung von Arzneimitteln im oberen Magen-Darm-Trakt vorgeschlagen wurden, überprüft und ihre Nützlichkeit und aktuelle Anwendung bewertet.
Nach Behebung der oben genannten Probleme, wurden zwei Fallbeispielformulierungen ausgewählt, um die Haupthypothese zu untersuchen. Die erste Formulierung ist auf den Markt unter dem Namen EMEND® und enthält den Wirkstoff in Nanoform. Die zweite Formulierung wird als INTELENCE® vermarktet und ist eine amorphe feste Dispersion des Wirkstoffs Etravirin. Durch die Wahl zwei unterschiedlicher Formulierungsansätzen konnten unterschiedliche Fallszenarien untersucht werden, wodurch umfassendere Vorschläge für die Bewältigung der Herausforderungen bei in vitro Experimenten und in silico Modelling mit bio-enabling Formulierungen möglich waren.
Bezogen auf den in dieser Dissertation beschriebenen Ansatz, ein mechanistisches Verständnis des in vivo Absorptionsprozesses, sowie eine erfolgreiche Simulation der nach der Verabreichung resultierenden Plasmaprofile einer bio-enabling-Formulierung der Nanoskala- und einer amorphen festen Dispersion wurde erreicht. Darüber hinaus wurden mögliche Wege vorgeschlagen, um einige Herausforderungen im Hinblick auf die Entwicklung von PBPK-Modellen für biofähige Formulierungen anzugehen. Diese Arbeit zeigt die mögliche Anwendung und Bedeutung der Absorptionsmodellierung für die rationale Formulierungsentwicklung und für die Stärkung des Wissens über Bio-Heilmittel in Bezug auf bio-enabling Formulierungen. Mithilfe dieses Ansatzes können die wesentlichen Parameter identifiziert werden, die das pharmakokinetische Verhalten schwerlöslicher Wirkstoffe beeinflussen, die als bio-enabling Formulierungen formuliert sind, und ermöglichen wiederum eine robuste Vorhersage der klinischen Ergebnisse.
Natural science is only just beginning to understand the complex processes surrounding transcription. Epitranscriptional regulation is in large parts conveyed by transcription factors (TFs) and two recently discovered small RNA (smRNA) species: microRNAs (miRNAs) and transfer RNA fragments (tRFs). As opposed to the fairly well-characterised function of TFs in shaping the phenotype of the cell, the effects and mechanism of action of smRNA species is less well understood. In particular, the multi-levelled combinatorial interaction (many-to-many) of smRNAs presents new challenges to molecular biology. This dissertation contributes to the study of smRNA dynamics in mammalian cells in several ways, which are presented in three main chapters.
I) The exhaustive analysis of the many-to-many network of smRNA regulation is reliant on bioinformatic support. Here, I describe the development of an integrative database capable of fast and efficient computation of complex multi-levelled transcriptional interactions, named miRNeo. This infrastructure is then applied to two use cases. II) To elucidate smRNA dynamics of cholinergic systems and their relevance to psychiatric disease, an integrative transcriptomics analysis is performed on patient brain sample data, single-cell sequencing data, and two closely related in vitro human cholinergic cellular models reflecting male and female phenotypes. III) The dynamics between small and large RNA transcripts in the blood of stroke victims are analysed via a combination of sequencing, analysis of sorted blood cell populations, and bioinformatic methods based on the miRNeo infrastructure. Particularly, importance and practicality of smRNA:TF:gene feedforward loops are assessed.
In both analytic scenarios, I identify the most pertinent regulators of disease-relevant processes and biological pathways implicated in either pathogenesis or responses to the disease. While the examples described in chapters three and four of this dissertation are disease-specific applications of miRNeo, the database and methods described have been developed to be applicable to the whole genome and all known smRNAs.
A Large Ion Collider Experiment (ALICE) is one of the four large experiments at the Large Hadron Collider (LHC) at the European Organization for Particle Physics (CERN). ALICE focuses on the physics of the strong interaction and in particular on the Quark-Gluon Plasma. This is a state of matter in which quarks are de-confined. It is believed that it existed in the earliest moments of the evolution of the universe. The ALICE detector studies the products of the collisions between heavy-nuclei, between protons, and between protons and heavy-nuclei. The sub-detector closest to the interaction point is the Inner Tracking System (ITS), which is used to measure the momentum and trajectory of the particles generated by the collisions and allows reconstructing primary and secondary interaction vertices. The ITS needs to have an accurate spatial resolution, together with a low material budget to limit the effect of multiple scattering on low-energetic particles to precisely reconstruct their trajectory. During the Long Shutdown 2 (2019-2020) of the LHC, the current ITS will be replaced by a completely redesigned sub-detector, which will improve readout rate and particle tracking performance especially at low-momentum.
The ALice PIxel DEtector (ALPIDE) chip was designed to meet the requirements of the upgraded ITS in terms of resolution, material budget, radiation hardness, and readout rate. The ALPIDE chip is a Monolithic Active Pixel Sensor (MAPS) realised in Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technology. Sensing element, analogue front-end, and its digital readout are integrated into the same silicon die. The readout architecture of the new ITS foresees that data is transmitted via a high-speed serial link directly from the ALPIDE to the off-detector electronics. The data is transmitted off-chip by a so-called Data Transmission Unit (DTU) which needs to be tolerant to Single-Event Effects induced by radiation, in order to guarantee reliable operation. The ALPIDE chip will operate in a radiation field with a High-Energy Hadron peak flux of 7.7·10^5 cm^-2s^-1.
The data are sent by the ALPIDE on copper cables to the readout system, which aggregates them and re-transmits them via optical fibres to the counting room. The position where the readout electronics will be placed is constrained by the maximum transmission distance reasonably achievable by the ALPIDE Data Transmission Unit and mechanical constraints of the ALICE experiment. The radiation field at that location is not negligible for its effects on electronics: the high-energy hadrons flux can reach 10^3 cm^-2s^-1. Static RAM (SRAM)-based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are favoured over Application Specific Integrated Circuits (ASICs) or Radiation Hard by Design (RHBD) commercial devices because of cost effectiveness. Moreover, SRAM-based FPGAs are re-configurable and provide the data throughput required by the ITS. The main issue with SRAM-based FPGAs, for the intended application, is the susceptibility of their Configuration RAM (CRAM) to Single-Event Upsets: the number of CRAM bits is indeed much higher than the logic they configure. Total Ionizing Dose (TID) at the readout designed position is indeed still acceptable for Component Off The Shelf (COTS), provided that proper verification is carried out.
This dissertation focuses on two parts of the design of the readout system: the Data Transmission Unit of the ALPIDE chip and the design of fundamental modules for the SRAM-based FPGA of the readout electronics. In the first part, a module of the Data Transmission Unit is designed, optimising the trade-off between power consumption, radiation tolerance, and jitter performance. The design was tested and thoroughly characterised, including tests while under irradiation with a 30 MeV protons. Furthermore the Data Transmission Unit performance was validated after the integration into the first prototypes of ITS modules. In the second part, the problem of developing a radiation-tolerant SRAM-based FPGA design is investigated and a solution is provided. First, a general methodology for designing radiation-tolerant Finite State Machines in SRAM-based FPGAs is analysed, implemented, and verified. Later, the radiation-tolerant FPGA design for the ITS readout is described together with the radiation effects mitigation techniques that were selectively applied to the different modules. The design was tested with multiple irradiation tests and the results are stated below.
This Ph.D. thesis demonstrates i) the highly precise performance of refined and new analytical setups for clumped isotope analysis (Δ47 and Δ48) and ii) the applicability of clumped isotope analyses to biogenic and abiogenic carbonated apatite (Δ47) and abiogenic carbonates (Δ47 and Δ48) for research related to paleothermophysiology and paleoclimatology, whereas the overall analytical precision has been increased.
A comprehensive Δ47 dataset with 122 replicate analyses is provided from which the temperature dependence of Δ47 for (bio)apatite (Δ47-1/T2) is calculated between 1 °C and 80 °C. The temperature dependence of oxygen isotope equilibrium fractionation between carbonated synthetic apatite and water (1,000ln(αCHAP-H2O)) is experimentally determined. When applied to tooth enameloid from a modern Greenland shark (Somniosus microcephalus), a Late Miocene megatooth shark (Carcharodon megalodon), and an Upper Cretaceous Tyrannosaurus rex, reconstructed Δ47-based temperatures and δ18OH2O are in line with previously published data.
An analytical setup for highly precise clumped isotope analysis is described that allows for the simultaneous measurement of ∆47 and ∆48 in CO2 with external reproducibilities close to the respective shot-noise limits. The analyte gases originate from pure carbonates that were digested in hypersaturated orthophosphoric acid and purified using a fully automated device. Δ47 data sets with 117 replicate analyses in total on 22 pedogenic carbonate nodules from two Spanish Middle Miocene sections reveal the continental Southern European thermal structure during the end of the Middle Miocene Climatic Optimum (MCO) and the complete Middle Miocene Climatic Transition (MMCT; from 15.33 to 12.98 Ma).
The $p$-adic section conjecture predicts that for a smooth, proper, hyperbolic curve $X$ over a $p$-adic field $k$, every section of the map of étale fundamental groups $\pi_1(X) \to G_k$ is induced by a unique $k$-rational point of $X$. While this conjecture is still open, the birational variant in which $X$ is replaced by its generic point is known due to Koenigsmann. Generalising an alternative proof of Pop, we extend this result to certain localisations of $X$ at a set of closed points $S$, an intermediate version in between the full section conjecture and its birational variant. As one application, we prove the section conjecture for $X_S$ whenever $S$ is a countable set of closed points.
Fokale idiopathische Dystonien stellen die häufigste Dystonieform im Erwachse-nenalter dar. Die Pathophysiologie dieser Erkrankungsgruppe ist weitestgehend unverstanden, wobei die Basalganglien, der Thalamus und das Cerebellum eine zentrale Rolle in der Genese dystoner Bewegungen zu spielen scheinen. Unklar ist, ob Patienten mit fokaler idiopathischer Dystonie mikrostrukturelle Verände-rungen in den oben genannten Arealen aufweisen, die das Störungsbild bedingen könnten.
In dieser Arbeit wurde mittels Methoden der quantitativen Magnetresonanztomographie (qMRT) der Versuch unternommen, Änderungen von Struktur und Eigenschaften des Hirngewebes bei idiopathischen Dystonien im Vergleich zu einer gesunden Kontrollkohorte zu identifizieren. Vorangegangen bildgebende Studien erbrachten bislang widersprüchliche Ergebnisse. Insbesondere der Frage nach möglichen Veränderungen des Eisengehaltes sollte mittels Messung der T2*-Re-laxationszeit nachgegangen werden. Weiterhin wurden Areale der motorischen Kontrolle (Basalganglien, Thalamus, Cerebellum und zerebraler Kortex) auf mög-liche Volumenveränderungen untersucht.
Insgesamt wurden 30 Patienten mit fokaler idiopathischer Dystonie sowie 30 alters- und geschlechtsgematchte Kontrollprobanden mittels multimodaler qMRT untersucht und Parameterkarten für die T1- und T2/T2*-Relaxationszeiten sowie der Protonendichte berechnet. Die Parameterkarten wurden sowohl voxelweise als auch regionenbasiert mit der Frage nach Dystonie-spezifischen Veränderungen statistisch ausgewertet. Zusätzlich erfolgte eine Subgruppenanalyse der ge-nannten Parameter von 17 Patienten mit zervikaler Dystonie im Vergleich zu ei-ner verkleinerten Kontrollgruppe.
Für keinen der untersuchten qMRT-Parameter konnte in der voxelweisen oder der regionenbasierten Analyse signifikante Gruppenunterschiede zwischen Patienten mit fokaler idiopathischer Dystonie und gesunden Kontrollprobanden nachgewiesen werden (p ≥ 0,05). Auch unterschieden sich die untersuchten Hirnregionen nicht hinsichtlich ihres Volumens (p ≥ 0,31). Ebenfalls ausschließlich negative Ergebnisse ergab die Subgruppenanalyse für Patienten mit zervikaler Dystonie (Gewebeparameter p ≥ 0,05, Volumen p ≥ 0,21).
Somit fanden sich entgegen der ursprünglichen Hypothese keine mittels qMRT detektierbaren krankheitsspezifischen mikrostrukturellen Gewebeveränderungen bei Patienten mit fokaler idiopathischer Dystonie. Unter Berücksichtigung der me-thodischen Limitationen und der kleinen Fallzahl ergaben sich keine Hinweise auf Dystonie-assoziierte neurodegenerative Prozesse, erhöhte Eisenablagerungen, Demyelinisierung oder Veränderungen des Wassergehaltes. Die Ergebnisse dieser Studie sind kompatibel mit der Sichtweise, dass idiopathische Dystonien am ehesten aufgrund einer reinen neurofunktionellen Netzwerkstörung der Ba-salganglien und deren kortikalen sowie cerebellären Projektionsareale entstehen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass sehr kleine, feingewebliche Veränderungen, die unterhalb des Auflösungsvermögens der hier verwendeten Bildge-bungsmethode liegen, nicht sicher ausgeschlossen werden können. Weitere quantitativ histologische Untersuchungen in Kombination mit quantitativ bildgebenden Verfahren werden benötigt, um die Pathophysiologie dieser Erkrankungsgruppe besser verstehen zu können.
Suspected Blood Indicator (SBI) ist ein Modus in der RAPID® Reader 6 Software des Kapselendoskopie (KE) Systems, PillCam® SB2 (Given Imaging Ltd., seit 2015 Medtronic GmbH), welcher den Behandler bei der Auffindung potenzieller Dünndarmblutungen unterstützt. Ziel dieser Arbeit ist es, die Sensitivität sowie die Spezifität des SBI-Modus der zweiten Kapselgeneration (PillCam® SB2) zu evaluieren.
Es handelt sich um eine retrospektive Studie, bei der KE-Aufnahmen von insgesamt 199 Patienten, die sich in der Zeit von Juni 2008 bis März 2013 in der Universitätsklinik Frankfurt einer KE-Untersuchung unterzogen hatten, beurteilt wurden. Die Aufnahmen wurden von erfahrenen Behandlern konventionell durchgesehen und auf blutende sowie potenziell blutende Läsionen untersucht. Gleichzeitig wurden die SBI-Markierungen in diesen Aufnahmen von einem unabhängigen Mitarbeiter gezählt und die Ergebnisse den Befunden und Diagnosen der erfahrenen Behandler gegenüberge-stellt.
Das Patientenkollektiv bestand aus 64 weiblichen und 135 männlichen Patienten (mitt-leres Alter 59 Jahre, Spannweite 12–91 Jahre). Die häufigsten Indikationen zur KE-Untersuchung waren in 97/199 Fällen eine mittlere gastrointestinale Blutung und in 50/199 Fällen eine Eisenmangelanämie. In 157/199 Fällen hatten die erfahrenen Be-handler keine Blutung feststellen können. In 137/199 Aufnahmen setzte SBI jedoch mindestens eine Markierung (durchschnittlich 18,4 Markierungen pro Aufnahme) und in 20/199 Aufnahmen gab es keine Markierung. In 13/199 Untersuchungen stellten die Behandler wenig Blut fest, SBI fand hier ebenfalls Blut und setzte durchschnittlich 36,1 Markierungen. In 29 Aufnahmen wurde von dem Behandler viel Blut festgestellt, mit durchschnittlich 46,7 Markierungen pro Aufnahme. SBI setzte Markierungen in insge-samt 179 Aufnahmen, nur in 42 davon hatten auch die erfahrenen Behandler Blutun-gen festgestellt. Alle aktiven Blutungen wurden von SBI erkannt mit einer Sensitivität von 100 % und einer Spezifität von 13 %. Bei der ROC-Analyse wurde der optimale Grenzwert für die Bestimmung einer aktiven Blutung bei 51 SBI-Markierungen (viel Blut) und bei 31 SBI-Markierungen für kleinere Läsionen (wenig Blut) festgesetzt.
Zusammenfassend kann man sagen, dass der SBI-Modus eine hervorragende Hilfe zum Ausschluss einer aktiven Blutung ist. Die hohe Sensitivität Blutungen zu erkennen, kann im Klinikalltag von weniger geübten Mitarbeitern dazu genutzt werden, Patienten oh-ne aktive Blutung schneller zu erkennen und dadurch früher entlassen zu können. Für das Auffinden aktiver Blutungsquellen oder anderer Läsionen sowie für eine genaue Diagnosestellung ist jedoch eine Inspektion der Aufnahme durch einen erfahrenen Behandler weiterhin unabdingbar.
Onkogene RAS-Mutationen zählen mit einem Vorkommen von ca. 25% zu häufigen Genmutationen in malignen Tumoren. Auch im Rhabdomyosarkom (RMS), dem häufigsten Weichteilsarkom im Kindesalter, findet sich eine hohe Rate an wiederkehrenden RAS-Signalwegmutationen. Dabei scheint ein Zusammenhang zwischen der RMS-Risikostratifizierung und dem Vorkommen von RAS-Mutationen zu bestehen. Da Hochrisiko-RMS im Vergleich zu anderen Tumorentitäten im Kindesalter immer noch mit einer unterdurchschnittlichen Prognose einhergehen, stellen RAS-Mutationen einen interessanten Angriffspunkt für eine zielgerichtete Tumortherapie dar. Hierzu soll diese Arbeit durch eine genauere Charakterisierung der Auswirkungen onkogener RAS-Gene auf das RMS beitragen. Verwendet wurden genetisch modifizierte RMS13 Zellen mit ektoper Expression der onkogenen RAS-Mutationen HRAS12V, KRAS12V oder NRAS12V. Eine bereits gut beschriebene Eigenschaft von RAS ist die Förderung der Zellproliferation. Daneben wurde auch beschrieben, dass RAS Einfluss auf den programmierten Zelltod nehmen und in Abhängigkeit vom zellulären Kontext pro- oder auch antiapoptotisch wirken kann. Daher stellte sich die Frage, welche Auswirkungen onkogene RAS-Mutationen in diesem Kontext auf Rhabdomy-osarkomzellen haben. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die ektope Expression von HRAS12V, KRAS12V oder NRAS12V in RMS13 Zellen zu einer gesteigerten Zellproliferation führt, im Hinblick auf die spontane Zelltodrate jedoch keine Veränderungen bewirkt. Damit stellt die erhöhte Proliferationsrate RAS-mutierter Rhabdomyosarkome einen wichtigen Unterschied zu entsprechenden Tumoren ohne solche Mutationen dar. Chemotherapeutika wie Etoposid und Doxorubicin, die besonders effektiv gegen hochproliferierende Zellen sind, zeigen jedoch keinen signifikanten Unterschied in ihrer Wirksamkeit gegen RMS13 Zellen in Anwesenheit von onkogenem RAS. Damit scheint ein selektives Eingreifen in die proliferationsfördernden Mechanismen nötig zu sein, um RAS-mutierte Zellen gezielt in ihrem Wachstum zu hemmen. Dies verdeutlicht die Notwendigkeit, spezifischer, gezielter Tumortherapien. Neben dem Einfluss auf das Zellwachstum wurden auch Veränderungen in der Redoxhomöostase untersucht. Bisherige indirekte Hinweise auf einen erhöhten oxidativen Stress im RMS in Anwesenheit von RAS-Mutationen können in dieser Arbeit durch den direkten Nachweis erhöhter ROS-Level in RAS-mutierten RMS13 Zellen bestätigt werden. Die akzelerierte ROS-Konzentration lässt vermuten, dass das Überleben von RMS-Zellen mit konstitutiver RAS-Aktivierung in besonderem Maße von antioxidativen Zellstrukturen abhängig sein könnte. Dies könnte sie sensibler gegenüber exogenen Stimuli machen, die zu einer weiteren Erhöhung des oxidativen Stresses führen. Als hervorzuhebendes Ergebnis zeigt diese Arbeit jedoch, dass die ektope Expression von HRAS12V, KRAS12V oder NRAS12V in RMS13 Zellen vor einem oxidativen Zelltod schützt. In Anwesenheit der RAS-Mutationen zeigen RMS13 Zellen einen signifikant geringeren Zellviabilitätsverlust gegenüber einem Eingriff in verschiedene Komponenten des antioxidativen Systems wie durch RSL3 (Glutathion-Peroxidase 4 Inhibitor), Erastin (indirekter Inhibitor der Glutathion-Synthese) oder Auranofin (Thioredoxin-Reduktase-Inhibitor). Dies steht im Gegensatz zu den Erstbeschreibungen, in denen für RSL3 und Erastin eine RAS-selektive Wirkung gezeigt wurde. Als Besonderheit kann der durch RSL3 oder Erastin hervorgerufene Zelltod der RMS13 Zellen als Ferroptose identifiziert werden. Hierbei handelt es sich um eine vor kurzem neu beschriebene Form von programmiertem, oxidativem und eisenabhängigem Zelltod. Diese Arbeit verdeutlicht somit, dass onkogene RAS-Mutationen im RMS gezielt in die Redoxregulation eingreifen, jedoch nur in bestimmten zellulären Kontexten für oxidative Stressoren zu sensibilisieren scheinen. Daneben weist diese Arbeit auch einen protektiven Effekt von onkogenem RAS gegenüber dem dualen PI3K/mTOR-Inhibitor PI-103 in RMS13 Zellen nach. Zusammengenommen deutet dies darauf hin, dass RAS selektiv Einfluss auf durch zytotoxische Stimuli hervorgerufenen Zelltod nimmt. Die Ergebnisse dieser Arbeit, insbesondere der Nachweis einer erhöhten Resistenz gegenüber oxidativen Stressoren in Anwesenheit onkogener RAS-Gene, leisten einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer zielgerichteter und selektiver RMS-Therapiestrategien.
Functional roles of COMP and TSP-4 in articular cartilage and their relevance in osteoarthritis
(2020)
Osteoarthritis (OA) is a slowly progressing disease, resulting in the degradation of cartilage and the loss of joint functionality. The cartilage extracellular matrix (ECM) is degraded and undergoes remodelling in OA progression. Chondrocytes start to express degrading proteases but are also reactivated and synthesise ECM proteins. The spectrum of these newly synthesised proteins and their involvement in OA specific processes and cartilage repair is hardly investigated.
Human articular cartilage obtained from OA patients undergoing knee replacement surgery was evaluated according to the OARSI histopathology grading system. Healthy, non-OA cartilage samples were used as controls. The expression and distribution of thrombospondin-4 (TSP-4) and the closely related COMP were analysed on the gene level by PCR and on the protein level by immunohistology and immunoblot assays. The potential of TSP-4 as a diagnostic marker was evaluated by immunoblot assays, using serum samples from OA patients and healthy individuals. The functional role of both proteins was further investigated in in vitro studies using chondrocytes isolated from femoral condyles of healthy pigs. The effect of COMP and TSP-4 on chondrocyte migration and attachment was investigated via transwell and attachment assays, respectively. Moreover, the potential of COMP and TSP-4 to modulate the chondrocyte phenotype by inducing gene expression, ECM protein synthesis and matrix formation was investigated by immunofluorescence staining and qPCR. The activation of cartilage relevant signalling pathways was investigated by immunoblot assays.
These results showed for the first time the presence of TSP-4 in articular cartilage. Its amount dramatically increased in OA compared to healthy cartilage and correlated positively with OA severity. In healthy cartilage TSP-4 was primarily found in the superficial zone while it was wider distributed in the middle and deeper zones of OA cartilage. The amount of specific TSP-4 fragments was increased in sera of OA patients compared to healthy controls, indicating a potential to serve as an OA biomarker. COMP was ubiquitously expressed in healthy cartilage but degraded in early as well as re-expressed in late-stage OA. The overall protein levels between OA severity grades were comparable. Contrary to TSP-4, COMP was localised primarily in the upper zone of OA cartilage, in particular in areas with severe damage. COMP could attract chondrocytes and facilitated their attachment, while TSP-4 did not affect these processes. COMP and TSP 4 were generally weak inducers of gene expression, although both could induce COL2A1 and TSP-4 additionally COL12A1 and ACAN after 6 h. Correlating data were obtained on the protein level: COMP and TSP-4 promoted the synthesis and matrix formation of collagen II, collagen IX, collagen XII and proteoglycans. In parallel, both proteins suppressed chondrocyte hypertrophy and dedifferentiation by reducing collagen X and collagen I. By analysing the effect of COMP and TSP-4 on intracellular signalling, both proteins induced Erk1/2 phosphorylation and TSP-4 could further promote Smad2/3 signalling induced by TGF-β1. None of the two proteins had a direct or modulatory effect on Smad1/5/9 dependent signalling.
In summary, COMP and TSP-4 contribute to ECM maintenance and repair by inducing the expression of essential ECM proteins and suppressing chondrocyte dedifferentiation. These effects might be mediated by Erk1/2 phosphorylation. The presented data demonstrate an important functional role of COMP and TSP-4 in both healthy and OA cartilage and provide a basis for further studies on their potential in clinical applications for OA diagnosis and treatment.
Hintergrund/Zielsetzung: Die Studentische Poliklinik Frankfurt (SP) ist die erste sogenannte Student-run Free Clinic in Deutschland. In ihr versorgen Studenten der Humanmedizin unter ärztlicher Aufsicht nicht-krankenversicherte Patienten. Vor der Tätigkeit in der SP müssen die Studenten ein intensives Vorbereitungsprogramm absolvieren. Dieses Programm ist seit Sommer 2013 als Wahlpflichtfach an der Medizinischen Fakultät der Goethe-Universität Frankfurt curricular verankert. Im Wintersemester 2016/2017 wurde zusätzlich zum bestehenden Peer-assisted Learning Kurs ein web-basierter Virtual Patient Learning Kurs eingeführt.
Ziel dieser Studie war es, die Wirksamkeit von Peer-assisted Learning mit Virtual Patient Learning im Erwerb allgemeinmedizinischer Grundkenntnisse und -fertigkeiten zu vergleichen. Betrachtet wurden hierbei unterschiedliche Ebenen des Kompetenzerwerbs: theoretisches Wissen, praktisches Wissen und Selbstevaluation standen im Fokus der Studie.
Methoden: 51 Studenten des fünften Fachsemesters wurden randomisiert in eine Peer-assisted Learning Gruppe (PAL Gruppe; n = 20), eine Virtual Patient Learning Gruppe (VPL Gruppe; n = 20) und eine Kontrollgruppe (KG, n = 11). Alle Gruppen absolvierten den curricularen Unterricht des ersten klinischen Semesters. Zusätzlich durchlief die PAL Gruppe das Wahlfach der SP im Peer-assisted Learning Format. Die VPL Gruppe durchlief das Wahlfach der SP im web-basierten Format mit sogenannten virtuellen Patienten auf der e-Learning Plattform Lernbar der Goethe Universität Frankfurt.
Die Messung des Wissenserwerbs beinhaltete einen theoretischen Vortest und Nachtest (Langzeit-Test) mit je 24 Single-Choice Fragen und theoretische Kurzzeit-Tests nach jedem der Kasuistikseminare mit je fünf Single-Choice Fragen. Der praktische Kompetenzerwerb wurde durch eine curriculare und eine zum Wahlfach gehörende Objective Structured Clinical Examination (OSCE) nach Abschluss der Intervention gemessen. Außerdem schätzten die Studienteilnehmer ihren Wissens- und Kompetenzerwerb vor und nach Teilnahme am Wahlfach der SP mit Hilfe eines Fragebogens ein. Hierfür beantworteten sie 34 Fragen anhand einer sechsstufigen Likert-Skala (1 = sehr sicher; 6 = überhaupt nicht sicher).
Nach jedem Kasuistikseminar evaluierten die Studenten die jeweilige Kasuistik mit je fünf Fragen anhand einer sechsstufigen Likert-Skala (1 = ich stimme voll zu; 6 = ich stimme überhaupt nicht zu).
Das Signifikanzniveau wurde auf 0.05 festgelegt.
Ergebnisse: Im gesamten theoretischen Nachtest erwarben alle Gruppen (PAL, VPL und KG) einen signifikanten Wissenszuwachs (PAL p < 0.0001; VPL p < 0.0001; KG p = 0.0156) verglichen mit dem theoretischen Vortest. In allen theoretischen Kurzzeit-Tests wies die VPL Gruppe ein signifikant besseres Ergebnis auf als die PAL Gruppe (Mittelwert PAL = 85.75 %; Mittelwert VPL = 90.57 %; p = 0.0047).
Im Wahlfach OSCE zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen der PAL und VPL Gruppe (p = 0.5395). Im curricularen OSCE zeigte sich kein signifikanter Unterschied zwischen beiden Testgruppen und der KG (p = 0.4263).
In der Selbsteinschätzung nach Intervention schätzte sich die PAL Gruppe in 31 von 34 Items signifikant besser ein als zuvor. Die VPL Gruppe schätzte sich in 25 Items und die KG in 16 der 34 Items signifikant besser ein als zuvor.
Die Kasuistikseminare wurden von der PAL und VPL Gruppe ähnlich bewertet. Die Mediane für die einzelnen Kasuistiken lagen bei 1 oder 2.
Allgemeinmedizinische Grundkenntnisse und Fertigkeiten können mit VPL genauso effektiv vermittelt werden wie mit PAL. Aufgrund der Kosteneffizienz, einer hohen Reproduzierbarkeit und des frei wählbaren Umfangs bezüglich Bearbeitungsort-und Zeit, sollte VPL häufiger in der allgemeinmedizinischen Lehre im Rahmen von Student-run Free Clinics durchgeführt werden. Letztendlich kann dies zu einer verbesserten Behandlungsqualität und Patientenzufriedenheit führen.
Die VPL Seminare sollten dennoch weiterentwickelt werden und besonders im Hinblick auf Feedback an die Studenten moduliert und individualisierter gestaltet werden.
Astrozyten erfüllen verschiedene Funktionen im Zentralnervensystem, welche sich in die Bereiche Entwicklung, Durchblutung, Metabolismus, Strukturerhalt und Gliotransmission unterteilen lassen. Astrozyten sind an der synaptischen Informationsverarbeitung beteiligt und wirken an zahlreichen höheren Hirnfunktionen mit. Durch Regulation der synaptischen Transmission und Plastizität sind Astrozyten am Lernverhalten und Erinnerungsvermögen, sowie an der Verhaltensmodulation und Verarbeitung emotionaler Reize involviert. Im Zuge dieser zahlreichen Funktionen können Astrozyten auf externe Stimuli mit der gezielten Freisetzung von Gliotransmittern reagieren.
In kultivierten Astrozyten konnte Keil143 das TGN, bestehend aus Zisternen und Vesikeln, darstellen und mit anti-Rab6 identifizieren. Rab6 mit seinen Subtypen A und B gehört der Superfamilie der monomeren Ras-GTPasen an, die den intrazellulären Membran- und Vesikelverkehr regulieren. Rab6 spielt in HeLa-Zellen beim Transport vesikulärer Organellen vom TGN zur Zellmembran eine wichtige Rolle. Assoziationsanalysen von Rab6A mit vesikulären Glutamattransportern, Serinracemase und Markern der regulierten Exozytose in kultivierten Astrozyten143 deuten darauf hin, dass dieses Rab6A-Organellsystem die ultrastrukturelle Grundlage für die Freisetzung von Gliotransmittern wie D-Serin und Glutamat bildet.
Zur Untersuchung, ob Rab6A tatsächlich ein System der Glia-Neuron-Kommunikation im Gehirn darstellt, war es zunächst unabdingbar das Vorkommen von Rab6A in situ zu untersuchen. Die durchgeführten immunzytochemischen Färbungen an Hirnschnitten der Maus zeigen das gleichmäßige und ubiquitäre Vorkommen von Rab6A in allen untersuchten Hirnregionen. Durch verblindet durchgeführte Kolokalisationsanalysen von Rab6A mit den etablierten astrozytären Markern Glutaminsynthetase (GS), Glial fibrillary acidic protein (GFAP), Aldh1L1 und Sox9 konnte eine Lokalisation von Rab6A in allen Astrozyten gezeigt werden. Weitere Analysen schließen die Lokalisation von Rab6A in Mikroglia (Iba1), NG2-Zellen (NG2) und Oligodendrozyten (CNPase) aus. Die Astrozyten unterscheiden sich in Größe und subzellulärem Verteilungsmuster der Rab6A+ Strukturen, wonach eine Kategorisierung in vier Typen vorgenommen wurde. Anhand der Einteilung kann vermutet werden, dass größere Rab6A+ TGN-Zisternen bis weit in die Zellperipherie transportiert werden und kleine Rab6A+ Vesikel erst dort ausknospen und der Exozytose zugeführt werden. Zur Frage der möglichen astrozytären Subpopulationen konnte gezeigt werden, dass alle untersuchten Astrozyten GS+, Aldh1L1+, Sox9+ und Rab6A+ sind, jedoch nicht GFAP+.
Um die prinzipielle Übertragbarkeit der gewonnenen Befunde auf den Menschen zu überprüfen, wurde reseziertes Cortex-Gewebe von drei Patienten mit unterschiedlicher pathologischer Genese untersucht. Rab6A ist im massiven Ausmaß in humanen Astrozyten lokalisiert, was nahelegt, dass die zuvor an der Maus gewonnenen Ergebnisse auf den Menschen übertragbar sind.
Die mögliche funktionelle Bedeutung von astrozytärem Rab6A im Gehirn wurde an HFS-Schnitten untersucht. Die Untersuchung zeigt einen signifikanten Anstieg der Rab6A+ Intensität in der gesamten Molekularschicht der Fascia dentata der stimulierten im Vergleich zur unstimulierten Seite. Da die HFS ein etabliertes LTP-Modell darstellt, könnte es infolge dieser zu einer strukturellen, intrazellulären Veränderung der Astrozyten mit erhöhter Freisetzung von D-Serin oder Glutamat aus Rab6A+ Vesikeln kommen, was das Lernverhalten beeinflussen könnte. Die dargestellten Ergebnisse legen eine Auswirkung der HFS auf Rab6A nahe.
Zur Bestätigung der immunzytochemischen Untersuchungen wurde die mRNA-Expression von Rab6A in Astrozyten bereits publizierter Transkriptomanalysen untersucht. Die in den Publikationen verwendeten Genom-Chips treffen allenfalls indirekt eine Aussage zu Rab6A, da Rab6 allgemein und nur Rab6B spezifisch untersucht wurde, jedoch keine spezifische Rab6A Sonde erwähnt wird.
Zusammenfassend kann Rab6A als spezifisches und selektiv in Astrozyten vorkommendes Protein dargestellt und als neuer astrozytärer Marker etabliert werden, der auch Astrozyten des humanen Gewebes markiert. Durch die gewonnenen Befunde kann in nachfolgenden Studien die mögliche Bedeutung von Rab6A in neuropathologischen und neurophysiologischen Prozessen untersucht werden.
Nature and its constituents are known to affect human well-being in positive and negative ways. Nature can be beneficial for humans by providing, for instance, food, recreation or inspiration. Natural disasters or transmitted diseases are, on the other hand, examples of nature’s detrimental or harmful contributions to human well-being. Such positive as well as negative effects have been termed Nature’s Contributions to People (NCP) by the Intergovernmental Science-Policy Platform for Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) and can be categorized into three different types of contributions: regulating, material and non-material NCP. While regulating and material NCP have been studied extensively, research on the non-material NCP is less common in comparison, especially regarding non-material NCP of biodiversity and wildlife. This dissertation therefore aims at shedding light on the non-material links between biodiversity, wildlife and human well-being. The thesis presents the results of three individual research studies in three separate chapters (CH1, 2 & 3).
In the first chapter (CH1) I conduct a systematic literature review on the non-material contributions of wildlife. Several previous reviews have published overviews on the non-material contributions of wildlife. However, only a few of these reviews examine both the positive and negative effects of wildlife in combination. These reviews usually cover few aspects of human well-being (e.g. recreation, health, psychological well-being) or just focus on a specific group of wildlife species (e.g. carnivores, scavengers). In addition, the pathways determining how wildlife affects human well-being are yet little understood. The aim of this review is therefore to create a holistic overview of the current knowledge on non-material contributions of wildlife (WCP), by summarising research on positive and negative effects and disentangling potential channels of human-wildlife experiences.
My results show that most studies in scientific literature report negative WCP. However, over the last decade the number of publications on positive WCP has increased, mainly in the Global North. This change in research focus, at the turn of the century, may be related to the newly emerging ideas and perspectives on nature during that time (e.g. Ecosystem Services and NCP). The results may also indicate different research interests across global regions and a focus on positive WCP (especially in the Global North). Surprisingly, the review identifies a lack of joint systematic assessments of positive and negative WCP across taxa, human well-being dimensions and ways (channels) of wildlife experiences. Studies show taxon-specific differences, with predominantly positive WCP reported for birds and predominantly negative WCP published for mammals and reptiles. Physical health was the most examined human well-being dimension, while many others, such as subjective well-being, social well-being, learning, identity or sense of place were rarely studied in comparison. The two channels of wildlife experiences that have been mainly studied or reported are Interaction and Knowing. While Interaction describes multisensory experiences in which people physically interact with wildlife. Knowing describes the metaphysical connection between humans and wildlife that arises through thinking or remembering experiences from wildlife encounters (including knowledge about wildlife).
To date, only few published studies examine the relationship between biodiversity and human well-being across larger spatial scales. For instance, little is known about how biodiversity is related to human well-being on the national or continental level. The second and third chapter (CH2 & 3) are thus comprised of two empirical case studies which examine the relationship between biodiversity and human well-being across Germany and Europe, respectively. As indicator for biodiversity, I use different species diversity measures including species richness and abundance. In the second chapter (CH2) I analyse the association between species richness and human health across Germany. The results demonstrate a significant positive relationship between plant and bird species richness and mental health while controlling for a multitude of socio-economic and demographic factors as well as other nature characteristics. In the third chapter (CH3) I conduct the first study on the relationship between species diversity and subjective well-being on the continental level. The results show that bird species richness (unlike mammal, megafauna and tree richness) is positively associated with life-satisfaction, a measure for subjective well-being across Europe. These results are robust while accounting for socio-economic and macro-economic factors. The results of both empirical studies are in correspondence with previous research, conducted on the local and national level.
Overall, my dissertation shows that wildlife and biodiversity greatly affect human well-being and provide substantial non-material NCP.
...
Locomotor activity patterns of laboratory mice are widely used to analyze circadian mechanisms, but most investigations have been performed under standardized laboratory conditions. Outdoors, animals are exposed to daily changes in photoperiod and other abiotic cues that might influence their circadian system. To investigate how the locomotor activity patterns under outdoor conditions compare to controlled laboratory conditions, we placed 2 laboratory mouse strains (melatonin-deficient C57Bl and melatonin-proficient C3H) in the garden of the Dr. Senckenbergische Anatomie in Frankfurt am Main. The mice were kept singly in cages equipped with an infrared locomotion detector, a hiding box, nesting material, and with food and water ad libitum. The locomotor activity of each mouse was recorded for 1 year, together with data on ambient
temperature, light, and humidity. Chronotype, chronotype stability, total daily activity, duration of the activity period, and daily diurnality indices were determined from the actograms. C3H mice showed clear seasonal differences in the chronotype, its stability, the total daily activity, and the duration of the activity period. These pronounced seasonal differences were not observed in the C57Bl. In both strains, the onset of the main activity period was mainly determinedby the evening dusk, whereas the offset was influenced by the ambient temperature. The actograms did not reveal infra-, ultradian, or lunar rhythms or a weekday/weekend pattern. Under outdoor conditions, the 2 strains retained their nocturnal locomotor identity as observed in the laboratory. Our results indicate that the chronotype displays a seasonal plasticity that may depend on the melatoninergic system. Photoperiod and ambient temperature are the most potent abiotic entraining cues. The timing of the evening dusk mainly affects the onset of the activity period; the ambient temperature during this period influences the latter’s duration. Humidity, overall light intensities, and human activities do not affect the locomotor behavior.
Bacteria constantly attempt to hold up ion gradients across their membranes to maintain their resting potential for routine cell function, while coping with sudden environmental changes. Under abrupt hyperosmotic conditions, as faced when invading a host, most bacteria restore their turgor pressure by taking up potassium ions to prevent death by plasmolysis. Here, the potassium transporter AB, or KtrAB for short, is a key player. KtrAB consists of the membrane-embedded KtrB dimer, which includes two pores organized in tandem, and a cytoplasmic, octameric KtrA ring, which regulates these two pores. The KtrB subunits alone were suggested to function as rather non-selective ion channels translocating potassium and sodium ions. The KtrA subunits confer transport velocity, K+ selectivity as well as Na+ and nucleotide dependency to the Ktr system. The nucleotide regulation by binding to KtrA is rather well characterized. In contrast, the regulatory role of Na+ remains elusive. Controversially discussed is how selective the ion translocation by KtrB is and how KtrA affects it. Although there are several functional and structural data available of KtrAB and its homolog TrkAH, the selectivity of the ion translocation was never thoroughly addressed. The functional characterization of whether KtrAB is a selective ion channel and how selectivity is achieved is in the focus of this thesis. Since selectivity is usually defined by the ion channels’ selectivity filter contained in the pore-forming domain, a particular attention was laid on the ion-translocating subunits KtrB.
KtrB belongs to the superfamily of K+ transporters (SKT). Each KtrB monomer consists of four covalently attached M1-P-M2 motifs, each motif is made of two transmembrane (TM or M) helices that are connected by a pore (P) helix. The four motifs, referred to as domains D1 to D4, are arranged in a pseudo-fourfold symmetry and together form the pore for potassium ion translocation. Each pore contains two structural features thought to be involved in ion selectivity and ion gating. These are the non-canonical selectivity filter and the intramembrane loop. The selectivity filter is localized at the extracellular side of the pore and mostly shaped by the backbone carbonyl groups of the loops connecting the P and M2 helices in each domain. In KtrB, each P-loop contains only one highly conserved glycine residue instead of the classical -TVGYG- signature sequence of a K+ channel. This simple constructed selectivity filter led to the hypothesis that KtrAB would only have low ion selectivity. The intramembrane loop is formed by broken helix D3M2 and is located directly under the selectivity filter. It consists mostly of polar residues and acts as a molecular gate restricting ion fluxes. The intramembrane loop has been shown to be regulated by nucleotide binding to KtrA. Additionally, it could directly or indirectly be affected by Na+ binding. Further, the loop might even be involved in ion selectivity because it presents a physical barrier inside the pore.
To address the ion selectivity of the Ktr system, first, the ion binding specificity of KtrB was investigated. Binding affinities of different cations to KtrB were determined using isothermal titration calorimetry (ITC). For this, KtrB from Vibrio alginolyticus was heterologously produced in and purified from Escherichia coli. 12 L of culture roughly yielded 4 to 8 mg of the functional KtrB dimer in detergent solution. ITC measurements were performed in two different buffers, one choline-Cl-based and one LiCl-based buffer. No differences in the affinity between Na+ (KD = 1.8 mM), K+ (KD = 2.9 mM), Rb+ (KD = 1.9 mM) or Cs+ (KD = 1.6 mM) were detected in the choline-Cl-based buffer; only Li+ did not bind. In contrast, ITC measurements in LiCl-based buffer revealed a significant preference for K+ (KD = 91 µM) over Rb+ (KD = 2.4 mM), Cs+ (KD = 1.7 mM) and particularly Na+ (for which no binding was observed). Similarly, the presence of low millimolar NaCl concentrations in the choline-Cl-based buffer led to a decreased KD value of 260 µM. Hence, small cations, which usually are present in the natural environment, seem to modulate the selectivity filter for a better binding of K+ ions providing K+ selectivity. In fact, the low binding affinities of the other ions could indicate that they do not even bind to the selectivity filter but to the cavity. However, ITC competition experiments showed that all four ions compete for the same or overlapping binding sites, with Rb+ and Cs+ even blocking K+ binding at concentrations 10-fold above their binding affinities. Importantly, at physiological NaCl concentrations of 200 mM, the apparent binding affinity for K+ to KtrB was still 3.5 mM. This suggested that Na+ can also bind to KtrB’s selectivity filter but with a comparably low binding affinity providing an unexpectedly high preference for K+ ions.
...