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"Autonomy is the condition under which what one does reflects who one is" (Weinrib, 2019, p.8). This quote encapsulates the core idea of autonomy, namely the correspondence of one’s inner values with one’s actions. This is a beautiful idea. After all, who wants their actions to be determined or controlled from the outside?
The classical definition of autonomy is precisely about this independence from external circumstances, which Murray (1938) primarily coined. Among other things, Murray characterizes autonomy as resistance to influence and defiance of authority. Similarly, Piaget (1983) describes individuals as autonomous, independent of external influences, in their thinking and actions, and foremost, adult authority. Subsequent work criticized this equation of autonomy with separation or independence (Bekker, 1993; Chirkov et al., 2003; Hmel & Pincus, 2002). In lieu thereof, autonomy is defined as an ability (Chirkov, 2011; Rössler, 2017) and as an essential human need (Ryan & Deci, 2006). Focus is now
on self-governing while relying on rationally determined values to pursue a happy life (Chirkov, 2011). According to Social Determination Theory (SDT), autonomy is about a sense of initiative and responsibility for one’s own actions. The experience of interest and appreciation can strengthen autonomy, whereas experiences of external control, e.g., through rewards or punishments, limit autonomy (Ryan & Deci, 2020). In the psychological discourse of autonomy, SDT is strongly represented (Chirkov et al., 2003; Koestner & Losier, 1996; Weinstein et al., 2012). Notably, SDT distinguishes between autonomy and independence as follows. While a person can autonomously ask for help or rely on others, a person can also be involuntarily alone and independent. Interestingly, these definitions are again closer to its etymological meaning as self-governing, originating from Greek αυτòνoμζ (autonomous).
The two strands of autonomy as independence and autonomy as self-determination are also reflected in the vital differentiation into reactive and reflective autonomy by Koestner and Losier (1996). Resisting external influence, particularly interpersonal in fluence, is what reactive autonomy entails. This interpretation is closely related to the classical concept of autonomy as separation and independence from others (Murray, 1938). On the other hand, reflective autonomy concerns intrapersonal processes, such as self-governing or self-regulation, as defined in Self-Determination Theory (Ryan et al., 2021). In this dissertation, we investigated the concept in three different approaches while focusing on its assessment and operationalization: To begin, in Article 1, we compared the layperson’s and the scientific perspective to each other to gain insight into the characteristics of autonomy. Then, in Articles 2 and 3, we experimentally tested behavioral autonomy as resistance to external influences. Simultaneously, we investigated the link between various autonomy trait measures and autonomous behavior. As a result, in Article 2, we looked at how people reacted to the effects of message framing and sender authority on social distancing behavior during the early COVID-19 pandemic. Finally, in Article 3 we investigated the resistance to a descriptive norm in answering factual questions, in the context of autonomous personality. In our first article, we used a semi-qualitative bottom-up approach to gain insights into the laypersons’ perspective on autonomy and compare it to the scientific notion. We followed a design proposed by Kraft-Todd and Rand (2019) on the term heroism. We derived five components from philosophical and psychological literature: dignity, independence from others, morality, self-awareness, and unconventionality. In three preregistered online studies, we compared these scientific components to the laypersons’ understanding of autonomy. In Study 1, participants (N = 222) listed at least three and up to ten examples of autonomous (self-determined) behaviors. Here, the participants named 807 meaningful examples, which we systematically categorized into 34 representative items for Study 2. Next, new participants (N = 114) rated these regarding their autonomy. Finally, we transferred the five highest-rated autonomy and the five lowest-rated autonomy items to Study 3 (N = 175). We asked participants to rate how strongly the items represented dignity, independence from others, morality, self-awareness, and unconventionality. We found all components to distinguish between high and low autonomy items but not for unconventionality. Thus, we conclude that laypersons’ view corresponds with the scientific characteristics of dignity, independence from others, self-awareness, and morality. A qualitative analysis of the examples also showed that both reactive and reflective definitions of autonomy are prevalent.
Obesity is considered as a type of chronic inflammation. It enhances the risk of developing cardiovascular disease, diabetes, and some cancers. The key players in the induction of inflammation in adipose tissue are macrophages. However the mechanism of macrophage activation in obese fat tissue is still not fully understood. Elevated level of saturated fatty acids in adipose tissue promotes inflammation and insulin resistance. Exposure of macrophages to saturated fatty acids stimulates pro-inflammatory c-Jun N-terminal kinase (JNK), nuclear factor kappa B (NF-kB) signaling, and production of pro-inflammatory cytokines, such as IL-6, IL-8, IL-1β, and TNFα. Palmitate is a major saturated free fatty acid released by adipocytes. It activates inflammatory pathways through Toll-like receptors (TLR) 2 and 4, provokes endoplasmic reticulum (ER) stress and increases levels of diacylglycerols (DAGs) and ceramides. Saturated fatty acids also affect cellular oxidative metabolism. Thus, mitochondrial fatty acid oxidation reduces ER-stress and expression of inflammatory cytokines in palmitate-treated macrophages. On the other hand mitochondrial reactive oxygen species (ROS) promote palmitate-mediated pro-inflammatory cytokine production. Recently, mitochondrial functions were linked to their morphology. Mitochondrial fission has been reported in β-cells and myocytes in response to high levels of glucose and free fatty acids, and was associated with disruption of mitochondrial functions, increased ROS level, and cell death. The aim of this study was to investigate the role of mitochondrial fragmentation in palmitate-induced inflammation in human macrophages. In our settings fatty acids, independently of their saturation, affected mitochondrial morphology. Mixtures of long chain saturated and unsaturated fatty acids as well as triglyceride-rich lipoprotein lipolysis products promoted mitochondrial fission. Mitochondrial fragmentation in palmitate-treated macrophages revealed a time- and concentration-dependent character, and was reversible upon palmitate removal. This observation, together with unaltered levels of mitochondrial protein and DNA content, and intact mitochondrial respiration, suggested that mitochondria were not damaged and were functionally active. Mechanistically, palmitate-induced mitochondrial fragmentation was not regulated by ER stress or loss of mitochondrial membrane potential. However, inhibition of palmitate incorporation into mitochondrial membrane phospholipids decreased mitochondrial fragmentation. Other approach to prevent mitochondrial fission was the inhibition of dynamin-related protein 1 (DRP1) activity, which drives mitochondrial fission by forming ring- like structures around mitochondria and constricting mitochondrial membranes. Palmitate altered mitochondrial membrane lipid composition and promoted DRP1-oligomerization. The inhibition of palmitate-induced mitochondrial fragmentation enhanced mitochondrial ROS production, c-Jun phosphorylation, and upregulated expression of pro-inflammatory cytokines. Taken together, these results suggest that mitochondrial fragmentation is a protective mechanism attenuating palmitate-induced inflammatory responses. Future experiments will be required to investigate the role of mitochondrial fragmentation in obesity-associated diseases in vivo.
Hintergrund: Seit mehr als 50 Jahren werden in Deutschland Herzschrittmacher-Implantationen durchgeführt, mittlerweile mit mehr als 100.000 Implantationen pro Jahr. Obwohl es sich um einen gängigen Eingriff handelt, existieren wenig prospektiv randomisierte Studien zu technischen Aspekten der Implantation, insbesondere dem Wundverschluss am Ende der Operation. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, an einem Kollektiv von Patienten unerwünschte Ereignisse und kosmetische Ergebnisse, in Abhängigkeit des beim Hautverschluss verwendeten Nahtmaterials (resorbierbarer bzw. nicht-resorbierbarer Faden), miteinander zu vergleichen.
Methoden: In einem Zeitraum von Juli 2018 bis April 2019 wurden Patienten mit geplanter de novo Herzschrittmacher-Implantation ohne Defibrillationstherapie prospektiv in die Studie eingeschlossen und anhand einer Randomisierungliste in zwei Probandengruppen eingeteilt: nicht-resorbierbares Nahtmaterial (Gruppe Prolene®) bzw. resorbierbares Nahtmaterial (Gruppe Monocryl®).
Ein Tag (Beobachtungszeitpunkt 1), sechs Wochen (Beobachtungszeitpunkt 2) und ein Jahr post-OP (Beobachtungszeitpunkt 3) erfolgte die Beurteilung der Narbe bezüglich des kosmetischen Ergebnisses und klinisch relevanter, unerwünschter Ereignisse. Zur kosmetischen Beurteilung diente die Wundbreite in mm, eine auftretende Kelloidbildung und die „Patient and Observer Scar Assessment Scale“ (POSA-Score). Dieser wurde zu Beobachtungszeitpunkt 1 seitens des Patienten auf zwei Fragen (Schmerzhaftigkeit, Juckreiz) reduziert. Die erhobenen klinisch relevanten Parameter waren Nachblutungen, Infektionen, Insuffizienz der Naht und Revisions-OP aufgrund eines Lokalbefundes.
Ergebnisse: Es konnten 114 Patienten in die Studie eingeschlossen werden. Zu Beobachtungszeitpunkt 2 und Beobachtungszeitpunkt 3 belief sich die Anzahl auf jeweils 92 Probanden. Zu allen drei Beobachtungszeitpunkten konnte zwischen beiden Gruppen weder ein signifikanter Unterschied im kosmetischen Ergebnis noch im Auftreten klinisch relevanter Ereignisse festgestellt werden.
Schlussfolgerung: Anhand der vorliegenden Studie scheint das verwendete Nahtmaterial keinen großen Einfluss auf das kosmetische Ergebnis der Narbe, sowie auf das Auftreten von unerwünschten Ereignissen zu haben. Eine multizentrische prospektiv randomisierte Studie mit größerer Patientenanzahl ist notwendig, um die hier erhobenen Daten zu verifizieren.
Bei der Analyse der Diffusion von Gallensäuren durch Lipiddoppelmembranen (SUV´s, LUVET´s) erweisen sich die lipophilen Gallensäuren als besonders diffusionsfreudig. Zu diesen können die LC, CDC und die DC gezählt werden. Die deutlich hydrophilere und therapeutisch bedeutende UDC permeiert ebenfalls durch Liposomenmembranen, hat jedoch eine geringere Geschwindigkeitskonstante. Konjugierte Gallensäuren zeigen dagegen nur eine minimale Diffusionsrate. Weiterhin wurde nachgewiesen, daß eine deutliche Abhängigkeit der Permeation von der Gallensäurenkonzentration besteht. Mit steigender Konzentration erhöht sich die Geschwindigkeit. Auch bei diesen Experimenten sind die lipophileren Substanzen die schnelleren. Zudem kann festgehalten werden, daß auch eine Temperaturerhöhung bis auf 37 °C und ein Abfall des pH- Wertes auf 5,4 einen positiven Einfluß auf die Permeabilitätsrate von Gallensäuren haben. Umgekehrt verhält es sich bei einer Temperaturminderung auf 10 °C und einer pH- Erhöhung auf 9,4. Eine gleichzeitige pH- Minderung und Temperaturerhöhung hat einen additiven Effekt auf die Diffusion. Geschwindigkeitssteigernd erweist sich auch die Verwendung größerer Liposomen. Eine Steigerung des Liposomendurchmessers geht mit einer Zunahme der Permeabilität einher. Auch die Zugabe von Ethanol bewirkt eine Zunahme der Diffusion durch Liposomenmembranen. Eine herabgesetzte Diffusionsrate kann bei Änderungen in der Lipidkomposition von Lipiddoppelmembranen beobachtet werden. Ein Einbau von Cholesterin führt eine deutliche Minderung der Permeation aller Gallensäuren herbei, wobei die lipophilen Gallensäuren auch weiterhin rascher permeieren. Ein Cholesteringehalt von 20% (w/w) wirkt dabei stärker hemmend als ein Gehalt von 10% (w/w). Im zweiten Abschnitt der vorliegenden Arbeit konzentrieren sich die Beobachtungen auf den Einfluß von Ethanol auf Lipiddoppelmembranen. Es kann gezeigt werden, daß Ethanol einen membrandestabilisierenden Effekt hat, der um so stärker ist, je höher die Ethanolkonzentration gewählt wird. Die DPH- Fluoreszenzversuche lassen zudem erkennen, daß Ethanol zu einer Reduktion der Membranordnung führt und damit zu einer Zunahme der Membranfluidität. Ein Einbau von UDC in die Liposomenmembran hat dagegen einen membran-stabilisierenden Effekt und reduziert die Ethanolwirkung. Dieser Effekt ist zu der Menge der in der Membran eingebauten UDC proportional. Der Cholesterineinbau in die Membran zeigt ähnliche Effekte wie der Einbau von UDC. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern zusätzliche Erklärungen für Phänomene beim therapeutischen Einsatz von Gallensäuren, die bisher nur mangelhaft zu verstehen waren. So kann aus den Diffusionsstudien die Erkenntnis gewonnen werden, daß bei der Diffusion von mehr apolaren Gallensäuren, wie z.B. der CDC, eine leichtere Diffusion durch Membranen möglich ist als für die mehr polaren Moleküle. In der PBC sind vor allem die mehr apolaren Gallensäuren nachweisbar und stellen somit einen vielleicht wichtigen pathophysiologischen Faktor dar, der sich eventuell durch Einbau von Cholesterin in Membranen oder durch Applikation von UDC mindern läßt. UDC scheint jedoch auch gegen andere schädigende Substanzen eine protektive Wirkung zu haben. Ethanolinduzierte Schädigungen an Membranen konnten z.B. durch die Anwendung von UDC deutlich reduziert werden. Eine wenig geschädigte oder sogar intakte Membran kann ihren vielfältigen Funktionen gerecht werden, z.B. die Funktion von Transportsystemen aufrechterhalten. Dies könnte erklären, warum UDC bei primär biliären Leberkrankheiten eine Cholestase vermindert oder sogar aufheben kann, die heute weitgehend mit einer Schädigung membranständiger Carriersysteme erklärt wird.
Generally speaking, protein import into mitochondria and chloroplasts is a post-translational process during which the precursor proteins destined for mitochondria or chloroplasts are translated with cytosolic ribosomes and targeted. The previous results showed that the isolated chloroplasts can import in vitro synthesized proteins and the absence of ribosomes in the immediate area around chloroplasts in electron microscopy (EM) images. However, none of the EM images were recorded in the presence of a translation elongation inhibitor. Also, the observation showed that ribosomes stably bind to purified liver mitochondria in vitro, and the first indication of chloroplast localization of mRNAs encoding plastid proteins in Chlamydomonas rheinhardtii, which challenge the post-translational import and support the co-translational process. Therefore, in this study, the association of the ribosomes to the isolated chloroplasts were analyzed, a binding assay was established and showed that naked ribosomes are not considerably bound to chloroplasts. Additionally, mRNA localize in close vicinity to mitochondria also challenged post-translation protein import. Global analysis of transcripts bound to mitochondria in yeast or human revealed that around half of the transcripts of mitochondrial proteins displayed a high mitochondrial localization. The observed association of mRNAs with chloroplast fractions and the in vivo analysis of the distribution of mRNAs was used as base to formulate the hypothesis that mRNA can bind to chloroplast surface. Therefore, in this study, the mRNA binding assay was established and revealed that mRNAs coding for the mitochondrial cytochrome c oxidase copper chaperone COX17 showed unspecific binding to the chloroplasts. The mRNA coding for chloroplast outer envelope transport protein OEP24 and mRNA coding for the essential nuclear protein 1 (ENP1) showed specific binding, and OEP24 has a 3-fold higher affinity than ENP1 mRNA. Moreover, the BY2-L (Nicotiana tabacum non-green cell culture) could confer the highest enhancement of OEP24 mRNA binding efficiency than the COX17 and ENP1 mRNA and the preparation of the BY2-L was optimized. Afterwards, the feasibility to fix the interaction between mRNA and the proteins on the surface of chloroplasts was confirmed. OEP24 mRNA showed more efficiency in the UV-crosslinking. Following, the pull-down with antisense locked nucleic acid (LNA)/DNA oligonucleotides was established which could be used for the further investigation of the proteins involved in the mRNA binding to the chloroplasts.
Energy and environment are two major concerns in the 21st century. At present, the energy required for the daily life still mainly relies on the traditional fossil fuel resources, but the caused air pollution problem and greenhouse effect have seriously threatened the sustainable development of mankind. Another adopted energy source which can provide a large fraction of electricity for the world is the nuclear fission reaction. However, the increasing high-radioactive spent nuclear fuels, which half-lives are usually >1 million years, are becoming the hidden perils to the earth. A great advance in accelerator physics and technology opens an opportunity to solve this dilemma between man and nature, because powerful accelerator-based neutron sources can play important roles for clean nuclear power production, for example: - The Accelerator-Driven System (ADS) can serve as an easy control of a sub-critical fission reactor so that the nuclear fuels will be burnt more completely and safely. - The EUROTRANS project launched by EU is investigating another application of the ADS technology to reduce the radiotoxicity and the volume of the existing nuclear waste greatly and quickly in a transmutation way. - The developing international IFMIF plant will be used to test and qualify reactor materials for future fusion power stations, which can produce much cleaner nuclear electricity more efficiently than the fission ones. Therefore, the R&D of high-power driver linacs (HPDL) is of a worldwide importance. As the proverb said, "everything is hard at the beginning", the front end is the most difficult part for realizing an HPDL machine. Based on the RFQ and H-type DTL structures, this dissertation is dedicated to study the beam dynamics in the presence of significantly strong space-charge effects while accelerating intense hardon beams in the low- and medium-beta-region. Besides the 5mA/30mA, 17MeV proton injector (RFQ+DTL) and the 125mA, 40MeV deuteron DTL of the above-mentioned EUROTRANS and IFMIF facilities, a 200mA, 700keV proton RFQ has been also intensively studied for a small-scale but ultra-intense neutron source FRANZ planned at Frankfurt University. The most remarkable properties of the FRANZ RFQ and the IFMIF DTL are the design beam intensities, 200mA and 125mA, which are the record values for the proton and deuteron linacs, respectively. Though the design intensities for the two development stages, XT-ADS (5mA) and EFIT (30mA), of the EUROTRANS injector are well within the capability of the modern RF linac technology, the special design concept for an easy upgrade from XT-ADS to EFIT brings unusual challenges to realize a linac layout which allows flexible operation with different beam intensities. To design the 200mA FRANZ RFQ and the two-intensity EUROTRANS RFQ, the classic LANL (Los Alamos National Laboratory) Four-Section Procedure, which was developed by neglecting the space-charge forces, is not sufficient anymore. Abandoning the unreasonable constant- B (constant-transverse-focusing-strength) law and the resulting inefficient evolution manners of dynamics parameters adopted by the LANL method, a new design approach so-called "BABBLE", which can provide a "Balanced and Accelerated Beam Bunching at Low Energy", has been developed for intense beams. Being consistent with the beam-development process including space-charge effects, the main features of the "BABBLE" strategy (see Pages 55-58) are: 1) At the entrance, the synchronous phase is kept at = phi s = -90° while a gradual increase in the electrode modulation is started so that the input beam can firstly get a symmetrical and soft bunching within a full-360° phase acceptance. 2) In the following main bunching section, B is increasing to balance the stronger and stronger transverse defocusing effects induced by the decreasing bunch size so that the bunching speed can be fast and safely increased. 3) When the real acceleration starts, the quickly increased beam velocity will naturally weaken the transverse defocusing effects, so B is accordingly falling down to avoid longitudinal emittance growths and to allow larger bore apertures. Taking advantage of the gentle initial bunching and the accelerated main bunching under balanced forces enabled by the "BABBLE" strategy, a 2m-long RFQ with beam transmission in excess of 98% and low emittance growths has been designed for FRANZ, and a 4.3m-long RFQ with almost no beam losses and flat emittance evolutions at both 5mA and 30mA has been designed for EUROTRANS. All design results have proven that the "BABBLE" strategy is a general design approach leading to an efficient and robust RFQ with good beam quality in a wide intensity-range from 0mA to 200mA (even higher). To design the IFMIF DTL and the injector DTL part of the EUROTRANS driver linac, which have been foreseen as the first real applications of the novel superconducting CH-DTL structure, intensive attempts have been made to fulfill the design goals under the new conditions, e.g. long drift spaces, SC transverse focusing elements and high accelerating gradients. For the IFMIF DTL, the preliminary IAP design has been considerably improved with respect to the linac layout as well as the beam dynamics. By reserving sufficient drift spaces for the cryosystem, diagnostic devices, tuner and steerer, introducing SC solenoid lenses and adjusting the Linac Design for Intense Hadron Beams accelerating gradients and accordingly other configurations of the cavities (see Pages 78-80), a more realistic, reliable and efficient linac system has been designed. On the other hand, the specifications and positions of the transverse focusing elements (see Pages 81-82) as well as the phase- and energy-differences between the bunch-center particle and the synchronous particle at the beginning of the phi s=0° sections have been totally redesigned (see Pages 83-84) resulting in good beam performances in both radial and longitudinal planes. For the EUROTRANS injector DTL, in addition to the above-mentioned procedures, extra optimization concepts to coordinate the beam dynamics between two intensities, such as employing short adjustable rebunching cavities with phi s = -90° (see Page 116), have been applied. ...
Metabotropic glutamate receptor subtype 7 (mGluR7) belongs to the family of G-protein coupled receptors. mGluR7 is widely distributed in the brain and primarily localized at presynaptic terminals, where it is thought to regulate neurotransmitter release and synaptic plasticity. Studies have shown that the intracellular C-terminal tail of mGluR7 binds a variety of proteins in addition to trimeric G-proteins. These newly identified protein interactions are believed to play a key role in the synaptic targeting and G-protein dependent signaling of mGluR7. Protein interacting with C kinase 1 (PICK1), a PDZ-domain protein, is a strong interaction partner of mGluR7a. In order to investigate the role of PICK1 in the synaptic trafficking and signaling of mGluR7a, a knock-in mouse line in which the interaction of mGluR7a and PICK1 is disrupted was generated. Analysis of the mutant mice by immunocytochemistry and immunoelectron microscopy showed that the synaptic targeting and clustering of mGluR7a was not altered, indicating that PICK1 is not required for mGluR7a receptor membrane trafficking and synaptic localization. However, when the spontaneous synaptic activity of cerebellar granule cell cultures prepared from both wild-type and knock-in mice was monitored, and L-AP4 (400μm) was found to decrease the frequency, but not the amplitude, of spontaneous excitatory currents in wild-type neurons, while no effect of L-AP4 on spontaneous synaptic activity was observed in knock-in neurons. This indicates that PICK1 binding to the C-terminal region of mGluR7a plays an essential role in mGluR7a mediated G-protein signaling. We examined the threshold sensitivity for the convulsant pentetrazole (PTZ) in knock-in mice. It was found that mGluR7a knock-in mice had a greater sensitivity to PTZ than wild-type mice. Moreover, the surface parietal cortex EEG recordings of the mutant mice revealed spontaneous synchronous oscillation, or "spike-and-wave discharges" (SWD), which displayed similar characteristics to absence-like seizures. It was also observed that the knock-in mice responded to pharmacology as human absence epilepsy. These data suggests that the knock-in mice displayed the phenotype of absencelike epilepsy. Furthermore, the behavioral analysis of the mGluR7a knock-in mice showed no deficits in motor coordination, pain sensation, anxiety as well as spatial learning and memory, thus the interaction of mGluR7a and PICK1 appears not to contribute to these physiological processes. Taken together, our data provides evidence for an important role of PICK1 in Gprotein dependent signaling of mGluR7a, whereas PICK1 is not required for synaptic targeting and clustering of mGluR7a. Our results also provide an animal model of absencelike epilepsy generated by disruption of a single mGluR7a-PDZ interaction, thus creating a novel therapeutic target against this neurological disease.
This work presents a biochemical, functional and structural characterization of Aquifex aeolicus F1FO ATP synthase obtained using both a native form (AAF1FO) and a heterologous form (EAF1FO) of this enzyme.
F1FO ATP synthases catalyze the synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate driven by ion motive forces across the membrane and therefore play a key cellular function. Because of their central role in supporting life, F1FO ATP synthases are ubiquitous and have been remarkably conserved throughout evolution. For their biological importance, F1FO ATP synthases have been extensively studied for many decades and many of them were characterized from both a functional and a structural standpoint. However, important properties of ATP synthases – specifically properties pertaining to their membrane embedded subunits – have yet to be determined and no structures are available to date for the intact enzyme complex. Therefore, F1FO ATP synthases are still a major focus of research worldwide. Our research group had previously reported an initial characterization of AAF1FO and had indicated that this enzyme presents unique features, i.e. a bent central stalk and a putatively heterodimeric peripheral stalk. Based on such a characterization, this enzyme revealed promising for structural and functional studies on ATP synthases and became the focus of this doctoral thesis. Two different lines of research were followed in this work.
First, the characterization of AAF1FO was extended by bioinformatic, biochemical and enzymatic analyses. The work on AAF1FO led to the identification of a new detergent that maintains a higher homogeneity and integrity of the complex, namely the detergent trans-4-(trans-4’-propylcyclohexyl)cyclohexyl-α-D-maltoside (α-PCC). The characterization of AAF1FO in this new detergent showed that AAF1FO is a proton-dependent, not a sodium ion-dependent ATP synthase and that its ATP hydrolysis mechanism needs to be triggered and activated by high temperatures, possibly inducing a conformational switch in subunit γ. Moreover, this approach suggested that AAF1FO may present unusual features in its membrane subunits, i.e. short N-terminal segments in subunits a and c with implications for the membrane insertion mechanism of these subunits.
Investigating on these unique features of A. aeolicus F1FO ATP synthase could not be done using A. aeolicus cells, because these require a harsh and dangerous environment for growth and they are inaccessible to genetic manipulations. Therefore, a second approach was pursued, in which an expression system was created to produce the enzyme in the heterologous host E. coli. This second approach was experimentally challenging, because A. aeolicus F1FO ATP synthase is a 500-kDa multimeric membrane enzyme with a complicated and still not entirely determined stoichiometry and because its encoding genes are scattered throughout A. aeolicus genome, rather than being organized in one single operon. However, an artificial operon suitable for expression was created in this work and led to the successful production of an active and fully assembled form of Aquifex aeolicus F1FO ATP synthase. Such artificial operon was created using a stepwise approach, in which we expressed and studied first individual subunits, then subcomplexes, and finally the entire F1FO ATP synthase complex. We confirmed experimentally that subunits b1 and b2 form a heterodimeric subcomplex in the E. coli membranes, which is a unique case among ATP synthases of non-photosynthetic organisms. Moreover, we determined that the b1b2 subcomplex is sufficient to recruit the soluble F1 subcomplex to the membranes, without requiring the presence of the other membrane subunits a and c. The latter subunits can be produced in our expression system only when the whole ATP synthase is expressed, but not in isolation nor in the context of smaller FO subcomplexes. These observations led us to propose a novel mechanism for the assembly of ATP synthases, in which first the F1 subcomplex attaches to the membrane via subunit b1b2, and then cring and subunits a assemble to complete the FO subcomplex. Furthermore, we could purify the heterologous ATP synthase (EAF1FO) to homogeneity by chromatography and electro-elution. Enzymatic assays showed that the purified form of EAF1FO is as active as AAF1FO. Peptide mass fingerprinting showed that EAF1FO is composed of the same subunits as AAF1FO and all soluble and membrane subunits could be identified. Finally, single-particle electron microscopy analysis revealed that the structure of EAF1FO is identical to that of AAF1FO. Therefore, the EAF1FO expression system serves as a reliable platform for investigating on properties of AAF1FO.
Specifically, in this work, EAF1FO was used to study the membrane insertion mechanism of rotary subunit c. Subunits c possess different lengths and levels of hydrophobicity across species and by analyzing their N-terminal variability, four phylogenetic groups of subunits c were distinguished (groups 1 to 4). As a member of group 2, the subunit c from A. aeolicus F1FO ATP synthase is characterized by an N-terminal segment that functions as a signal peptide with SRP recognition features, a unique case for bacterial F1FO ATP synthases. By accurately designing mutants of EAF1FO, we determined that such a signal peptide is strictly necessary for membrane insertion of subunit c and we concluded that A. aeolicus subunit c inserts into E. coli membranes using a different pathway than E. coli subunit c. Such a property may be common to other ATP synthases from extremophilic organisms, which all cluster in the same phylogenetic group.
In conclusion, the successful production of the fully assembled and active F1FO ATP synthase from A. aeolicus in E. coli reported in this work provides a novel genetic system to study A. aeolicus F1FO ATP synthase. To a broader extent, it will also serve in the future as a solid reference for designing strategies aimed at producing large multi-subunit complexes with complicated stoichiometry.
In the past sixty years, excessive water consumption and dam construction have significantly influenced natural flow regimes and surface freshwater ecosystems throughout China, and thus resulted in serious environmental problems. In order to balance the competing water demands between human and environment and provide knowledge on sustainable water management, assessments on anthropogenic flow alterations and their impacts on aquatic and riparian ecosystems in China are needed.
In this study, the first evaluation on quantitative relationships between anthropogenic flow alterations and ecological responses in eleven river basins and watersheds in China was performed based on the data that could be obtained from published case studies. Quantitative relationships between changes in average annual discharge, seasonal low flow and seasonal high flow and changes in ecological indicators (fish diversity, fish catch and vegetation cover, etc.) were analyzed. The results showed that changes in riparian vegetation cover as well as changes in fish diversity and fish catch were strongly correlated with the changes in flow magnitude (r = 0.77, 0.66), especially with changes in average annual river discharge. In addition, more than half of the variations in vegetation cover could be explained by changes in average annual river discharge (r² = 0.63) and roughly 50 % changes in fish catch in arid and semi-arid region and 60% changes of fish catch in humid region could be related to alterations in average annual river discharge (r² = 0.53, 0.58).
In a supplementary analysis of this study, the first estimation on quantitative relationships between decreases in native fish species richness and anthropogenic flow alterations in 34 river basins and sub-basins in China was conducted. Linear relationships between losses of native fish species and five ecologically relevant flow indicators were analyzed by single and multiple regression models. For the single regression analysis, significant linear relationships were detected for the indicators of long-term average annual discharge (ILTA) and statistical low flow Q90 (IQ90). For the multiple regressions, no indicator other than ILTA has significant relationships with changes in number of fish species mainly due to collinearity. Two conclusions emerged from the analysis: 1) losses of fish species were positively correlated with changes in ILTA in China and 2) indicator of ILTA was dominant over other flow indicators included in this research for the given dataset. These results provide a guideline for the sustainable water resources management in rivers with high risk of fish extinction in China.
In the present study the cryo-immunogold technique was used and optimized for investigating the ultrastructure and immunolabeling of synaptic proteins. It is evidently a suitable method for the localization of membrane proteins since the antigens are not treated with any chemical denaturation before immunolabeling except for the fixation and since the antigens are directly exposed to the surface of the cryo-ultrasections. The v-SNARE VAMP II and the vesicle-associated proteins SV2 and Rab3A were detected extensively at small vesicles in the mossy fiber terminals. The t-SNARE SNAP-25, and N-type and P/Q type Ca2+ channels were allocated to the plasma membrane both at the active zone and outside the active zone. SNAP-25 and N-type Ca2+ channels appeared also at synaptic vesicles. A significantly increased immunolabeling of VAMP II, SV2, Rab3A, SNAP-25 and N-type Ca2+ channels was found at the active zones of fast synapses, indicating a concentration of these proteins at sites of exocytosis. The widespread distribution of the t-SNARE SNAP-25 at the axonal plasma membrane reveals that membrane-targeting specificity cannot be determined solely by v/t-SNARE interactions. Additional control components are required to assure the docking and exocytosis of the synaptic vesicles at active zones. The novel protein Bassoon was only found at active zones of central synapses and showed the highest specific labeling among all proteins investigated. Its labeling pattern implies an association of Bassoon with the presynaptic dense projections, the structural guide for vesicle exocytosis. The involvement of Bassoon in the organization of the neurotransmitter release site suggests that Bassoon may play an important role in determining the specificity of vesicle docking and fusion. In the neurosecretory endings of neurohypophysis the synaptic proteins VAMP II, SNAP- 25, SV2, Rab3A, and the N-type Ca2+ channels showed a preferential labeling over microvesicles. Moreover, the immunolabeling intensity of these proteins over microvesicles corresponded closely to that over synaptic vesicles. This suggests that these synaptic proteins share an identical association with synaptic vesicle and microvesicles. A significant labeling of SNAP-25, the N-type Ca2+ channels and VAMP II was also detected at the plasma membrane near the clustered microvesicles, indicating the competence of microvesicles for docking and exocytosis along the plasma membrane in the absence of active zones. No significant labeling of VAMP II, SNAP-25, SV2 and N-type Ca2+ channel was observed at the membrane of neurosecretory granules. This is in agreement with the notion that synaptic vesicles and microvesicles possess regulatory mechanisms for exocytosis different from those of granules. In contrast, a/ß-SNAP and NSF were found on the granules, and Rab3A and the P/Q-type Ca2+ channels on granules in a subset of terminals. Rab3A is associated specifically with the oxytocin-containing granule population. Interestingly, some plasma membrane proteins, such as SNAP-25 and even N-type Ca2+ channels and P/Q-type Ca2+ channels, were observed not only at the plasma membrane but also at the vesicular organelles. This suggests that these vesicular organelles may be involved in transporting newly synthesized proteins from the soma to the plasma membrane of the terminal. Furthermore, the vesicular pool of the Ca2+ channels may serve in the stimulationinduced translocation into the plasma membrane when required. Using the conventional preembedding method with Epon and the post-embedding method with LR Gold, VAMP II was localized at vesicular organelles of varying size and on horseradish peroxidase filled endocytic organelles in cultured astrocytes, with and without stimulation in the presence of the horseradish peroxidase. This indicates that VAMP II is involved in the cycle of vesicular exocytosis and endocytosis in astrocytes. U373 cells are capable of expressing all three members of the synaptic SNARE complex (v-SNARE VAMP II, t-SNARE syntaxin I and SNAP25). This indicates the competence of U373 to carry out regulated exocytosis by means of the classical SNARE mechanism. In addition, the ubiquitous v-SNARE cellubrevin and the endosome-associated small GTPbinding protein Rab5 could be expressed in U373 cells. All recombinant synaptic proteins investigated in U373 cells revealed a punctuate cellular distribution under the fluorescence microscope, suggesting that they are mainly associated with intracellular compartments. The cryo-electron microscopy provided direct evidence for the association of all expressed proteins with electron-lucent vesicular organelles. It further supports the potential of U373 MG cells to release low molecular weight messengers by a regulated exocytosis mechanism. In addition, myc-VAMP II was found on dispersed granules. Probably, VAMP II also participates in the exocytosis event of granules in U373 cells. Gold labeling for the two presumptive t-SNAREs syntaxin I and SNAP-25 in U373 cells was confined to the vesicular organelles. At the ultrastructural level no significant labeling was identified at the plasma membrane. The high level of colocalization of the two SNARE proteins VAMP II and syntaxin I in the cell body and in cell processes suggests that the two proteins are mostly sorted into identical vesicular organelles. A partial colocalization of VAMP II and cellubrevin as well as of VAMP II and Rab5 was observed under the fluorescence microscope. At the ultrastructural level, a colocalization of VAMP II and cellubrevin as well as of VAMP II and Rab5 was found on some clustered vesicles. The partial colocalization of VAMP II and cellubrevin implies that they similarly function as v-SNAREs. The partial colocalization of Rab5 with VAMP II in U373 cells suggests that the endosomal protein Rab5 is associated with VAMP II-containing organelles during some stages of their life cycle.
This dissertation consists of three essays, which study the implication of financial frictions in business cycles and monetary policy making. The first essay develops a Dynamic Stochastic General Equilibrium (DSGE) model to study how the instability of the banking sector can amplify and propagate business cycles. Model simulations show that in an economic down turn, in addition to credit demand contraction induced by low firm net worth, low bank capital
position can create strong credit supply contraction, and have a quantitatively significant effect on business cycle dynamics. The second essay studies the optimal Taylor-type monetary policy rules based on the model developed in the first chapter and find that with interest rate smoothing, 'leaning against the wind' can significantly dampen the procyclicality of financial distortions, and increase the welfare of the economy. The third chapter examines the role of households frugality in a financial crisis and finds that higher savings by more frugal households provide an important cushion for the fall in private investment funding.
In this thesis I use effective models to investigate the properties of QCD-like theories at nonzero temperature and baryon chemical potential. First I construct a PNJL model using a lattice spin model with nearestneighbor interactions for the gauge sector and four-fermion interactions for the quarks in (pseudo)real representations of the gauge group. Calculating the phase diagram in the plane of temperature and quark chemical potential in QCD with adjoint quarks, it is qualitatively confirmed that the critical temperature of the chiral phase transition is much higher than the deconfinement transition temperature. At a chemical potential equal to half of the diquark mass in the vacuum, a diquark Bose–Einstein condensation (BEC) phase transition occurs. In the two-color case, a Ginzburg–Landau expansion is used to study the tetracritical behavior around the intersection point of the deconfinement and BEC transition lines which are both of second order. A compact expression for the expectation value of the Polyakov loop in an arbitrary representation of the gauge group is obtained for any number of colors, which allows us to study Casimir scaling at both nonzero temperature and chemical potential. Subsequently I study the thermodynamics of two-color QCD (QC2D) at high temperature and/or density using ZQCD, a dimensionally reduced superrenormalizable effective theory, formulated in terms of a coarse grained Wilson line. In the absence of quarks, the theory is required to respect the Z2 center symmetry, while the effects of quarks of arbitrary masses and chemical potentials are introduced via soft Z2 breaking operators. Perturbative matching of the effective theory parameters to the full theory is carried out explicitly, and it is argued how the new theory can be used to explore the phase diagram of two-color QCD.
The venture capital industry holds relevance for entrepreneurs looking for money to finance an innovative project, investors seeking to make money by investing in entrepreneurial firms and governments trying to promote innovation and entrepreneurship. Venture capital investment could facilitate innovation and thus a better economy.
Venture capital has enabled the U.S. to support its entrepreneurial talent by turning ideas into world-famous products and services, building companies from mere business plans to mature and powerful organizations. Three of the five largest U.S. public companies by market capitalization – Apple, Google and Microsoft – received most of their early external funding from venture capital. Having its ups and downs, venture capital investment in the U.S. expanded from virtually zero in the mid-1970s to $8 billion in 1995 and $49.3 billion in 2014. Venture backed companies have been a prime driver of economic growth in the U.S.Across the pacific, venture capital investment in China has grown out of the transition from a centrally planned economy to a free market economy over the past three decades, becoming an important pillar supporting China’s innovation system. In 2015, a total of 2,824 venture capital investment deals provided an aggregate investment of $36.9 billion. Venture capital has long been a hot topic in China’s capital market, particularly since the government decided to boost “mass entrepreneurship and innovation” in 2014.
In the U.S., most venture capital firms are organized as limited partnerships, with the venture capitalists being general partners and the investors limited partners. Studies have shown that investors choose to invest through venture funds as an intermediary rather than placing their investments directly with the entrepreneurs; because of the high risk nature of the entrepreneur’s business, it is hard for them to get bank loans or direct equity investments. Conflicts may also arise, however, between the venture capitalists acting as agents and the investors as principals.5 This agency problem maybe particularly severe, since venture capital provides money for businesses with high potential and high risk, although the limited partnership has certain merits and is still most commonly chosen as the business form for venture capital funds.6 At the same time, the fact that general partners have total control of the partnership business necessitates that the agency problem is addressed by legal rules, contracts and other mechanisms.
Meanwhile, despite the rapid growth of venture capital investments in China, little attention has been paid to the organizational form of venture capital funds. In contrast to the U.S., most Chinese venture funds have been structured as corporations. One may argue that it was due to legislative reasons: that the limited partnership was not recognized by Chinese law when venture capital first appeared in China. However, after adopted a chapter was adopted in the Partnership Enterprise Law (PEL) governing limited partnerships in 2007, most of the venture funds abided by their choice, while those opting for the limited partnership have encountered difficulties: the limited partners are having trouble trusting the general partners with their money and are therefore interfering with the operation of the partnership business, which may lead to dissolution of the partnership.
This thesis applies transaction cost theory to explain the benefits and costs of choosing the limited partnership as a business form in the special context of venture capital investments, showing that the potential agency conflict between the general partners and the limited partners have been mitigated by legal and other mechanismsin the United States, and that the U.S. investors could therefore exploit the merit of the limited partnership form in venture capital financing. In China, investors have different answers to the agency problem. Similarly to the situation in the U.S., Chinese partners also employ contract terms to deal with agency problems, and the legislators enact laws that aim at regulating the limited partnership form; some legislation was even transplanted from the U.S., such as that part of the PEL which governs limited partnerships. It seems, then, that similar mechanisms that deal with agency problems also exist in China. However, given the unique history of the development of China’s innovation system and venture capital market, the effectiveness of these constraints is questionable. Chinese venture capital investors have therefore characteristically behaved differently to U.S. investors. Rather than relying on these questionable mechanisms, Chinese investors as well as the Chinese government have developed different approaches to addressing these agency problems.
Over the last decade, cryo-EM has developed exponentially due to improvements in both hardware (“machine”-based) and software (“algorithm”-based). These improvements have pushed the best achievable resolutions closer to atomic level, bridging “gaps” not covered by other biophysical techniques, and allowing more difficult biological questions to be addressed. Thus, this PhD project was designed and constructed to apply cryo-EM to answer biological questions, while allowing simultaneous cryo-EM method development.
The biological focus of this research is pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs), specifically the serotonin receptor type-3 receptor (5HT3R), which also belongs to the Cys-loop receptor family. 5HT3R plays an important role in fast synaptic signal transduction in response to agonist and antagonist binding. Binding to its native ligand results in opening of the channel at the transmembrane domain, allowing cations to pass through, resulting in membrane depolarization and conversion of the chemical signal into an electrical one.
This work consisted mainly of two specific aims. One was focused on conformational investigation of 5HT3R in its ligand-bound open conformation, using cryo-electron microscopy (cryo-SPA), in order to understand the gating mechanism upon ligand activation. The other one was to combine SPA with cryo-ET and STA to push the resolution limitation of conventional cryo-ET and STA workflows.
In the end, three different cryo-EM conformations of membrane-embedded 5HT3R were resolved using cryo-SPA, two structures in resting closed forms, one C5-symmetric and one C1-asymmetric, and one serotonin-bound open form. These three structures presented a number of novel features related to the transition of the receptor to its ion-conductive state. Specifically, the serotonin-bound receptor shows asymmetric opening, which was speculated to occur via an intermediate asymmetric Apo state. In addition to the cryo-SPA work, application of cryo-ET and STA to the study of 5HT3R in native vesicles is described in this thesis. Additional work on methods development, focused on combining SPA and STA techniques, along with preliminary results on tobacco mosaic virus are also detailed and discussed.
Moreover, previously unreported asymmetric arrangements of the subunits of the homopentameric 5HT3R around the pore axis were revealed. The asymmetric open state is stabilized by phospholipids inserted at the interface between subunits, at a site well-documented for the binding of allosteric pLGIC modulators. These results not only give structural support to a large body of functional data on the effects of lipids on the function of this receptor family, but also provide structural guidance for future studies in this field. Meanwhile, the SPA-STA combined methods developed during the course of this work have the potential to help resolve higher resolution tomography-based structures, which would benefit researchers seeking to do in-situ-based structural studies.
Trace elemental concentrations of bivalve shells content a wealthy of environmental and climatic information of the past, and therefore the studies of trace elemental distributions in bivalve shells gained increasing interest lately. However, after more than half century of research, most of the trace elemental variations are still not well understood and trace elemental proxies are far from being routinely applicable. This dissertation focuses on a better understanding of the trace elemental chemistry of Arctica islandica shells from Iceland, and paving the way for the application of the trace elemental proxies to reconstruct the environmental and climatic changes. Traits of trace elemental concentrations on A. islandica shells were explored and evaluated. Then based the geochemical traits of the shells, four non-environmental/climatic controlling is indentified. (1) Trace elemental concentrations of bivalve shells are effected by early diagenesis by the leach or exchange of elemental ions, especially in shell tip part, even with the protection of periostrucum; (2) The analytical methods also affect the results of trace elemental concentrations, especially for the element, such as Mg, which is highly enriched in organic matrices; (3) Shell organic matrices are found play a dominating role on the concentration of trace elements on A. islandica shells. Most trace elements only occurred in insoluble organic matrices (IOM), although others are only found in the carbonate fraction. IOM of A. islandica shells is significantly enriched in Mg, while Li and Na are more deplete in IOM, but enriched in shell carbonate. Ba is more or less even contented in IOM and shell carbonate. The concentrations of certain elements vary between primary layer and secondary layer; (4) The vital /physiological controlling on trace elemental distributions of bivalve shells is also confirmed. Six elemental (B, Na, Mg, Mn, Sr, and Ba) concentrations show significant correlation (exponential functions) with ontogenetic age and shell grow rates (logarithmic equations). It is worthy to remark that B, Mg, Sr and Ba concentrations are negatively correlated with shell growth rate, positive with ontogenetic age, while the concentrations of Na and Mn show the opposite trends. At last, all the controlling described above can be taken into account and corrected to extract the environmental and climatic signal by a kind of standardization. The derived six exponential functions of the high correlations between six trace elemental concentrations and ontogenetic year are applied to make the standardization of these element-Ca ratios. The gotten standardized indices are compared with the variations of environmental and climatic parameters in this region, and many correlations are found. Standardized indices of Sr/Ca ratios are strongly related to the sun spot number, autumn NAO, autumn Europe surface air temperature (SAT) and Arctic sea surface temperature anomaly (TA), and those of Mg/Ca ratios are strongly associated with Arctic TA, Europe SAT and Solar variation (irradiance). The variations of autumn Europe SAT demonstrated more similarity with standardized indices of B/Ca than other parameters. Except for the SAT index of Arctic, the standardized indices of Na/Ca showed no distinct relation to temperature. European precipitation and the Arctic sea level pressure index compared well the Na/Ca ratios of the shells, and so did the autumn NAO. Standardized indices of Mn/Ca were correlated with the number of hurricanes in the North Atlantic, Northern Europe SAT and sun spot number.
The transporter associated with antigen processing-like (TAPL) acts as a lysosomal ATP-dependent polypeptide transporter with broad length selectivity. To characterize in detail its substrate specificity, a procedure for solubilization, purification and functional reconstitution of human TAPL was developed. TAPL was expressed in Sf9 insect cells with the baculovirus expression system and solubilized from crude membranes. By intensive screening of detergents, the mild non-ionic detergents digitonin and dodecylmaltoside were found to be ideal for solubilization with respect to efficiency, long term stability, and functionality of TAPL. TAPL was isolated in a two-step procedure with a yield of 500 micro g/L cell culture and, subsequently, reconstituted into proteoliposomes. The KM(pep) for the peptide RRYCfKSTEL (f refers to fluorescence label) and KM(ATP) were determined to be 10.5 ± 2.3 micro M and 97.6 ± 27.5 micro M, respectively, which are in the same range as the Michaelis-Menten constants determined in the membranes. The peptide transport activity of the reconstituted TAPL strongly depends on the lipid composition. Interestingly, the E. coli lipids are prefered over other tested natural lipids extracts. Moreover, phosphatidylcholine, the most abundant phospholipid in eukaryotic cells influenced TAPL activity in a dose dependent manner. In addition, some negatively charged lipids like DOPA and DOPS increased peptide transport activity with preference for DOPS. However, DOPE or egg PG which are also negatively charged had no effect. It seems not only the charge but also the specific head group of phospholipids that has impact on the function of TAPL. With the help of combinatorial peptide libraries containing D-amino acid residues at defined positions as well as bulky fluorescein labeled peptides, the key positions of the peptides were localized to the N- and C-terminal residues with respect to peptide transport. The C-terminal position has the strongest selectivity since modification at this position shows strongest impact on peptide transport. Additionally, positions 2 and 3 of the peptide also have weak influence on peptide selectivity. Subsequently, the residue preferences at the key positions were systematically investigated by combinatorial peptide libraries with defined residues at certain positions. At both ends, TAPL favors positively charged, aromatic, or hydrophobic residues and disfavors negatively charged residues as well as asparagine and methionine. The residue preferences at the key positions are valid for peptide substrates with different length, indicating a general rule for TAPL selectivity. Besides specific interactions of both terminal residues, electrostatic interactions are important, since peptides with positive net charge are more efficiently transported than negatively charged ones. By size exclusion chromatography (SEC) and blue native PAGE, TAPL purified in the presence of digitonin or dodecylmaltoside had an apparent molecular weight of 200 kDa which is close to the theoretical molecular mass of the TAPL homodimer (172 kDa). The purified and reconstituted TAPL showed specific ATP hydrolysis activity which can be inhibited by orthovanadate. TAPL in proteoliposomes showed 6-fold higher ATP hydrolysis than digitonin solubilized protein, indicating the phospholipids impact on TAPL function. However, no peptide substrate stimulated ATPase activity was observed. For site-specific labeling of TAPL, eight cysteines in each half transporter were replaced by alanine or valine. The TAPL cys-less mutant showed the same peptide transport activity as TAPL wt. Based on the functional TAPL cys-less mutant, seven single cysteine mutants were introduced into strategic positions. All single cysteine mutants in the TMD did not influence peptide transport, whereas the mutant L701C, which is close to the conserved H-loop motif, displayed impaired transport. TAPL orthologs Haf-4 and Haf-9 from Caenorhabditis elegans possess around 40% sequence identities with TAPL and 50% with each other. Both proteins are putative half transporters and reported to be involved in the intestinal granule formation (Bauer, 2006; Kawai et al., 2009). To further understand the physiological functions of these two proteins, they were expressed in Sf9 insect cells. Haf-4 and Haf-9 showed weak but specific ATP- and peptide-dependent peptide transport activity for the given peptide RRYCfKSTEL. Therefore, it was proposed that the physiological roles for Haf-4 and Haf-9 might be related to their peptide transport activity. Besides forming functional homodimeric complex as estimated by the peptide transport activities, both half transporter could also form heteromers which was confirmed by coimmunoprecipitation. However, the heteromers showed decreased transport activity.
The application of natural products (NPs) as drugs and lead compounds has greatly improved human health over the past few decades. Despite their success, we still need to find new NPs that can be used as drugs to combat increasing drug resistance via new modes of action and to develop safer treatments with less side effects.
Entomopathogenic bacteria of Xenorhabdus and Photorhabdus that live in mutualistic symbiosis with nematodes are considered as promising producers of NPs, since more than 6.5% of their genomes are assigned to biosynthetic gene clusters (BGCs) responsible for production of secondary metabolites. The investigation on NPs from Xenorhabdus and Photorhabdus can not only provide new compounds for drug discovery but also help to understand the biochemical basis involved in mutualistic and pathogenic symbiosis of bacteria, nematode host and insect prey.
Nonribosomal peptides (NRPs) are a large class of NPs that are mainly found in bacteria and fungi. They are biosynthesized by nonribosomal peptide synthetases (NRPSs) and display diverse functions, representing more than 20 clinically used drugs. Although a large number of NRPs have been identified in Xenorhabdus and Photorhabdus, the advanced genome sequencing and bioinformatic analysis indicate that these bacteria still have many unknown NRPS-encoding gene clusters for NRP production that are worth to explore. Therefore, this thesis focuses on the discovery, biosynthesis, structure identification, and biological functions of new NRPs from Xenorhabdus and Photorhabdus.
The first publication describes the isolation and structure elucidation of seven new rhabdopeptide/xenortide-like peptides (RXPs) from X. innexi, incorporating putrescine or ammonia as the C-terminal amines. Bioactivity testing of these RXPs revealed potent antiprotozoal activity against the causative agents of sleeping sickness (Trypanosoma brucei rhodesiense) and malaria (Plasmodium falciparum), making them the most active RXP derivatives known to date. Biosynthetically, the initial NRPS module InxA might act iteratively with a flexible methyltransferase activity to catalyze the incorporation of the first five or six N-methylvaline/valine to these peptides.
The second publication focuses on the structure elucidation of seven unusual methionine-containing RXPs that were found as minor products in E. coli carrying the BGC kj12ABC from Xenorhabdus KJ12.1. To confirm the proposed structures from detailed HPLC-MS analysis, a solid-phase peptide synthesis (SPPS) method was developed for the synthesis of these partially methylated RXPs. These RXPs also exhibited good effects against T. brucei rhodesiense and P. falciparum, suggesting RXPs might play a role in protecting insect cadaver from soil-living protozoa to support the symbiosis with nematodes.
The third publication presents the identification of a new peptide library, named photohexapeptide library, which occurred after the biosynthetic gene phpS was activated in P. asymbiotica PB68.1 via promoter exchange. The chemical diversity of the photohexapeptides results from unusual promiscuous specificity of five out of six adenylation (A) domains being an excellent example of how to create compound libraries in nature. Furthermore, photohexapeptides enrich the family of the rare linear D-/L-peptide NPs.
The fourth publication concentrates on the structure elucidation of a new cyclohexapeptide, termed photoditritide, which was produced by P. temperata Meg1 after the biosynthetic gene pdtS was activated via promoter exchange. Photoditritide so far is the only example of a peptide from entomopathogenic bacteria that contains the uncommon amino acid homoarginine. The potent antimicrobial activity of photoditritide against Micrococcus luteus implies that photoditritide can protect the insect cadaver from food competitor bacteria in the complex life cycle of nematode and bacteria.
The last publication reports a new family of cyclic lipopeptides (CLPs), named phototemtides, which were obtained after the BGC pttABC from P. temperata Meg1 was heterologously expressed in E. coli. The gene pttA encodes an MbtH protein that was required for the biosynthesis of phototemtides in E. coli. To determine the absolute configurations of the hydroxy fatty acids, a total synthesis of the major compound phototemtide A was performed. Although the antimalarial activity of phototemtide A is only weak, it might be a starting point towards a selective P. falciparum compound, as it shows no activity against any other tested organisms.
Unlimited self-renewal is an absolute prerequisite for any malignancy, and is the ultimate arbiter of the continuous growth and metastasis of tumors. It has been suggested that the self-renewal properties of a tumor are exclusively contained within a small population, i.e., the so-called cancer stem cells. Enhanced self-renewal potential plays a pivotal role in the development of leukemia. My data have shown that APL associated translocation products PML/RARalpha and PLZF/RARalpha increased the replating efficiency of mouse lin-/Sca1+ hematopoietic stem cells (HSCs). This effect is partly mediated by induction of gamma–catenin which is an important mediator of the Wnt signaling pathway and has been shown to be up regulated by the AML associated translocation products(AATPs). Suppression of gamma–catenin by siRNA can abrogate the increased replating efficiency induced by AATPs. Transduction of gamma–catenin in lin-/Sca1+ HSCs led to increased replating efficiency and the expression of stem cell markers Sca1 and c-kit. Additionally it induced accelerated cell cycle progression of mouse bone marrow HSCs. Transduction/transplantation mouse models have shown that ectopic expression of gamma–catenin in HSCs led to acute myeloid leukemia without maturation. These data suggest important roles of Wnt signaling pathway in the leukemogenesis induced by PML/RARalpha, PLZF/RARalpha and AML1/ETO. In contrast to AATPs, CML and Ph+-ALL associated translocation products p185(BCR-ABL) and p210(BCR-ABL) did not affect the self-renewal potential of hematopoietic stem/progenitor cells. However my studies indicated that their reciprocal translocation products p40(ABL/BCR) and p96(ABL/BCR) actually increased the replating efficiency of hematopoietic stem/progenitor cells. The effect is stronger when induced by p96(ABL/BCR) than by p40(ABL/BCR). It is very intriguing that p96(ABL/BCR) can activate Wnt signaling and up regulate the expression of HoxB4. Transduction/transplantation mouse model has shown that p40(ABL/BCR) and p96(ABL/BCR) both have their own leukemogenic potential. Given the fact that leukemic stem cells maintain the growth of tumor and are the origin of relapse, the cure of leukemia is dependent on the eradication of the leukemic stem cell and abrogation of aberrantly regulated self-renewal capability. Both t-RA and As2O3 have been shown to induce complete remission in APL patients with PML/RARalpha translocation product. However, t-RA as a single agent achieves completeremission (CR) but not complete molecular remissions (CMR). Therefore, virtually all patients will experience a relapse within a few months. In contrast to t-RA, As2O3 as a single agent is able to induce CR as well as CMR followed by long-term relapse-free survival in about 50% of APL patients even if relapsed after treatment with t-RA-containing chemotherapy regimens. Nothing is known about the mechanisms leading to the complete different clinical outcomes by the two compounds although both have been shown to induce differentiation of blast cells, proliferation arrest, induction of apoptosis and degradation of PML/RARalpha. We investigated the effect of t-RA and arsenic on PML/RARalpha-expressing cell population with stem cell capacity derived from the APL cell line NB4 as well as Sca1+/lin- murine bone marrow cells. We found that t-RA did not reduce the replating efficiency in PML/RARalpha- and PLZF/RARalpha-infected Sca1+/lincells whereas it selected small compact colonies representing very early progenitor cells. T-RA was unable to reduce the capacity to form colony forming units-spleen (CFU-S) of Sca1+/lin-cells expressing PML/RARalpha, additionally t-RA did not impair the capability of engraftment of NB4 cells in NOD/SCID mouse. On the contrary to t-RA, As2O3 abolished the aberrant self-renewal potential of Sca1+/lin- cells expressing PML/RARalpha. As2O3 not only abolished the replating efficiency of PML/RARalpha positive cells but also completely abrogated the ability of PML/RARalpha-positive HSC to produce CFU-S in vivo. On the contrary to As2O3, t-RA increased the absolute cell number and the percentage of cells in the side population with respect to the whole cell population in NB4 cells. Taken together these data suggest that arsenic but not all-trans retinoic acid overcomes the aberrant stem cell capacity of PML/RARalpha positive leukemic stem cells. My data prove for the first time that there is a direct relationship between the capacity of compounds to effectively target the LSC and their capacity to eradicate the leukemia, and, thereby, to induce complete molecular remission and long-term relapse-free survival. Thus, in order to increase the curative potential of leukemia therapies, future studies need to include the effect of given compounds on the stem cell compartment to determine their ability to eradicate the LSC.
Clinical application of transcranial Doppler for detection of cerebral emboli during cardiac surgery
(2010)
Objective: Neurologic injury is one of the most damaging complications for cardiac surgery. How to decrease neurologic impairment by improving perioperative monitoring remains a challenge for both cardiac surgeons and anesthetists. For this reason, transcranial doppler (TCD) has been widely used in cerebral monitoring during cardiac surgery. In this study, two experiments of clinical application of TCD for detection of cerebral emboli during cardiac surgery were to be done. One was “Solid and gaseous cerebral emboli during valvular surgery are significantly reduced with axillary artery cannulation”. The other was “Do intraoperative cerebral embolic signals differ between valvular surgery (VS) and CABG”. Methods: In experiment one, 20 valve and combined procedures with aortic cannulation (AoC group) were compared to 18 procedures with axillary cannulation (AxC group) in a prospective non-randomized study. In experiment two, 18 VS patients and 18 CABG patients were matched by extracorporeal circulation (ECC) time retrospectively. Intraoperative monitoring of both middle cerebral arteries was performed with TCD discriminating between solid and gaseous embolic signals (ES). Results: In experiment one, the AxC group had less solid ES than the AoC group (38±22 vs 55±25, P<0.05), but no significant difference was found in gaseous (501±271 vs 538±333, P>0.05) and total (539 ± 279 vs 593 ± 350, P>0.05) ES. The AxC group had less solid ES during arterial cannulation (2.1±1.5 vs 6.6±3.6, P<0.05) and during aortic cross-clamp time (4.4 ±3.1 vs 10.2 ± 5.1, P<0.05) than the AoC group. During ECC, gaseous ES was not significantly different between groups (398±210 vs 448±291, P>0.05). However, AxC showed less gaseous ES (85±68 vs 187±148, P<0.05) and less gaseous ES per minute (1.8±1.5 vs 4.5±3.2, P<0.05) during weaning off extracorporeal circulation than the AoC group. No significant difference in gaseous ES (313±163 vs 261±189, P>0.05) and gaseous ES per minute (3.1±2.2 vs 2.8±2.2, P>0.05) was found between groups from bypass start to aortic declamping. No neurologic complications occurred. In experiment two, no significant difference was found in solid (38±20 vs 40±26, P>0.05) or gaseous (457±263 vs 412±157, P>0.05) ES between the VS and CABG group during the whole recording time. During ECC, solid ES (20±10 vs 24±19, P>0.05) and gaseous ES (368±230 vs 317±157, P>0.05) were comparable between groups. Specifically, during weaning off ECC, the VS group had more gaseous ES/min (5.6±3.6 vs 3.1±1.2, P<0.05) than the CABG group. But this difference in gaseous ES/min was not significant during the period from bypass start to aortic declamping (2.5±1.8 vs 3.0±1.8, P>0.05). Conclusion: Cerebral embolization does occur during cardiac surgery. Through these two experiments, we demonstrated the feasibility and importance of clinical application of transcranial doppler for detection of cerebral emboli during cardiac surgery. Due to the diversity in clinical application of TCD, it is impossible to compare the number of ES between different research centers. More unified standards should be drawn in order to make wider clinical application possible. Up till now, no robust evidence shows the correlation between intraoperative ES and postoperative neurological impairment. The research on intraoperative ES and postoperative neurological impairment should rely on a complete concept.
Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Synthese und strukturellen Charakterisierung von sandwichartig aufgebauten kupferhaltigen Organosiloxanen. Diese sollten nach Möglichkeit kristalline Eigenschaften aufweisen und ein interessantes magnetisches Verhalten zeigen. Es galt, die Beziehungen zwischen molekularer Struktur und magnetischen Eigenschaften herauszuarbeiten, um auf der Basis experimenteller Daten dem maßgeschneiderten Design neuer molekularer Magnete näher zu kommen. .... Die in der hier vorgelegten Arbeit erzielten Ergebnisse belegen, dass der Weg zur gezielten Erzeugung molekularer Magnete erfolgreich beschritten wurde. Es wird weiteren Arbeiten vorbehalten bleiben, Cluster der nun vorliegenden Art chemisch so zu verknüpfen, dass daraus polymere Ketten oder Netzwerke entstehen. Deren magnetisches Verhalten lässt erwarten, dass damit möglicherweise neue Materialien zugänglich werden, die dem Anspruch eines molekularen Magneten voll gerecht werden.
The Na+/proline transporter of E. Coli (PutP) is responsible for the uptake of proline which is subsequently used not only as a carbon and nitrogen source and a constituent of proteins but also as a particularly effective osmoprotectant. However, for a long time there was little known about the single steps in the reaction cycle of this transporter and only few details about its structure-function relationship are available. Aim of the present work was to achieve a deeper understanding about the kinetic properties of the Na+/proline transporter and to get insights into the structure-function relationship of the substrate binding. To answer these questions different techniques were used. By using the novel SSM technique combining the preparation of PutP proteoliposomes it was possible to demonstrate for the first time the electrogenic substrate binding to PutP transporter. Due to rapid solution exchange measurements on the SSM it was additionally possible to obtain time resolved information about the kinetic details of the cytoplasmic substrate binding sites which were not available by previous steady state and equilibrium binding measurements. Pre-steady-state charge translocation was observed after rapid addition of one or both of the cosubstrates Na+ and/or proline to the PutP-WT proteoliposomes adsorbed on the SSM. Thereby it was possible to link the observed electrical signals with the binding activity of PutP. The observed Na+ and/or proline induced charge displacement were assigned to an electrogenic Na+ and/or proline binding process at the cytoplasmic face of the enzyme with a rate constant of k > 50 s-1 proceeding the rate limiting step of the reaction cycle. Furthermore, based on the kinetic analysis of the electrical signals obtained from the measurements of PutP on SSM, the following characteristics of the substrates binding in PutP were deduced: (1) both Na+ and proline can bind individually to the transporter. Under physiological conditions, an ordered binding mechanism prevails; while at sufficiently high concentrations, each substrate can bind in the absence of the other; (2) substrate binding is electrogenic not only for Na+, but also for the uncharged cosubstrate proline. The charge displacement associated with Na+ binding and proline binding is of comparable size and independent of the presence of the respective cosubstrate. In addition, it was concluded that Na+ accesses its binding site through a high-field access channel resulting in a charge translocation, whereas the binding of the electroneutral proline induces a conformation alteration involving the displacement of charged amino acid residue(s) of the protein; (3) Na+ and proline binding sites interact cooperatively with each other by increasing the affinity and/or the speed of binding of the respective cosubstrate; (4) proline binding proceeds in a two step process: low affinity (~ 0.9 mM) electroneutral substrate binding followed by a nearly irreversible electrogenic conformational transition; (5) membrane impermeable PCMBS inhibits both Na+ and proline binding to the inside-out orientated PutP transporter, indicating that rather than selectively blocking a specific binding site, PCMBS probably locks the enzyme in an inactive state. The possible targets for this SH-reagent are cysteines 281 and 344 located close to the cytoplasmic surface of the protein. Beyond it, transient electrical currents of PutP were also observed on the BLM after rapid addition of proline in the presence of Na+. This was possible by combining the conventional BLM technique with high-speed flash-photolysis of caged-proline. Indeed the signals on the BLM indicate the detection of a different underlying reaction process in comparison to the data achieved by the SSM technique. This has paved the way for supplemental information about the reaction cycle since it was possible to assign the flash-photolysis BLM signals to the proline binding step followed by the internalization of Na+ and proline into the liposome. Thereby it was found, that the presence of Na+ is indispensable and the time constant for the process is ~ 63 ms. Moreover, structure-function information about the Na+ and proline binding sites of PutP was obtained by investigating the functionally important amino acid residues Asp55, Gly63 and Asp187 with site-directed mutagenesis and the combined SSM technique. One finding is that the mutated proteins PutP-D55C and PutP-G63C showed no activity on the SSM. Therefore, it can be assumed that either both Asp55 and Gly63 are crucial for the structure of PutP protein, or they are located at or close to the Na+ and proline binding sites. Furthermore, the results obtained from PutP-D187N and PutP-D187C mutants on SSM suggest that Asp187 of PutP is likely to be involved in the Na+ binding at the cytoplasmic side of the backward running carrier. Taken together the results of the present work have substantially broadened the known picture of the Na+/proline transporter PutP thereby several steps of the reaction cycle were elucidated, and moreover, valuable insights into the structure-function relationship of the transporter have become available.
Slack (sequence like a Ca2+ -activated K + channel; also termed Slo2.2, Kcnt1, or KNa 1.1) is a Na+ -activated K + channel that is highly expressed in the peripheral and central nervous system. Previous studies have shown that Slack is enriched in the isolectin B4binding, non-peptidergic subpopulation of C-fiber sensory neurons and that Slack controls the sensory input in neuropathic pain. Recent single-cell RNA-sequencing studies suggested that Slack is highly co-expressed with transient receptor potential (TRP) ankyrin 1 (TRPA1) in sensory neurons. By using in situ hybridization and immunostaining we confirmed that Slack is highly co-localized with TRPA1 in sensory neurons, but only to a minor extent with TRP vanilloid 1. Mice lacking Slack globally or conditionally in sensory neurons (SNS-Slack─/─ ), but not mice lacking Slack conditionally in neurons of the spinal dorsal horn (Lbx1-Slack─/─ ), displayed increased pain behavior after intraplantar injection of the TRPA1 activator allyl isothiocyanate. Patch-clamp recordings with cultured primary neurons and in a HEK-293 cell line transfected with TRPA1 and Slack revealed that Slack-dependent K + currents are modulated in a TRPA1-dependent manner. Taken together, these findings highlight Slack as a modulator of TRPA1-mediated activation of sensory neurons.
Furthermore, we investigated the contribution of Slack in the spinal dorsal horn to pain processing. Lbx1-Slack ─/─ mice demonstrated normal basal pain sensitivity and Complete Freund’s Adjuvant-induced inflammatory pain. Interestingly, we observed a significantly increased spared nerve injury (SNI)-induced neuropathic pain hypersensitivity in Lbx1-Slack ─/─ mutants compared to control littermates. Moreover, we tested the effects of pharmacological Slack activation in the SNI model. Systemic and intrathecal, but not intraplantar administration of the Slack opener loxapine significantly alleviated SNI-induced hypersensitivity in control mice, but only slightly in Lbx1Slack ─/─ mice, further supporting the inhibitory function of Slack in spinal dorsal horn neurons in neuropathic pain processing.
Altogether, our data suggest that Slack in sensory neurons controls TRPA1-induced pain, whereas Slack in spinal dorsal horn neurons inhibits peripheral nerve injury induced neuropathic pain. These data provide further insights into the molecular mechanisms of pain sensation.
Philosophy is essentially dialectical. One gets into a dialectic by a puzzle, an aporia in thought and understanding. The point of philosophizing is not (necessarily) to get hold of the ultimate, objective, and immutably correct answers. The point is rather to come to be able to see one’s way out of the aporia, and to understand how one got into it in the first place.
The essay that follows – which I am submitting as my dissertation – is dialectical in two senses. As a piece of philosophizing, the essay is guided by a problem, the problem of understanding how laws of nature are possible, and how it is possible for us to know them. The movement of thought generated by attempts to get out of the problem then yields some ideas that do not stay in the original context in which the problem was felt to exist. Two important ones are, first, perceptual experience is not the only ultimate source of warrant we have for empirical knowledge claims, and second, perceptual experience is not the only epistemically significant experience we can have. Both are consequences of the idea that the mastery of skills is a form of interaction with nature that provides epistemic warrant for nomological claims. I shall leave it to the epilogue to examine how this view of skills contrasts with the ways skills are ordinarily thought of in philosophy and the implication of it for empiricism.
The other sense in which the essay is dialectical is more interesting, and it has to do with the way in which I approach the problem that got me into started, namely, by paying special attention to the dialectic exchange between the realists and the antirealists about the laws of nature. Antirealism about the lawfulness of nature has experienced something like a post-Humean revival since the publication of van Fraassen’s The Scientific Image. Most, including me, have strong realist intuitions about nomological “connections” in nature. Philosophical positions that are strongly counterintuitive have mostly not ended well in history. So it becomes something of a puzzle why antirealism about laws of nature manages to enjoy popularity every now and then.
Xenorhabdus and Photorhabdus bacteria are gaining more and more attention as a subject of research because of their unique yet similar life cycle with nematodes and insects. This work focused on the secondary metabolites that are produced by Xenorhabdus and Photorhabdus. With the help of modern HPLC-MS methodologies and increasingly available bacterial genome sequences, the structures of unknown secondary metabolites could be elucidated and thus their biosynthesis pathways could be proposed, too.
The first paper reported 17 depsipeptides termed xentrivalpeptides produced by the bacterium Xenorhabdus sp. 85816. Xentrivalpeptide A could be isolated from the bacterial culture as the main component. The structure of xentrivalpeptide A was elucidated by NMR and the Marfey´s method. The remaining xentrivalpeptides were exclusively identified by feeding experiments and MS fragmentation patterns.
The second paper described the discovery and isolation of xenoamicin A from Xenorhabdus mauleonii DSM17908. Additionally, other xenoamicin derivatives from Xenorhabdus doucetiae DSM17909 were analyzed by means of feeding experiments and MS fragmentation patterns. The xenoamicin biosynthesis gene cluster was identified in Xenorhabdus doucetiae DSM17909.
The manuscript for publication focused on the biosynthesis of anthraquinones in Photorhabdus luminescens. The Type II polyketide synthase for the biosynthesis of anthraquinone derivatives was discovered in P. luminescens in a previous publication by the Bode group,1 in which a partial reaction mechanism for the biosynthesis has been proposed. The manuscript reported in this thesis however elucidated the biosynthetic mechanisms in a greater detail as compared to the previous publication. Particularly, the biosynthetic mechanism was deciphered through heterologous expression of anthraquinone biosynthesis (ant) genes in E. coli. Additionally, deactivation of the genes antG encoding a putative CoA ligase and antI encoding a putative hydrolase, was performed in P. luminescens. Selected ant genes were over-expressed in E. coli as well as the corresponding proteins purified for in vitro assays. Model compounds were chemically synthesized as possible substrates of AntI and were used for in vitro assays. Here, it was revealed that the CoA ligase AntG played an essential role in the activation of the ACP AntF. Furthermore, a chain shortening mechanism by the hydrolase AntI was identified and was further confirmed by in vitro assays using model compounds. Additionally, this chain shortening mechanism was supported by homology based structural modeling of AntI.
Within this thesis, an experimental study of the photo double ionization (PDI) and the simultaneous ionization-excitation is performed for lithium in different initial states Li (1s22l) (l = s, p). The excess energy of the linearly polarized VUV-light is between 4 and 12 eV above the PDI-threshold. Three forefront technologies are combined: a magneto-optical trap (MOT) for lithium generating an ultra-cold and, by means of optical pumping, a state-prepared target; a reaction microscope (ReMi), enabling the momentum resolved detection of all reaction fragments with high-resolution and the free-electron laser in Hamburg (FLASH), providing an unprecedented brilliant photon beam at favourable time structure to access small cross sections. Close to threshold the total as well as differential PDI cross sections are observed to critically depend on the excitation level and the symmetry of the initial state. For the excited state Li (1s22p) the PDI dynamics strongly depends on the alignment of the 2p-orbital with respect to the VUV-light polarization and, thus, from the population of the magnetic substates (mp = 0, ±1). This alignment sensitivity decreases for increasing excess energy and is completely absent for ionization-excitation. Time-dependent close-coupling calculations are able to reproduce the experimental total cross sections with deviations of at most 30%. All the experimental observations can be consistently understood in terms of the long range electron correlation among the continuum electrons which gives rise to their preferential back-to-back emission. This alignment effect, which is observed here for the first time, allows controlling the PDI dynamics through a purely geometrical modification of the target initial state without changing its internal energy.
Metallorganische Netzwerke (engl. metal-organic frameworks, MOFs) sind eine neuartige Klasse mikro/mesoporöser Materialien, für die eine Vielzahl von möglichen Anwendungen demonstriert werden konnte. Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Synthese von MOF Mikro/Nanopartikeln sowie der Herstellung von sogenannten Oberflächen-deponierten MOFs (engl. surface-attached metal-organic frameworks, SURMOFs). MOF Partikel mit kontrollierbarer Morphologie und Größe wurden unter milden Bedingungen synthetisiert. Um MOFs als Sensoren, intelligente Membrane, oder in nanotechnologischen Bauelementen verwenden zu können, ist die Integration auf der jeweiligen Oberfläche wichtig. Daher beschäftigt sich der Großteil dieser Arbeit mit der kontrollierten Abscheidung von SURMOFs auf verschiedenartigen Trägermaterialien. Etliche interessante Eigenschaften (z.B. die Fluoreszenz in Abhängigkeit von der Gegenwart von Gastmolekülen und die dynamische Gasadsorptionskapazität) der SURMOFs wurden untersucht.
The process of urbanization is one of the major causes of the global loss of biodiversity; however, cities nowadays also have the potential to serve as new habitats for wildlife. The European rabbit (Oryctolagus cuniculus, L. 1758) is a typical example of a wildlife species that reaches stable population densities in cities. Due to intense plant and soil damages, German city authorities aim to control high rabbit densities through the application of a yearly hunting regime (e. g., in Munich, Berlin or Frankfurt am Main). In contrast, population densities of O. cuniculus are on decline in German rural areas, i. e., numbers of yearly hunting bags decreased. The aim of my doctoral thesis was to answer the following research questions: Do population densities of the European rabbit correlate with the intensity of urbanization in and around Frankfurt am Main and if so, which factors play a role in varying densities? How are burrow construction behaviors and group sizes, daytime activity patterns and anti-predator behaviors as well as communication behaviors of this mammal affected by urbanization?
In my first study, I focused on population dynamics across 17 different study sites in and around Frankfurt. As one of yet few studies, I invented an approach that quantified the intensity of urbanization (degree of urbanity) of each study site base on four variables: (1) intensity of anthropogenic disturbance per min and ha, (2) number of residents within a radius of 500 m, (3) proportion of artificial ground cover and (4) numbers of anthropogenic objects per ha. Spearman rank correlations confirmed that with increasing degree of urbanity also rabbit and burrow densities increased. The access to dense shrubs, bushes etc. as suitable sites for burrow construction is the most determining factor for rabbit abundances, and therefore I presumed different densities along the rural-to-urban gradient to be driven by shifts in the availability of thick vegetation.
In the second study, I calculated two indices that in both cases classified burrows to be either accumulated, evenly or randomly distributed within study sites. Additionally, in cooperation with local hunters the number of burrow entrances and animals that occupy the same burrow had been determined during the hunting season. With increasing degree of urbanity burrow distribution patterns shifted from accumulated in rural areas towards more evenly distributed within the city center of Frankfurt. This is a clear sign for an increasing access to sites suitable for burrow construction along the rural to-urban gradient. Additional Spearman rank correlations revealed that the external dimensions of burrows decreased (shorter distances between entrances) and that burrows became less complex (fewer entrances) along the rural-to-urban gradient. In accordance, the number of rabbits that commonly shared the same burrow system was highest within rural areas, whereas I found mainly pairs and single individuals within highly urbanized study sites.
In the last study I compared activity patterns, burrow use and percentages of anti-predator behaviors from one hour before sunrise until one hour after sunset of rural, suburban and urban rabbit groups. A linear mixed model (LMM) and Spearman rank correlations confirmed that rabbits located at urban and suburban sites spent more time outside their protective burrows compared to their rural conspecifics. At suburban sites, individuals invested the least amount of time in anti-predator behavior. Results of this third study gave evidence that suburban rabbit populations on one hand benefit from less predation pressure by natural predators in comparison to rural sites, whereas on the other hand are exposed to less intense disturbance by humans compared to urban study sites.
The last study focused on the effects that urbanization had on the latrine-based communication behavior of rabbits. As many other mammals, O. cuniculus exchange information via the deposition of excreta in latrines, and depending on the intended receiver(s), latrines are either formed in central areas for within-group communication or at territorial boundaries, e. g., for between-group communication. The relative importance of within- vs. between-group communication depends on, amongst other factors, population densities and group sizes which I proved both to shift along the considered rural-to-urban gradient. I determined latrine sizes, latrine densities and latrine utilization frequencies relative to their distance to the nearest burrow at 15 different study sites. Latrine densities and utilization frequencies increased with increasing distance from the burrow in suburban and urban populations whereas at rural sites, largest latrines and those containing the most fecal pellets were close to the burrow, suggesting that within-group communication prevailed.
To sum up, for the first time, I was able to relate shifts in the ecology and behavior of the European rabbit as adaptations to a gradual anthropogenic habitat alteration that are typical for “urban exploiters”. Especially the suburban habitat provides high landscape heterogeneity (“edge habitat“) which is essential for high and stable rabbit populations. Moreover, here, comparably low human disturbance and predation pressure are given in contrast to the agriculturally transformed, open landscapes which are nowadays typical for most rural areas in central Europe. I argue that this mainly leads to the observed behavioral changes along the rural-to-urban gradient. Future plans for rural land management actions should aim to increase refuge availability by generating networks of ecotones. This would also benefit species that depend on similar ecosystem structures as the European rabbit and are on decline in Germany.
Reisen sind aus verschiedenen Gründen mit erhöhten gesundheitlichen Risiken verbunden, insbesondere dann, wenn damit lange Reisezeiten, beengte Reiseverhältnisse, klimatische und Ernährungsumstellungen sowie vermehrte physische und psychische Belastungen verbunden sind. Besonders gefährdet sind Reisende, deren Leistungsfähigkeit durch bedeutsame chronische Erkrankungen eingeschränkt sind, wozu die Erkrankungen des kardiovaskulären Formenkreises zählen. Häufig verzichten herzkranke Patienten deshalb auf Urlaubsreisen, weil sie das damit verbundene Gesundheitsrisiko scheuen. Die Deutsche Herzstiftung e. V. und die Deutsche Gesellschaft für Prävention und Rehabilitation von Herz-Kreislauferkrankungen (DGPR) empfehlen daher speziell für Herzkranke angebotene Reisen. Diese sogenannten „Herzreisen“ werden nach strengen Richtlinien durchgeführt und verstehen sich als ärztlich begleitete Gruppenreisen, die spezielle Angebote für Herzkranke enthalten. Hierzu zählen, ähnlich wie in den ambulanten Herzgruppen (AHG), ein tägliches Bewegungs- und Entspannungsprogramm, die Durchführung von Arzt-Patient-Seminaren, Arztsprechstunden sowie spezielle diätetische Angebote und cholesterinreduzierte Mahlzeiten. Diese Reisen und alle in diesem Zusammenhang organisierten Ausflüge werden von 2 bis 3 in der Notfallmedizin erfahrenen Ärzten begleitet, die immer eine Notfallausrüstung (Notfallkoffer, EKG-Gerät, Defibrillator) mit sich führen. Über das Auftreten von Erkrankungen, Komplikationen, Verletzungen und erforderliche ärztliche Kontrolluntersuchungen bei Herzkranken und nicht herzkranken Vergleichspersonen bei Urlaubs- bzw. Herzreisen lagen jedoch bisher keine wissenschaftlichen Daten vor. Ziel dieser prospektiven Untersuchung war es, Erkenntnisse über die Art und Häufigkeit kardiovaskulärer und anderer Komplikationen oder Erkrankungen zu gewinnen, die im Rahmen kommerzieller Urlaubsreisen bei Herz-Kreislaufpatienten auftreten und wie sie von den begleitenden Ärzten allein oder mit Hilfe der medizinischen Einrichtungen vor Ort gelöst werden können. Deshalb wurden die Daten aller Herzpatienten und Begleitpersonen analysiert (n = 588), die in den Jahren 2000 und 2001 an Urlaubsreisen der Firma Kalina, Köln, unter ärztlicher Betreuung teilgenommen haben. Die Datenerfassung der hauptsächlich als Flugreisen angebotenen Herzreisen war durch einen speziell entwickelten Anamnesebogen und ein Sprechstunden-/Betreuungsprotokoll möglich, die vor den Reisen an die begleitenden Ärzte ausgegeben wurden. 421 Herzpatienten (71,6 %) und 165 Begleitpersonen (28,1 %) nahmen an den untersuchten Herzreisen teil. Die Geschlechtsverteilung der Herzpatienten war sehr ausgeglichen ( 48,0 %, 51,8 %), unter den Begleitpersonen befanden sich jedoch deutlich mehr Frauen (82,4 %). Das mittlere Alter der Herzpatienten lag bei 66,5 Jahren, das der Begleitpersonen bei 60,9 Jahren. Die evaluierte Gruppe der Herzpatienten bestand aus teilweise schwer kardial erkrankten Personen, die häufig sogar an mehreren kardialen Erkrankungen gleichzeitig litten. Sie unterschieden sich von den Begleitpersonen vor allem im Bezug auf die Prävalenz von Begleiterkrankungen, (kardialen) Risikofaktoren und die Einnahme kardial wirksamer Medikamente. Wie zu erwarten war, kam es auf Herzreisen zu kardiovaskulären und auch anderen Zwischenfällen, die mit dem speziellen Patientenkollektiv und seinen Vorerkrankungen in Verbindung gebracht werden konnten. Alle Zwischenfälle wurden von den begleitenden Ärzten jedoch sicher gelöst, so dass die ständige Anwesenheit eines Arztes inklusive Notfallausrüstung zu Recht gefordert wird. Nur in Ausnahmefällen kam es zu schwereren Komplikationen, die die begleitenden Ärzten nicht selbst behandeln konnten und die eine ambulante Behandlung bei einem anderen Arzt oder eine stationäre Aufnahme im Krankenhaus notwendig machten. Die auf den Reisen aufgetretenen Komplikationen sind jedoch selten und unterscheiden sich zahlenmäßig nicht von denen, die im Rahmen anderer kardiologischer Rehabilitationen oder der ambulanten Herzgruppen auftreten. Auf Herzreisen muss allerdings aufgrund des speziellen Gefahrenpotentials von Herzpatienten schon aus statistischen Gründen immer mit Komplikationen gerechnet werden. Anders als in Berichten von Krasemann und Laubinger kam es während des 2-jährigen Untersuchungszeitraumes von Herzreisen zu keinem tödlichen Zwischenfall oder zum Auftreten eines Myokard- oder Reinfarktes. Im Vergleich zu den Begleitpersonen traten jedoch überdurchschnittlich mehr allgemeine und leichtere kardiale Probleme und auch medizinisch kritischere Komplikationen auf. Die Ergebnisse unserer Untersuchung bestätigen die Annahmen anderer Autoren, dass Herzreisen sicher durchführbar sind. Sie tragen dem Bedürfnis der Herzpatienten Rechnung, auch im Urlaub ein subjektives Gefühl der Sicherheit durch einen Arzt vermittelt zu bekommen und einen medizinischen Ansprechpartner zu haben, der im Notfall eingreifen kann. Die Herzreisen entsprechen damit wichtigen Zielen in der kardiologischen Rehabilitation und tragen zu einer weiteren Wiedereingliederung in den Alltag bei. Den Patienten wird es trotz Herzerkrankung ermöglicht, mit reduziertem Risiko, betreut in den Urlaub zu fahren und krankheitsangepasste Freizeitaktivitäten durchzuführen. Somit kann die Herzreise einen wichtigen Beitrag in der kardiologischen Rehabilitation leisten.
IL-22 ist ein TH17-Signaturzytokin und wird primär von aktivierten T- und NK-Zellen produziert. Die Literatur beschreibt IL-22 als immunregulatorisches Signalmolekül, welches vor allem bei Infektionen und Entzündungsprozessen eine wichtige Rolle spielt. Typische IL-22-induzierte Gene sind beispielsweise Akut-Phase-Proteine, β-Defensine sowie Matrixmetalloproteasen. In dieser Arbeit wurde erstmals gezeigt, dass IL-22 die IFNγ-induzierte iNOS-Expression in humanen DLD-1 Kolonkarzinomzellen massiv verstärkt. Eine gestörte iNOS-Induktion mit folglich extensiver NO-Produktion trägt zu entzündlichen Veränderungen und zur Tumorentstehung bei. Insbesondere gibt es stichhaltige Belege, welche iNOS und NO in Verbindung mit Krebs als potentes Mutagen, als Angiogenesefaktor, als Verstärker der Protoonkogenexpression und als Inhibitor der Apoptose charakterisieren. Demzufolge ist gerade die Identifikation von Signaltransduk-tionswegen von Interesse, welche das Potential zur Regulation der iNOS-Expression in epithelialen Kolonkarzinomzellen besitzen. Der Nachweis des IL-22-Rezeptorkomplexes sowie einer STAT3-Phosphorylierung belegte die IL-22-Responsivität der hier verwen-deten DLD-1 Kolonkarzinomzellen. Der Transkriptionsfaktor STAT3 gilt als prominentes Signalmolekül in der Signaltransduktionskette von IL-22. In der aktuellen Literatur wird STAT3 aufgrund seiner antiapoptotischen und proliferativen Eigenschaften als Onkogen definiert. Sowohl in Patienten mit Morbus Crohn als auch im humanen Kolorektalkarzinom ist eine Überexpression von STAT3 und iNOS beschrieben. Unter Verwendung einer STAT3-spezifischen siRNA konnte der Nachweis erbracht werden, dass STAT3 ein essen-tieller Faktor in der IL-22-vermittelten Induktion der iNOS-Expression ist. Luciferase-Reporterstudien zeigten, dass IL-22 die humane iNOS-Promotoraktivität in DLD-1 Zellen, welche die Photinus pyralis (Firefly)-Luciferase unter Kontrolle eines 16kb-iNOS-Promotor-konstrukts überexprimieren (DLD-1/pXP2-16kb), erhöht. Somit kann eine Regulation der Transkription durch IL-22 angenommen werden. Dennoch vermag diese Arbeit die Frage nach den transkriptionellen Regulationsmechanismen der IL-22-vermittelten iNOS-Expres-sion in DLD-1 Zellen nicht abschließend zu beantworten. Eine Beteiligung ausgewählter Parameter der Zellaktivierung wie beispielsweise NFκB, STAT1α oder IRF-1 an der IL-22-vermittelten iNOS-Induktion konnte durch die vorliegende Arbeit ausgeschlossen werden. Neben transkriptionellen Regulationsmechanismen übernimmt auch die Regulation der iNOS mRNA-Stabilität eine wichtige Funktion bei der Induktion der iNOS-Expression. Allerdings zeigten auch hier die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit, dass IL-22 die iNOS-mRNA nicht stabilisieren kann. Dies bekräftigt wiederum die Annahme, dass IL-22 auf transkriptioneller Ebene den iNOS-Promotor reguliert. Weitere Versuche zeigten auch, dass IL-22 spezifisch an der iNOS-Expression in Kolonkarzinomzellen beteiligt ist und keinen generellen Verstärker der IFNγ-induzierten Genexpression darstellt. Beachtet man hierbei die bedeutende Rolle von STAT3 und iNOS bei Entzündung und Karzinogenese, so repräsentiert IL-22 möglicherweise eine neue Zielstruktur für immuntherapeutische Interventionen im Rahmen dieser Erkrankungen. Der zweite Abschnitt der vorgelegten Arbeit beschäftigte sich mit der Regulation der IL-22-Sekretion im Kontext von Sepsis und systemischer Entzündung. Es stellte sich die Frage, inwiefern IL-22 in diesem komplexen klinischen Syndrom der Sepsis nachzuweisen ist. In diesem Zusammenhang zeigte sich, dass sowohl eine generelle T-Zellaktivierung sowie verschiedene Stimuli der angeborenen Immunität, hier im Besonderen ein hitze-inaktiviertes Lysat von Staphylococcus epidermidis, eine vermehrte IL-22-Produktion anre-gen. Eine wichtige Frage ist hier die pharmakologische Beeinflussung der IL-22-Sekretion. Da bei der Therapie einer Sepsis die Behandlung mit niedrig dosierten Glukokortikoiden Erfolg versprechend ist, wurde im Folgenden der Einfluss des klassischen antientzünd-lichen Pharmakons Dexamethason auf die IL-22-Sekretion in PBMC untersucht. Es konnte eindrucksvoll gezeigt werden, dass Dexamethason sowohl auf mRNA- als auch auf Proteinebene einen sehr potenten Inhibitor der S. epidermidis-induzierten IL-22-Sekretion darstellt. Um die in vitro-Daten der IL-22-Sekretion nach Immunaktivierung humaner PBMC durch in vivo-Experimente zu ergänzen, wurde ein kürzlich etabliertes Nagermodell der schweren Sepsis mit akutem Verlauf verwendet (CLI; caecum ligation and incision). In diesem Modell ist IL-22 im Vergleich zu unbehandelten Tieren signifikant erhöht. In Über-einstimmung mit den in vitro-Experimenten in humanen PBMC hat die Applikation von Dexamethason im CLI-Modell die Hemmung der IL-22-Produktion zur Folge. Zur Abrun-dung dieser Ergebnisse wurde das Serum von Patienten mit einer Peritonitis-bedingten Sepsis untersucht und es konnte erstmals eindrucksvoll gezeigt werden, dass IL-22 in dieser Patientengruppe signifikant erhöht ist. Zum aktuellen Zeitpunkt ist die Rolle von IL-22 in der Sepsis noch nahezu unbekannt. Daher ist zu klären, wie die eingehend beschriebene IL-22-vermittelte Aktivierung der epithelialen Immunabwehr, die systemische Immunsuppression über die Induktion von IL-10 sowie das proinflammatorische und destruktive Potential von IL-22 in Einklang zu bringen sind.
The technique of site-specific fluorescence labelling with Tetramethylrhodaminemaleimide (TMRM) in combination with two electrode voltage-clamp technique (TEVC), an approach that has been named voltage clamp fluorometry (VCF), has been used in this work to study the Na,K-ATPase. The TMRM dye has the ability to attach covalently to cysteine residues and it responds to changes in the hydrophobicity of its local environment. We exploited this property using a construct of the Na-pump in which the native, extracellularly accessible cysteines were removed and cysteine residues were introduced by site-directed mutagenesis in specific positions of the Na-pump. In this way it was possible to detect site-specific conformational rearrangements of the Na-pump in a time-resolved fashion within a native membrane environment. In particular this technique allows to resolve reactions with low electrogenicity that cannot be satisfactorily analyzed with purely electrophysiological techniques and to identify the conformations of the enzyme under specific ionic composition of the measuring buffers. We used VCF to study the influence that several cations like Na+, K+, NMG+, TEA+ and BTEA+ exert on the distribution of the Na,K-ATPase between several enzymatic intermediates and on some of the reactions related to cation transport. To this end we utilized the mutants N790C in the loop M5-M6 and the mutant E307C, T309C, L311C and E312C in the loop M3-M4. From the correspondence of the fluorescence changes with the activation and inhibition of pumping current, by K+ and ouabain respectively, and from the fact that in Na+/Na+ exchange conditions the voltage distribution of charge movement and fluorescence changes evoked by voltage jumps are in reasonable agreement we conclude that through the fluorescence signals measured from these mutants, we can indeed monitor conformational changes linked to transport activity of the enzyme. For the mutants N790 and L311, it was found that the Na+ dependence of the amplitude and kinetics of the fluorescence signal associated with the E1P-E2P transition is in agreement with the prediction of an access channel model describing the regulation of the access of extracellular Na+ to its binding site. In particular for the mutants E307 and T309 it was found that in Na+/Na+ exchange conditions, the conformational change tracked by the fluorescence was much slower than the charge relaxation at hyperpolarized potentials while the kinetics was very similar at depolarized potentials. This implies that at hyperpolarized potentials the conformational change connected to the E1P-E2P transition does not give a large contribution to the electrogenicity of the process which is also consistent with the access channel model. On the mutant N790C it was found that the external pH does not seem to have any effect on the E1P-E2P equilibrium even if it seems to modulate the fluorescence quantum yield of the dye. Fluorescence quenching experiments with iodide and D2O indicate that at hyperpolarized potentials the local environment of the mutant N790C, experiences a small change in the accessibility to water without major changes in the local electrostatic field ...
Die randomisierte, dreiarmig kontrollierte Studie zu täglicher, peroraler Zusatzkost (ONS) bei Hämodialysepatienten (CHD) im Endstadium der Niereninsuffizienz (ESRD) über 6 Monate zeigte keine signifikanten Verbesserungen hinsichtlich folgender Nutritions-/Retentions- und Inflammationsparameter: Subjective Global Assessment (SGA); Body Mass Index (BMI); Querschnitt des Muskulus Iliopsoas,Oberarmumfang und Dicke des Unterhautfettgewebes (MRT); örperzellmasse und Phasenwinkel (Bioimpedanzanalyse BIA); Tumornekrosefaktor α (TNFα); Interleukin 1β und 6 (IL-1β und IL-6); C-Reaktives Protein (CRP). Der Querschnitt des Muskulus biceps brachii blieb in der Kontrollgruppe anfangs und zum Ende höher wie in den Interventionsgruppen. Der Serumkreatininwert der Interventionsgruppe mit HIV war anfangs geringer als in den übrigen Gruppen, die glomeruläre Filtrationsrate entsprechend besser, zum Ende waren diese Unterschiede nivelliert. Der Hauptbefund liegt in der hohen Mortalitätsrate der HIV-positiven Hämodialysepatienten (2 von 7 Pat., 28,6%), von denen beide im SGA als schwer mangel-/fehlernährt eingestuft wurden. Die Therapie eines Malnutritions-Infalmmations-Komplexes ist nicht allein durch orale Zusatzkost möglich. Weitere Studien müssen multimodale Konzepte zur Diagnose und zur Therapie erforschen. Hierzu kann perorale Zusatzkost ein einfach durchzuführendes Mittel als Teil der Behandlungsstrategie sein, zur erweiterten Diagnose kann die Bioimpedanzanalyse eine Möglichkeit sein, um den Teilaspekt der Nutritionskontrolle zu erfüllen.
Die Differenzierung zwischen Teilpopulationen hin zu unterschiedlichen Arten kann nur erfolgen, wenn zwischen diesen Teilpopulationen reproduktive Isolation besteht. Wie die unterschiedlichen Arten von reproduktiver Isolation zusammenwirken und welche Voraussetzungen bestehen müssen, um neue Arten zu bilden, muss in jedem Studiensystem untersucht werden. Ein idealer Ansatzpunkt sind Arten, die sich mehrfach an anspruchsvolle Habitate angepasst haben, deren Artbildung also von ökologischen Habitatparametern bestimmt wird. Dieser Vorgang wird als Ökologische Artbildung bezeichnet. Im Artkomplex Poecilia spec., der im Süden Mexikos mehrere schwefelangepasste Ökotypen ausgebildet hat, wurden erste Hinweise auf eine Korrelation zwischen der Selektionsstärke von natürlicher und sexueller Selektion gefunden, deren Einfluss zusammen die bestehenden reproduktiven Barrieren zwischen Klarwasser- und Schwefelökotyp formen. Wie diese Reproduktionsbarrieren beschaffen sind und wie die Umweltvariable Schwefel auf die Morphologie und das Verhalten der Poeciliiden Einfluss nimmt, wurde in der vorliegenden Arbeit anhand von fünf Fragestellungen untersucht. (1) Die Körperfärbung kann ein aussagekräftiges Signal für die Qualität des potentiellen Partners bei der Fortpflanzung sein. Wie beeinflusst die extreme Umweltvariable Schwefel die Ausbildung von Färbung? (2) Sind die gefundenen Anpassungen der Färbung erblich oder werden sie plastisch entsprechend des Nahrungsangebots ausgebildet? (3) In einem der untersuchten Flusssysteme konnte unvollständige reproduktive Isolation zwischen der Klarwasser- und Schwefelpopulation nachgewiesen werden. Sind in den Mischzonen zwischen diesen beiden Habitaten Hybriden genetisch nachweisbar und bilden diese die Färbungsanpassungen der Klarwasser-, der Schwefelpopulation oder eine intermediäre Form aus? (4) Die Gelbfärbung der Flossen bei Männchen scheint ein geeignetes Merkmal für die Anzeige der Qualität zu sein, da es möglicherweise unabhängig vom Nahrungsangebot ausgebildet wird. Besteht eine weibliche Präferenz für dieses Merkmal? (5) Auch die weibliche Partnerwahlpräferenz wird vom Habitat und dem eigenen Zustand beeinflusst. Wie verändert sich die Präferenz für Männchen mit gutem Ernährungszustand bei Weibchen, die hungrig sind?
Um diese Fragen zu beantworten, wurden in mehreren Jahren Männchen und Weibchen der Arten Poecilia mexicana und Poecilia sulphuraria aus sieben Populationen im Studiengebiet in Südmexiko gefangen und auf ihre Färbung untersucht sowie Laborpopulationen getestet. Es konnten generelle Anpassungen der Färbung an die Umweltvariable Schwefel nachgewiesen werden. Dazu gehören die Aufhellung der Körperregionen, die durch Tarnung (konkret: countershading und background matching) vor Entdeckung durch Prädatoren schützen, und die Reduktion von Gelb- und Rottönen. Diese Anpassung ist vermutlich auf das geringe Angebot an Karotinoiden in den schwefelbelasteten Extremhabitaten zurückzuführen. Außerdem konnten zahlreiche flusssystem¬spezifische Anpassungen beschrieben werden, deren Ursachen in den Unterschieden zwischen den Schwefelhabitaten untereinander begründet sind. Das Flusssystem des Río Tacotalpa stellt hier eine Besonderheit dar, da Männchen eine besonders starke Gelbfärbung der Flossen aufweisen. Wildgefangene und laborgeborene Männchen dieses Flusssystems wurden verglichen, um einen Hinweis auf den Einfluss des Nahrungsangebots auf dieses Merkmal zu untersuchen. Tatsächlich ist die Ausprägung dieses Merkmals, die Gelbfärbung der Flossen, unabhängig vom Angebot an Karotinoiden. Während die hier verwendeten genetischen Analysen nicht geeignet waren, Hybriden aus den Mischzonen zwischen Schwefel- und Klarwasserhabitat nachzuweisen, ergaben die Untersuchungen von Individuen aus den Mischzonen keine eindeutigen Ergebnisse über eine etwaige intermediäre Ausbildung der Färbung. Die Präsentation von Männchen, deren Gelbintensität an den Flossenspitzen künstlich verändert wurde, konnte bei Weibchen keine eindeutige Präferenz für stärker gefärbte Männchen aufzeigen. Vielmehr weist dieses Ergebnis auf eine starke Korrelation zwischen mehreren Merkmalen (z. B. weitere morphologische Merkmale, Verhalten) hin, die für die Beurteilung der männlichen Qualität herangezogen werden. Die weibliche Präferenz für konditionsabhängige Merkmale wird bei schwefelangepassten Weibchen leicht verstärkt, wenn diese hungrig sind. Eine solche flexible Präferenz sollte gerade in Habitaten mit starken Fluktuationen im Nährstoffangebot existieren. Dabei waren Weibchen, denen Videoaufnahmen präsentiert wurden, eher in der Lage, das qualitativ hochwertigere Männchen zu identifizieren, als Weibchen, denen animierte Bilder präsentiert wurden. Auch hier wird davon ausgegangen, dass die Reduktion auf eines oder wenige Merkmale, die für die Partnerwahl zur Verfügung stehen, keine ausreichend starke Reaktion auslösen können. Vielmehr ist der Zugriff auf alle Aspekte der männlichen Erscheinung wichtig, um die Qualität des potentiellen Partners zu beurteilen.
Färbung ist also generell geeignet, den Ökotyp eines Individuums zu bestimmen und ein solches Merkmal kann der Artbestimmung im ersten Schritt der Partnerwahl dienen. Dasjenige männliche Färbungsmerkmal, das über mehrere Generationen gleichbleibend ausgeprägt wurde – die Gelbfärbung der Flossen – reicht jedoch nicht aus, um bei der weiblichen Partnerwahl eine Reaktion auszulösen. Vielmehr deuten die Ergebnisse auf eine enge Korrelation der Färbung mit weiteren Merkmalen in Morphologie und Verhalten eines Individuums hin, die vom wählenden Weibchen stets gemeinsam entsprechend der Multiple-message-Theorie betrachtet werden. Auch der Vergleich zwischen Videoaufnahmen und animierten Fotografien als Stimuli bei der Partnerwahl ergab, dass der Aspekt Verhalten (nur verfügbar mit Videoaufnahmen) für eine Partnerwahlentscheidung von Bedeutung ist.
Meine Arbeit konnte den bestehenden Wissensschatz um die bestehenden reproduktiven Barrieren im Studiensystem um den Aspekt der Färbung erweitern. Meine Ergebnisse zeigen weitere spannende Fragestellungen auf. Je größer das Verständnis der vorliegenden Selektionskräfte und Mechanismen reproduktiver Isolation ist, desto besser kann die Wissenschaft verstehen, welche Umgebungsvariablen welchen Einfluss auf den Prozess der Artbildung haben.
Reduction in natural speech
(2009)
Natural (conversational) speech, compared to cannonical speech, is earmarked by the tremendous amount of variation that often leads to a massive change in pronunciation. Despite many attempts to explain and theorize the variability in conversational speech, its unique characteristics have not played a significant role in linguistic modeling. One of the reasons for variation in natural speech lies in a tendency of speakers to reduce speech, which may drastically alter the phonetic shape of words. Despite the massive loss of information due to reduction, listeners are often able to understand conversational speech even in the presence of background noise. This dissertation investigates two reduction processes, namely regressive place assimilation across word boundaries, and massive reduction and provides novel data from the analyses of speech corpora combined with experimental results from perception studies to reach a better understanding of how humans handle natural speech. The successes and failures of two models dealing with data from natural speech are presented: The FUL-model (Featurally Underspecified Lexicon, Lahiri & Reetz, 2002), and X-MOD (an episodic model, Johnson, 1997). Based on different assumptions, both models make different predictions for the two types of reduction processes under investigation. This dissertation explores the nature and dynamics of these processes in speech production and discusses its consequences for speech perception. More specifically, data from analyses of running speech are presented investigating the amount of reduction that occurs in naturally spoken German. Concerning production, the corpus analysis of regressive place assimilation reveals that it is not an obligatory process. At the same time, there emerges a clear asymmetry: With only very few exceptions, only [coronal] segments undergo assimilation, [labial] and [dorsal] segments usually do not. Furthermore, there seem to be cases of complete neutralization where the underlying Place of Articulation feature has undergone complete assimilation to the Place of Articulation feature of the upcoming segment. Phonetic analyses further underpin these findings. Concerning deletions and massive reductions, the results clearly indicate that phonological rules in the classical generative tradition are not able to explain the reduction patterns attested in conversational speech. Overall, the analyses of deletion and massive reduction in natural speech did not exhibit clear-cut patterns. For a more in-depth examination of reduction factors, the case of final /t/ deletion is examined by means of a new corpus constructed for this purpose. The analysis of this corpus indicates that although phonological context plays an important role on the deletion of segments (i.e. /t/), this arises in the form of tendencies, not absolute conditions. This is true for other deletion processes, too. Concerning speech perception, a crucial part for both models under investigation (X-MOD and FUL) is how listeners handle reduced speech. Five experiments investigate the way reduced speech is perceived by human listeners. Results from two experiments show that regressive place assimilations can be treated as instances of complete neutralizations by German listeners. Concerning massively reduced words, the outcome of transcription and priming experiments suggest that such words are not acceptable candidates of the intended lexical items for listeners in the absence of their proper phrasal context. Overall, the abstractionist FUL-model is found to be superior in explaining the data. While at first sight, X-MOD deals with the production data more readily, FUL provides a better fit for the perception results. Another important finding concerns the role of phonology and phonetics in general. The results presented in this dissertation make a strong case for models, such as FUL, where phonology and phonetics operate at different levels of the mental lexicon, rather than being integrated into one. The findings suggest that phonetic variation is not part of the representation in the mental lexicon.
Einfluss des Lungensports auf die Muskelmasse, Lebensqualität und Lungenfunktion bei COPD-Patienten
(2009)
In der vorliegenden Arbeit wurde die Auswirkung von Lungensport auf die Systemerkrankung COPD untersucht. Es nahmen 42 Patienten mit COPD Gold II-III, die in eine Kontroll- und Studiengruppe aufgeteilt wurden, an der Studie teil. Die Untersuchung fand eineinhalb Jahre lang statt und die Probanden kamen regelmäßig alle 6 Monate zu Untersuchungen. Es wurde mittels BIA-Messung die Muskelmasse, Ernährungs- und Trainingszustand der Probanden gemessen. Ebenso füllte die Studiengruppe regelmäßig einen Lebensqualitäts-Fragebogen aus, den so genannten St. George Respiratory Questionnaire, der speziell für Patienten mit Atemwegserkrankungen erstellt wurde. Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt lag in der Erfassung der Atmungsverbesserung, die mittels Peak Flow und Spirometrie ermittelt wurde. Die Studiengruppe nahm einmal wöchentlich am Lungensport teil. Die Kontrollgruppe trieb keinerlei Sport. Der Lungensport ist ein ambulantes Rehabilitationsprogramm für Lungenkranke, das von einer Diplom-Sportwissenschaftlerin geleitet wird. Ziel der Studie war es zu zeigen, dass Lungensport eine positive Auswirkung auf den Verlauf der COPD, als Systemerkrankung, hat. Die Ergebnisse zeigen, dass die Muskelmasse der Studiengruppe signifikant ansteigt. Ebenso bessert sich der Trainings- und Ernährungszustand der COPD in der Trainingsgruppe signifikant nach längerer Teilnahme. Dies zeigen die Werte des Phasenwinkels (p < 0,01) und des ECM/BCM-Index (p < 0,05) im Vergleich zur Kontrollgruppe nach einem Jahr Teilnahme am Lungensport. Der expiratorische Peak Flow verbessert sich signifikant nach einem Vierteljahr um 5% und nach einem halben Jahr Teilnahme am Lungensport um 10-20%. Am deutlichsten zeigen sich diese Effekte während der Belastungsphase und nach dem Training. Die Lebensqualität der COPD-Patienten verbessert sich gering in der Studiengruppe, die Ergebnisse waren nicht p-signifikant, wobei sich das Gesamtergebnis um 4 Punkte verbessert. Jones P. et al zeigte dass eine Verbesserung um 4 Punkte ein klinisch signifikantes Ergebnisse gibt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen positiven Einfluss von Lungensport auf die Körperzusammensetzung und die Lebensqualität der Patienten. Die schädigenden Einflüsse der COPD auf die Körperzusammensetzung können im Vergleich zu sportlich inaktiven Patienten reduziert werden, im Falle der BCM (p < 0,01) ist sogar eine Besserung möglich. Diese Studie repräsentiert einen weiteren Beleg für die Effizienz von Lungensport in der Therapie der COPD. Der Peak Flow ist ein einfacherer Parameter, um die Besserung der Leistungsfähigkeit durch Lungensport objektivieren zu können. Der expiratorische Peak Flow ist ein wichtiger Indikator für die Prognose quod vitam von COPD Patienten, der mindestens ebenso aussagekräftig ist wie der FEV1-Wert. Zusammenfassend ergab die Studie, dass die regelmäßige Teilnahme am Lungensport einen steigernden Effekt auf die Muskelmasse hat und den Ernährungszustand von COPD-Patienten verbessert. Die Lebensqualität verbessert sich klinisch signifikant um 4 Punkte. Man kann also annehmen, dass die COPD Patienten ihre Lebensqualität verbessern. Im Hinblick darauf dass die COPD eine unaufhaltsame, irreversible Systemerkrankung ist, ist dieses Ergebnis als Erfolg anzusehen. Der Lungensport ist als Evidenz basierte Maßnahme in der Behandlung der COPD anzusehen. Lungensport kann ergänzend zu den schon bestehenden etablierten Therapiemethoden, die oft sehr kostenintensiv sind, angewendet werden. Die Kombination des Lungenports und der medikamentösen Therapie hält den Verlauf der COPD auf. Die Teilnahme am Lungensport dient damit gleichfalls zur Verbesserung der Prognose, Lebenserwartung und Lebensqualität der COPD-Patienten. Er leistet neben der medizinischen Relevanz auch einen gesundheitspolitischen Beitrag durch den Einsatz kostendämpfender Maßnahmen. Leider gibt es noch nicht genügend Angebote im Lungensport um die große Anzahl der COPD-Patienten abzudecken. Was könnte getan werden, dass Lungensport etabliert wird? - Lungenfachärzte müssen informiert werden - Krankenkasse sollten die Patienten mehr unterstützen - mehr Lungensport-Gruppen zu alternativen Uhrzeiten
Der zweckmäßige Einsatz der Skelettmuskulatur stellt in alltäglichen Bewegungen und im Sport ein zentrales Thema dar. Zur Ausführung unterschiedlicher Bewegungsziele verfügt die Muskulatur über verschiedene Arbeitsweisen, welche wiederum durch einzigartige neuronale Aktivierungsmuster realisiert werden. Bei der negativen Arbeitsweise, der Exzentrik, ist die innere Kraft der Muskulatur kleiner als die äußere Kraft des Widerstandes, wodurch die aktivierte Muskulatur in die Länge gezogen wird. Da hierbei durch das neuromuskuläre System die höchsten Kraftwerte erzielt werden, wird die Muskulatur unter exzentrischen Bedingungen einer sehr hohen Spannung ausgesetzt. Dies stellt eine wesentliche Voraussetzung für die Kraftsteigerung und Muskelhypertrophie dar. Deshalb befürworten Trainer und Autoren vielfach den Einsatz maximaler und supramaximaler exzentrischer Trainingsmethoden, um das Kraftvermögen in verschiedenen leistungssportlichen Disziplinen zu steigern. Ebenso wird diese Form des Trainings in präventiven und rehabilitativen Bereichen eingesetzt, um vor allem das Muskel-Sehnen-System zu kräftigen.
Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, die Kontraktionsbedingungen und Effektivität des exzentrischen und konventionellen Krafttrainings zu vergleichen. Gleichermaßen war der Leistungstransfer auf eine funktionale mehrgelenkige Übung von besonderem Interesse. An der dazu durchgeführten Untersuchung nahmen 56 Probanden teil, wovon fünf aufgrund unerwarteter zeitlicher sowie verletzungsbedingter Ausfälle nicht das Ende der Untersuchung erreichten. In die Auswertung gelangten demnach 51 Probanden, davon 19 der exzentrischen Trainingsgruppe (ETG), 17 der konventionellen Trainingsgruppe (KTG) und 15 der Kontrollgruppe (KON). Letztere absolviert lediglich die Ein- und Ausgangstests. Vor, während und nach einem sechswöchigen Trainingszyklus am Beinstrecker wurden die exzentrische und konzentrische Maximalkraft sowie das Dreier-Wiederholungsmaximum an der Beinpresse ermittelt. Zur weiteren Analyse wurden bei diesen Tests die mittlere myoelektrische Aktivität (ARV) und Medianfrequenz (MDF) aus dem Oberflächen-EMG des m. vastus lateralis, m. vastus medialis und des m. rectus femoris aufgezeichnet. Von einer Teilgruppe aller Trainingsgruppen wurden zudem Veränderungen der Sprunghöhen aus Countermovement Jump (CMJ) und Squat Jump (SJ) ermittelt.
Beide Interventionsgruppen trainierten zweimal wöchentlich mit 5 Sätzen zu je 8 Wiederholungen am Beinstrecker. Der ETG wurde das Gewicht manuell angereicht, welches nach erfolgter Übergabe langsam und kontrolliert (maximal 25 °/Sekunde) von der gestreckten in die gebeugte Position geführt werden sollte. Die KTG führte das Gewicht ohne weitere Beschränkungen von der gebeugten in eine vordefinierte gestreckte Position und wieder zurück. Zur statistischen Auswertung wurden die Daten der Kontraktionsbedingungen des Eingangstests mittels t-Test für abhängige Stichproben analysiert. Zum Vergleich der Trainingsanpassungen wurde eine zweifaktorielle Varianzanalyse mit Messwiederholung und bei signifikantem F-Wert der post-hoc Test nach Scheffé durchgeführt. Dabei wurden die Steigerungsraten der Trainingsgruppen an den Veränderungen der KON relativiert. Das Signifikanzniveau wurde auf p ≤ 0,05 gesetzt.
Vor der Trainingsintervention lag die exzentrische Maximalkraft aller Probanden durchschnittlich 35,63 % über der konzentrischen und wurde begleitet von einer geringeren ARV und MDF. Durch beide Trainingsformen wurde die exzentrische Maximalkraft erhöht, jedoch fiel der Anstieg der ETG (35,41 %) signifikant größer aus als jener der KTG (24,48 %). Im Gegensatz dazu konnte die konzentrische Maximalkraft jedoch nur von der KTG signifikant gesteigert werden (19,92 %). Zum Vergleich ETG: 8,10 %. Das Dreier-Wiederholungsmaximum an der Beinpresse wurde in beiden Gruppen im ähnlichen Ausmaß signifikant erhöht (ETG 19,92 % vs. KTG 16,08 %). Die Analyse der Sprungkraftsteigerungen im CMJ (KTG 4,54 % vs. ETG 3,21 %) sowie im SJ (KTG 5,14 % vs. ETG 2,70 %) hingegen erbrachte keine signifikanten Steigerungen oder Unterschiede zwischen den Gruppen. Die festgestellten Entwicklungen der Kraftwerte lassen sich auf Grund der relativ kurzen Interventionsdauer überwiegend auf Anpassungen der intramuskulären Koordination zurückführen, welche durch einen Anstieg der ARV kenntlich wird. Dieser ARV-Anstieg fiel besonders bei der exzentrischen Maximalkraft auf, was auf einen trainingsbedingten Rückgang der Inhibition schließen lässt. Einen signifikanten Rückgang der MDF in allen Tests erzielte lediglich die ETG, dies jedoch nur für den m. rectus femoris. Signifikante Veränderungen der KTG oder Unterschiede zwischen den Trainingsgruppen blieben hier aus.
So führten beide Trainingsprogramme zu spezifischen Anpassungen der Kraft und myoelektrischen Aktivitätsmuster. Bezüglich der kumulierten Kraftsteigerung, des Leistungstransfers und der Veränderung der myoelektrischen Aktivität konnte jedoch keine Überlegenheit der exzentrischen Trainingsform herausgestellt werden. Aus ökonomischer Sicht bietet die exzentrische Methode allein keine genügende Vorbereitung auf primär konzentrische Bewegungsaufgaben. Die Ergebnisse legen jedoch nahe, dass das exzentrische Training zu äußerst spezifischen Anpassungen führt, welche bei der Trainingsplanung zielgerichtet Berücksichtigung finden sollten.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung, Aufbau und Inbetriebnahme eines Funnelsystems zur Zusammenführung zweier Teilchenstrahlen, bestehend aus zwei Injektionssystemen, zwei RFQ-Beschleunigern, Hochfrequenz-Deflektoren und Diagnoseeinheiten. Die Aufgabe des Experiments ist die praktische Umsetzung eines neuartigen Verfahrens zur Strahlstromerhöhung bei im Idealfall gleichbleibender Emittanz und steigender Brillanz. Notwendig wird dies durch die benötigten hohen Strahlströme im niederenergetischen Bereich einiger zukünftiger geplanter Beschleunigeranlagen. Hier kann der Strahlstrom nicht mehr konventionell von einer einzigen Ionenquelle erzeugt werden. Nur durch die Parallelerzeugung mehrerer Teilchenstrahlen sowie mehrfachem Zusammenführen (Funneling) der Teilchenstrahlen ist es möglich, die notwendigen Strahlströme bei der geforderten kleinen Emittanz zur Verfügung zu stellen. Das Frankfurter Funneling-Experiment ist die skalierte erste HIDIF-Funneling-Stufe als Teil eines Fusionstreibers. Hier werden zwei möglichst identische Helium-Teilchenstrahlen von zwei Ionenquellen erzeugt und in zwei RFQ-Beschleunigern beschleunigt. Der Deflektor biegt die Teilchenstrahlen reißverschlussartig auf eine gemeinsame Strahlachse. Am Anfang der Arbeit stand die Optimierung des Betriebs der Beschleunigerkomponeten und die Entwicklung und der Aufbau eines Einzellendeflektors. Erste erfolgreiche Strahlexperimente zur Strahlvereinigung werden im Kapitel 7.5 vorgestellt. Die Phasenraumellipse des zusammengeführten Strahls zeigt starke bananenförmige Deformierungen, die auf eine schlechte Anpassung des RFQ an den Funnel-Deflektor zurückzuführen sind. Das Elektrodendesign des RFQ ist in zwei unabhängige Bereiche unterteilt. Die erste Zone dient der Beschleunigung der Teilchen. In der zweiten Zone soll erstmals ein sogenannter 3D-Fokus der Strahlradien der x- und y-Ebene und einer longitudinaler Fokussierung erreicht werden. Der zweite Abschnitt bestand für erste Strahltests aus zunächst unmodulierten Elektroden. Zur besseren Anpassung des RFQ an den Funneldeflektor wurde dann das letzte Elektrodenteil erneuert. Der Umbau erfolgte zunächst nur bei einem der beiden RFQ-Beschleuniger. Somit war der direkte Vergleich zwischen altem und neuen Elektrodendesign im Strahlbetrieb möglich. Mit diesem neuen Elektrodenendteil wurde eine Reduktion der Strahlradien der x- sowie y-Ebene, eine bessere longitudinalen Fokussierung sowie eine höhere Transmission erreicht (Kapitel 8). Damit ist es erstmals gelungen mit einer speziellen Auslegung der RFQ-Elektroden eine direkte Anpassung an nachfolgende Elemente zu realisieren. Untersuchungen zur Strahlzusammenführungen werden seit einigen Jahren am Institut durchgeführt. Mit der Entwicklung des 3D-matchers wurde ein weiteres der kritischen Probleme gelöst. Der Umbau des zweiten Beschleunigers findet zur Zeit statt. Nach der Inbetriebnahme werden Funneling-Experimente mit dem Einspalt- und einem neuem Vielspaltdeflektor folgen.
Um die Rolle von potentiell schmerzauslösenden Substanzen bei der Entstehung von menschlichem Muskelschmerz und von muskulärer Hyperalgesie zu beurteilen, wurde bei dieser Arbeit das DOMS Muskelschmerzmodell und das hypertone NaCl Muskelschmerzmodell in Kombination mit der Mikrodialysetechnik verwendet. Dabei wurden bei 10 gesunden, untrainierten Probanden metabolische Änderungen im Glucosestoffwechsel (Glucose, Laktat) und Fettstoffwechsel (Glycerol), Änderung der Glutamat Freisetzung und Änderungen von inflammatorischen Mediatoren (PGE2, NO, Substanz P) in den schmerzhaften und in den Kontrollmuskeln untersucht. Studienbegleitend erfolgte zur Beurteilung der Effektivität der Übungen und des dabei entstandenen Muskelschadens die Bestimmung von Serum CK, Serum Laktat, des Muskelumfangs und der Muskeldruckschmerzschwelle (PPT). Die Probanden gaben regelmäßig die Schmerzintensität auf einer visuellen Analogskala (VAS) an. Die DOMS Muskelschmerzen wurden 24 Stunden vor dem Beginn der Mikrodialyse durch konzentrisch/ exzentrische Kontraktionen der Wadenmuskulatur im Verum Bein ausgelöst. Während der Mikrodialyse erfolgte die Schmerzstimulation der Wadenmuskulatur durch Plantar- und Dorsalflexion des Fußes. Die Schmerzauslösung beim hypertonen NaCl Modell geschah während der Mikrodialyse durch sequentielle Injektionen von hypertoner NaCl Lösung ( 5 ∗ 200 µl 5.8% NaCl Lösung in 2 Minuten Intervallen) in den Bizepsmuskel am Oberarm. Die Zuordnung der Behandlung (Verum vs. Kontrollmuskel) erfolgte jeweils nach dem Zufallsprinzip.
Direkt nach den DOMS Übungen kam es zu einem signifikanten Anstieg von Laktat im Serum, nach 24 Stunden zu einem signifikanten Ansteigen der CK Aktivität und einer Zunahme des Muskelumfangs. Mit beiden Modellen konnte zuverlässig ein Muskelschmerz erzeugt werden, wobei die Schmerzintensität bei wiederholter Stimulierung abnahm und dies im DOMS Modell stärker ausgeprägt war. Eine mechanische Hyperalgesie konnte nur an den Waden beobachtet werden, die dort aber beidseitig auftrat und damit eine Art „zentraler Übererregbarkeit“ vermuten lässt. Die Dialysatkonzentrationen von Glutamat, PGE2 und Substanz P zeigten aufgrund der Schmerzstimulation im DOMS Bein einen lokalen Anstieg (Glutamat 125 ± 20 µM [p=0.005], PGE2 239 ± 45 pg/ml, Substanz P 64 ± 11 pg/ml). Dabei traten im Kontrollbein keine signifikanten Änderungen auf. Während der Mikrodialyseperiode war die NO Konzentration im DOMS Bein signifikant geringer als im Kontrollbein (p = 0.02), zeigte dabei aber keine Beeinflussung durch die Schmerzstimulation. Gleichzeitig war dabei die Laktatkonzentration im DOMS Bein im Vergleich zum Kontrollbein erhöht. Die Glucose- und Glycerolkonzentrationen wiesen durch die Schmerzauslösung keine bedeutenden Veränderungen auf.
Im Bizepsmuskel kam es infolge der hypertonen NaCl Injektionen zu einem signifikanten Anstieg der Glutamat Konzentration im Dialysat (50 ± 3 µM, p = 0.003), wobei diese im Kontrollmuskel konstant blieb. Die Injektionen hatten aber keinen Einfluss auf die Werte von Glucose, Laktat, Glycerol, NO, PGE2, des Muskelumfangs und der PPT.
Möglicherweise ist ein inflammatorischer Prozess an den peripheren Mechanismen der Muskelschmerzentstehung beim DOMS Modell beteiligt. Die Injektion von hypertoner NaCl Lösung löst den Muskelschmerz vermutlich direkt durch die hohe extrazelluläre Natrium Konzentration aus, wobei es zu einer Depolarisation der Nozizeptormembran mit einer nachfolgenden Glutamat Freisetzung aus den aktivierten Nozizeptoren kommt. Die Vorteile dieses Modells sind die Wiederholbarkeit und die kurze Dauer des Muskelschmerzes. Die dem ausgelösten Schmerz zugrundeliegenden Mechanismen ähneln jedoch nicht den Mechanismen die dem klinischen Muskelschmerz zugrunde liegen. Deshalb könnte es sein, dass die Bedeutungen der Ergebnisse aus diesem Modell relativ beschränkt sind und die Nützlichkeit insbesondere für pharmakologische Studien damit auch eingeschränkt ist.
Der Neurotransmitter Glutamat ist an den peripheren Mechanismen der Muskelschmerzentstehung beteiligt, da die Glutamat Freisetzung direkt mit dem Muskelschmerz beim DOMS Modell und beim Hypertonen NaCl Modell assoziiert war. Die beim DOMS Modell erhöhten Konzentrationen von Laktat, PGE2, sowie die Änderungen von Substanz P und die erniedrigten NO Konzentrationen könnten auch zu der Entstehung von Muskelschmerz beitragen.
Der beobachtete Rückgang der Schmerzintensität bei wiederholter Stimulierung lässt auf eine Art „Gewöhnung“ schließen, die bei Anwendung des DOMS Modells für pharmakologische Untersuchungen einen Nachteil darstellen könnte.
Bei weltweit steigender Inzidenz von Krebserkrankungen in Verbindung mit den beträchtlichen Kosten für die Therapie und limitierten finanziellen Ressourcen ist eine wirtschaftlich sinnvolle Verteilung der Geldmittel die erstrebenswerteste Strategie um für ein Maximum an Patienten eine den Umständen entsprechend maximal wirksame Therapieform zu ermöglichen. Zur Beurteilung der Kostenentstehung und verteilung bei Krebstherapien wurde eine retrospektive Analyse hinsichtlich der Dauer der verschiedenen Abschnitte der Therapie bei 30 Patienten (13 Frauen, 17 Männer) durchgeführt und die Kosten der unterschiedlichen Behandlungsabschnitte betrachtet. Am Beginn stand dabei die Frage nach der Definition der Start und Endpunkte der einzelnen zeitlichen Intervalle und am Schluß die Ermittlung der Kosten pro Zeiteinheit, um Vergleiche der einzelnen Therapieintervalle auf ökonomischer Basis zu ermöglichen. Dabei ergab sich schon für die relativ kleine Stichprobe mit verschiedensten Anamnesen und Therapiezeiten ein verlängertes kuratives Behandlungsintervall im Gegensatz zu einer im Vergleich kürzeren palliativen Behandlungsdauer. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Kosten pro Behandlungstag in der Regel für die kurative Behandlung geringer ausfielen als für die palliative, wobei sich der stationäre Aufenthalt in jedem Fall als maßgeblicher Kostenfaktor herausstellte. Generell scheinen die Ergebnisse darauf hinzudeuten, daß, während sich die kurativen Kosten in gewissen Grenzen prognostizieren lassen, dies bei den palliativen Kosten so nicht vorhersagbar ist. Aufgrund der Qualität der retrospektiv gewonnenen Daten und ihrer eingeschränkten Übertragbarkeit sollte die Wertigkeit dieser Aussage jedoch auch mit der nötigen Kritik betrachtet werden.
Stickstoffmonoxid (NO) ist ein gasförmiger Botenstoff, der über die Regulation des Vasotonus, die Hemmung der Thrombocytenaggregation sowie die Stimulation der Angiogenese auf die vaskuläre Homöostase einwirkt. Das wichtigste NO-produzierende Enzym im kardiovaskulären System ist die endotheliale NO-Synthase (eNOS), deren Aktivität durch posttranslationale Modifikationen wie Phosphorylierung und Acylierung, durch Interaktionen mit regulatorischen Proteinen wie Ca2 /Calmodulin und Caveolin sowie durch differentielle subzelluläre Lokalisation reguliert wird. Dabei sind die Faktoren, welche die (Trans-)Lokation der eNOS zwischen subzellulären Kompartimenten wie den Caveolae der Plasmamembran und dem Golgi-Apparat dirigieren, weitgehend unbekannt. Zur Identifizierung neuer Interaktionspartner wurde humane eNOS im "yeast two-hybrid"-System als "Köderprotein" eingesetzt und dabei das Fragment eines neuen humanen Proteins identifiziert, das vorläufig NOSTRIN (für: eNOS traffic inducer) genannt wurde. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit gelang nun die Klonierung der kompletten NOSTRIN-cDNA, der Nachweis einer spezifischen Interaktion von eNOS und NOSTRIN in Säugerzellen sowie die Charakterisierung von NOSTRIN als Modulator der subzellulären Lokalisation und Aktivität von eNOS. Nach der kompletten Klonierung der NOSTRIN-cDNA mit Hilfe einer 5'-RACE resultierte ein offenes Leseraster von 506 Aminosäuren entsprechend einer Größe von ca. 58 kDa für NOSTRIN. Eine Datenbankrecherche zum Vergleich der NOSTRIN-Sequenz mit Sequenzen bekannter Proteinmotive ergab die Vorhersage einer N-terminalen Cdc15-Domäne sowie einer C-terminalen SH3-Domäne. Die direkte Interaktion zwischen eNOS und NOSTRIN konnte durch Copräzipitation in vivo und in vitro bestätigt werden. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass die SH3-Domäne von NOSTRIN essentiell für die Bindung an eNOS ist. Zur Untersuchung des Einflusses von NOSTRIN auf die eNOS-Lokalisation wurden stabil transfizierte CHO-Zellen, die eNOS überexprimierten ("CHO-eNOS") eingesetzt. In der Immunofluoreszenz war eNOS vornehmlich in Assoziation mit der Plasmamembran und dem Golgi-Apparat zu sehen. Mit Hilfe des Semliki-Forest-Virussystems (SFV) wurde nun NOSTRIN transient überexprimiert; dabei zeigte sich für NOSTRIN eine vesikelartige Verteilung im Cytoplasma. Die NOSTRIN-Überexpression führte zu einer drastischen Umverteilung von eNOS, die nun in charakteristischen vesikelartigen Strukturen mit NOSTRIN colokalisierte. Die Verwendung von NOSTRIN-Konstukten, bei denen die SH3- Domäne deletiert war ("NOSTRIN.SH3"), veränderte zwar die typische NOSTRIN-Lokalisation nicht, ließ aber auch die subzelluläre Verteilung von eNOS unverändert, so dass NOSTRIN.SH3 und eNOS in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten lokalisiert waren. Mit Hilfe der Immunofluoreszenz konnte ebenfalls eine Colokalisation von NOSTRIN und Caveolin-1, einem inhibitorisch wirkenden Interaktionspartner von eNOS, nachgewiesen werden. Die Analyse von Copräzipitationen mit NOSTRIN bzw. NOSTRIN.SH3 zeigte, dass Caveolin-1 in eNOS-unabhängiger Weise an NOSTRIN bindet, so dass ein ternärer Komplex aus NOSTRIN, eNOS und Caveolin-1 resultiert. Zur Klärung der Frage, ob NOSTRIN neben der subzellulären Lokalisation auch die Aktivität von eNOS beeinflusst, wurde die NO-Freisetzung von CHO-eNOS-Zellen analysiert. Dabei ergab sich, dass die transiente Überexpression von NOSTRIN in CHO-eNOS-Zellen die eNOS-Aktivität um 62 % im Vergleich zu Kontrollzellen reduzierte. In humanen primären Endothelzellen konnte mittels Immunoblotting und Immunofluoreszenzmikroskopie das Vorkommen von endogenem NOSTRIN sowie dessen Colokalisation mit endogener eNOS an der Plasmamembran nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation führen zur Hypothese, dass NOSTRIN als "molekulare Klammer" zwischen eNOS und Caveolin-1 dient, eine dynamische Umverteilung von eNOS innerhalb der Zelle vermittelt und damit das Enzym - direkt und/oder indirekt - inhibiert. Somit dürfte NOSTRIN als Modulator der Aktivität und Lokalisation von eNOS eine wichtige Rolle bei der Regulation der endothelialen NO-Produktion spielen.
Plastics contain a complex mixture of chemicals including polymers, additives, starting substances and side-products of processing. These plastic chemicals are prone to leach into the packaged goods, in the case of food contact materials (FCMs), or into the natural environment, in the case of plastic debris. Thus, plastics represent an exposure source of chemicals for humans and wildlife alike. While it is widely known that individual plastic chemicals, such as bisphenol A and phthalates, are hazardous, little is known on the overall chemical composition and toxicity of plastics. When fragmented into smaller particles, referred to as microplastics (< 5 mm), the plastic itself can be ingested by many species. It is well established that microplastic ingestion can have negative consequences for a wide range of organisms including invertebrates, but the contribution of plastic chemicals to the toxicity of microplastics is unclear.
Given the above, the present thesis aimed at a comprehensive toxicological, ecotoxicological and chemical characterization of everyday plastics. For a comparative evaluation, 77 plastic products were selected covering 16 material types (e.g., polyethylene) made from petroleum or renewable feedstocks. These products included biodegradable products, FCMs and non-FCMs, as well as raw materials and final products, respectively. In the first two studies, the chemical mixtures contained in the 77 products were extracted with methanol and extracts were analyzed in a set of four in vitro bioassays and by non-target high-resolution gas or liquid chromatography mass spectrometry. Since an exposure only occurs if chemicals actually leach under realistic conditions, in a third study migration experiments with water were conducted for 24 out of the 77 products. The aqueous migrates were assessed in the same way as the methanolic extracts. In addition, the freshwater invertebrate Daphnia magna was exposed chronically to microplastics made of polyvinylchloride (PVC), polyurethane (PUR) and polylactic acid (PLA) to investigate the contribution of chemicals in microplastic toxicity, in a fourth study.
The experimental findings demonstrate that a wide variety of chemicals is present in plastics. A single plastic product can contain up to several thousand chemical features, most of which unique to that product and at the same time unknown. The results also indicate that the majority of these chemical mixtures are toxic in vitro. Accordingly, 65% of the plastic extracts induced baseline toxicity and 42% an oxidative stress response, while 25% had an antiandrogenic and 6% an estrogenic activity. This implies that chemicals causing unspecific toxicity are more prevalent in plastics than such with endocrine effects. These chemicals can also leach from plastics under realistic conditions. Between 17 and 8936 chemical features were detected in a single migrate sample and all 24 tested migrates induced in vitro toxicity. This means that humans and wildlife can actually be exposed to toxic plastic chemicals under realistic conditions. Generally, each product has its individual toxicological and chemical fingerprint. Thus, neither material type, feedstock, biodegradability nor the food contact suitability of a product can serve as a predictor for the toxicity, the chemical composition or complexity of a product. Likewise, this means that bio-based and biodegradable materials are not superior to their petroleum-based counterparts from a toxicological perspective despite being promoted as sustainable alternatives to conventional plastics.
Moreover, the present thesis demonstrates that plastic chemicals can be the main driver for microplastic toxicity. Irregular microplastics made of PVC, PUR and PLA adversely affected life-history traits of D. magna in a polymer type- and endpoint-dependent manner at concentrations between 100 and 500 mg L-1 and with a higher efficiency than natural kaolin particles. While the toxicity of PVC was triggered by the chemicals used in the material, the effects of PUR and PLA were induced by the physical properties of the particle.
In addition, in the fifth study, results and observations made during this thesis were integrated inter- and transdisciplinarily with the perspectives of a social scientist and a product manufacturer. This elucidated that knowledge on plastic ingredients is often concealed, is lacking or not applicable in practice. These intransparencies hinder the safety evaluation of plastic products as well as the choice and sale of the least toxic packaging material.
Overall, the present thesis highlights that the chemical safety of plastics and their bio-based and biodegradable alternatives is currently not ensured. Thus, chemicals require more consideration in the toxicity and risk assessment of plastics and microplastics. Product-specific and complex chemical compositions, including unknown compounds, pose a challenge here. Two essential steps towards non-toxic products are to increase transparency along the product life cycle and to reduce the chemical complexity of plastics by communication and regulation. The results of the present thesis indicate that products exist which do not contain toxic chemicals. These can serve to direct the design of safer plastics. Since toxicity and chemical complexity seem to increase with processing, the integration of toxicity testing during the production steps would further support the safe and sustainable production and use of plastic products.
Theater der Spur
(2014)
Die Neurowissenschaften sind in Forschungsarbeiten für Schüler und Studierende immer wieder als eines der schwierigsten Teilgebiete der Biologie angeführt. Die Inhalte werden überwiegend nicht verstanden. Als mögliche Ursache gelten die seltenen praktischen Zugänge für die Lernenden aufgrund limitierter Ressourcen. Diese Ursache konnte in der vorliegenden Arbeit durch eine Befragung der Lehrkräfte zu ihren Praxisumsetzungen bestätigt werden. 70 % der Lehrkräfte gaben an, dass sie keine Experimente in der Schule zum Thema Nervenzellen anbieten. Experimente zur Verhaltensbiologie führen 65 % der Lehrkräfte nicht durch.
Um Schülern die Möglichkeit zu geben, sich experimentell mit den Themenfeldern der Neuro- und Verhaltensbiologie auseinanderzusetzen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Schülerlabortage auf dem Feld der Neurowissenschaften konzipiert. Die Konzepte wurden schülerorientiert umgesetzt und neurowissenschaftliche Forschung durch den eigenen Umgang mit modernen Forschungsapparaturen erfahrbar gemacht. Die drei Labortage für die Sekundarstufe II wurden wissenschaftlich begleitet: 1) Verhaltensbiologie, 2) systemische Ebene der Elektrophysiologie, 3) elektrophysiologische Forschungsmethoden. Um die Qualität und Wirksamkeit der Labortage beurteilen zu können, wurden sie mit Feedbackerhebungen begleitet. Die drei Labortage wurden sowohl von den Lehrkräften als auch von den Schülern bezüglich ihrer Qualität positiv bewertet. Für die Schüler konnte gezeigt werden, dass die Beurteilung weitgehend unabhängig von einem zugrunde liegenden Interesse an Biologie und Forschung ausfällt. Anhand einer retrospektiven Erhebung wird außerdem gezeigt, dass alle drei Labortage eine höchst signifikante, selbsteingeschätzte Steigerung des „Wissens“, der „Anwendungszuversicht“ und des „Interesses“ bewirken. Schüler mit niedrigen Ausgangswerten zeigen einen besonders hohen Anstieg. Für das Interesse kann weiter gezeigt werden, dass auch Schüler mit hohem Ausgangswert eine große Interessenssteigerung durch den Labortag aufweisen. Das Interesse für den verhaltensbiologischen Labortag liegt etwas niedriger – die Labortage mit elektrophysiologischen Inhalten zeigen dagegen für die Anwendungszuversicht etwas niedrigere Werte.
Der Fokus der fachdidaktischen Forschung lag auf der Betrachtung des experimentellen Zugangs zur Elektrophysiologie über ein entwickeltes „EPhys-Setup“. Dabei handelt es sich um einen quasi-realen Messaufbau. Die Umsetzung kombiniert dazu Komponenten eines realen Elektrophysiologie-Setups (Hands-on Komponenten) mit einer speziell entwickelten schülerfreundlichen Software (Neurosimulation) und einem virtuellen Nervensystem in Form einer Platine. Als Modellnervensystem werden für diese Umsetzung Ganglien von Hirudo medicinalis verwendet – der Neurosimulation liegen originale elektrophysiologische Messspuren des Ganglions zugrunde. Experimentelle Vermittlungsansätze für die Elektrophysiologie finden sich kaum für den Schulbereich. Dem Bedarf einer entsprechenden Beforschung wurde mit verschiedenen Testinstrumenten nachgegangen, um den Vermittlungsansatz mit dem EPhys-Setup bewerten zu können. Dafür fand eine Wirksamkeitsanalyse über die Erhebung der Motivation der Schüler statt (Lab Motivation Scale; Dohn et al. 2016). Von Bedeutung war auch, inwiefern gegenüber der Umsetzung eine Technologieakzeptanz vorliegt (Technology Acceptance Model; Davis 1989), die im Schulkontext ausgehend von der steigenden Einbindung von Technologien einen entsprechenden Forschungsbedarf aufweist. Weiter wurde untersucht, ob sich die Bewertung des EPhys-Setups von der Bewertung einer Kontrollgruppe unterscheidet. Für die Kontrollgruppe wurde die Neurosimulation von den Hands-on Komponenten gelöst und die Schüler arbeiteten ausschließlich PC-basiert. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Umsetzungen die Motivation förderten und eine Technologieakzeptanz bei den Schülern aufwiesen. Der Unterschied der Untersuchungsgruppen fällt gering aus. Die Abhängigkeiten, die für die verwendete Simulationsumsetzung gefunden wurden, beziehen sich ausschließlich auf Komponenten der „Freude“. Somit wird der intrinsische Bereich von den Schülern die am EPhys-Setup gearbeitet haben höher bewertet. Zur weiteren Analyse der Testinstrumente wurde auch eine Abhängigkeit der Bewertung vom zugrunde liegenden Biologieinteresse sowie von den Computerfähigkeiten vergleichend betrachtet. Der Einfluss auf die Bewertungen der drei Testskalen ist in vielen Fällen höher als der Einfluss der verwendeten Simulation. Vom individuellen Biologieinteresse der Schüler zeigen alle untersuchten Komponenten eine Abhängigkeit. Die größeren Effekte beziehen sich auf die Komponenten der „Lernwirksamkeit“ oder der „Freude“. Von den individuellen Computerfähigkeiten der Schüler zeigen Komponenten zur „Zuversicht bezüglich der Methoden und der Inhalte“ eine Abhängigkeit.
Zelluläre Zytotoxizität ist ein Phänomen, das für die Wirkung allogener Stammzelltransplantationen verantwortlich gemacht wird. Sie wird zudem genutzt im Rahmen zellulärer Immuntherapien mit Spenderlymphozyten, angereicherten, aktivierten und z.T. gentechnisch veränderten T- und NK-Zellen, Targeting der Antitumor-Immunantwort mit bispezifischen Antikörpern und der Vakzinierung mit dendritischen Zellen. Ihre Messung ist von großer Bedeutung bei der Weiterentwicklung und Validierung solcher Verfahren. In der Klinik für Kinderheilkunde und Jugendmedizin der Johann Wolfgang Goethe-Universität werden gegenwärtig mehrere solcher Verfahren entwickelt und eingesetzt. Eine Zytotoxizitätsmessung insbesondere gegen patienteneigene Leukämieblasten ist daher unerlässlich. Proben von Leukämieblasten aus peripherem Blut oder Knochenmark von Patienten sind heterogen und enthalten in der Regel restliche gesunde Zellen. Diese Zellen verzerren die Messung einer spezifischen Zytotoxizität gegen die Blasten, wenn sie nicht gezielt aus der Auswertung ausgeschlossen werden. Effektorzellen bestehen ebenfalls aus Subpopulationen, die in unterschiedlichem Ausmaß mit den Blasten interagieren. Um solche komplexen Proben adäquat analysieren zu können, sollte ein durchflusszytometrischer Assay unter Ausnutzung des Potenzials monoklonaler Antikörper zur differenziellen Markierung von Zellpopulationen entwickelt werden. Die Auswertung der Leukämietypisierungen von 47 Patienten und Austestung in Frage kommender Antikörper ergab, dass eine Wahl der Antikörper aufgrund des immunologischen Subtyps einer Leukämie nur mit Einschränkung möglich ist, so dass eine Vorabtestung der Antikörper erfolgen muss. Bei Einsatz der Markierung von Proben mit FITC- und PEkonjugierten Antikörper in einem konventionellen durchflusszytometrischen Assay, der die PI positiven Zielzellen an den Gesamtzielzellen als Korrelat der zytotoxischen Aktivität der Effektorzellen maß, traten Diskrepanzen in den Anteilen der Zellpopulationen einer Probe auf. Diese legten den Schluss nahe, dass tote Zellen durch vollständige Fragmentierung einer Messung entgehen. In einer neu konzipierten Assayvariante wurde daher das gegenteilige Konzept gewählt, die Messung des Überlebens der Zellen. Dies wurde ermöglicht durch die Einführung eines internen Standards, der eine durchflusszytometrische Konzentrationsmessung erlaubt. Mit diesem Verfahren wurde gezeigt, dass die Zunahme der mit PI erfassten toten Zellen nur gering mit der Abnahme lebender Zellen korreliert. Die Validierung anhand des Europium-Release-Assays ergab übereinstimmende Ergebnisse dieser zweiten Assayform mit diesem bei signifikantem (P ≤ 0,01, Wilcoxon-Rangtest) Unterschied der ersten Variante. Der im Rahmen dieser Doktorarbeit entwickelte Assay erlaubte zusätzlich die Beurteilung auch des Verhaltens der Effektorzellkonzentrationen. Es wurde gezeigt, dass diese sich bei vorhandener zytotoxischer Aktivität gegen die Zielzellen änderten im Sinne einer initialen Abnahme insbesondere in den geringen Effektor:Zielzell-Ratien und einer erneuten Zunahme bei längerer Kokulturdauer im Sinne einer Proliferationsinduktion durch den Zielzellstimulus. In einem letzten Schritt wurde eine modifizierte Zytometersteuerung und die Markierung CD4 und CD8 positiver T-Zellen in der gleichen Fluoreszenz unter Ausnutzung der unterschiedlichen Fluoreszenzintensitäten eingeführt. Dadurch wurde es möglich, bei vier Fluoreszenzbereichen simultan bis zu fünf verschiedene monoklonale Antikörper zuzüglich Propidiumjodid in einem einzigen Ansatz zu verwenden und so nicht nur lebende Ziel- und Effektorzellen zu differenzieren, sondern durch entsprechende Kombination der Antikörper auch Effektorzellsubpopulationen wie CD4+ und CD8+ T-Zellen in ihrem Verhalten zu beurteilen. Über die gleichzeitige Auswertung von Ziel- und Effektorzellen in verschiedenen Effektor:Zielzell-Ratien erlaubt dieser neue Assay differenzierte Aussagen über das Verhalten und die Reaktivität von Zellen in Kokultur bei einfacher Handhabung, minimaler Zellmanipulation im Verlauf des Assays durch Markierung erst nach Kokultur und hoher Flexibilität in der bearbeiteten Fragestellung.
Alle lebenden Organismen sind in der Lage, sich an den re-gelmäßigen Wechsel von Licht und Dunkelheit und den zeitli-che Veränderungen im Takt der Jahreszeiten anzupassen. Die-se Synchronisierung der Aktivitäts- und Ruhephasen, sowie von physiologischen Stoffwechselprozessen an die vorgegebe-nen tageszeitlichen und saisonalen Zyklen findet beim Säu-getier in der inneren Uhr im Nucleus Suprachiasmaticus (SCN) statt. Das Licht, als wichtigster Zeitgeber für die Synchronisation der inneren Uhr, findet Eingang zum SCN über die Retina und den retinohypothalamischen Trakt (RTH), der Glutamat als Neurotransmitter nutzt. Ist dieses System fehlerhaft, führt dies zu Störung der oben beschriebenen Anpassungsprozesse. Dies hat eine gestörte Homöostase des Organismus zu Folge, aus denen sich wiederum Veränderungen im Tag/Nacht- Rhythmus, Schlafstörungen und depressive Ver-stimmungen ergeben können. Die genannten Symptome decken sich mit den Frühsymptomen den neurodegenerativen Erkran-kung Morbus Parkinson.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Störungen im photoneu-roendokrinen System, insbesondere Veränderungen in der Re-tina an den photosensitiven Ganglienzellen mit dem Photo-pigment Melanopsin und dem SCN bei transgene Mäuse mit dem humanen alpha-Synuclein zu untersuchen. Hierbei wurden transgene Mäuse mit dem gesunden humanen alpha-Synuclein (Wildtyp) und transgene Mäuse mit der für Parkinson spezi-fischen Mutation im alpha-Synuclein Ala53Thr (A53T) vergli-chen.
Die immunochemischen Untersuchungen an Retina und SCN zei-gen einen signifikanten Anstieg der alpha-Synuclein Immun-reaktion bei der A53T Maus im Vergleich zum Wildtyp.
Parallel dazu wurden Unterschiede in Bezug auf das Photo-pigment Melanopsin zwischen den beiden Gruppen untersucht. Melanopsin ist lichtsensitiv und trägt, durch Übermittlung der aktuellen Lichtverhältnisse über den retinohypothalami-schen Trakt zum SCN, zur Synchronisation der circadianen Rhythmik bei. Durch den in dieser Arbeit nachgewiesene Me-lanopsindefizit und des deutlich reduzierten Vglut2 im hy-pothalamischen Trakt der A53T Maus lässt sich die Hypothese ableiten, dass möglicherweise die Überexpression des mu-tierten alpha-Synuclein in der Retina einen Untergang von melanopsinhaltigen Ganglienzellen herbeiführt und dadurch die Synchronisation der inneren Uhr durch Licht gestört ist. Diese Hypothese wird durch die Aktivitätsprofile ge-stützt, die durch die Aufzeichnung der lokomotorischen Ak-tivität der Tiere erstellt wurden.
Da in beiden Gruppen unter Dauerdunkel (DD) ein endogener zirkadianer Rhythmus beobachtet werden konnte, lässt dies auf die Funktionstüchtigkeit der inneren Uhr im SCN schlie-ßen. Im anschließenden Versuch die endogene Rhythmik an exogenen Reize anzupassen, zeigte sich bei dem A53T Stamm eine fehlende Synchronisierung an vorgegebene Lichtverhält-nisse mit gesteigerter Tagaktivität und reduzierten Schlaf-phasen. Somit trägt der fehlerhaft verarbeitete Lichtreiz bei A53T Mutanten zur Destabilisierung des zirkadianen Rhythmus der Lokomotion bei. Trotz des gestörten glutama-tergen Signalweges im retinohypothalamischen Trakt konnten keine Unterschiede in der Expression der Homerproteine zwi-schen Wildtyp und A53T unter Standard-Photoperiode und nach Schlafdeprivation nachgewiesen werden.
Die vorliegenden Befunde liefern Erkenntnisse zur Entste-hung der Frühsymptome bei Morbus Parkinson. Dies könnte neue Ansatzpunkte für die Therapie und Linderung von Schlafstörungen sowie Veränderungen im Tag/Nachtrhythmus liefern.
Aufgrund wachsender Evidenz zu guten Langzeitergebnissen und geringen Komplikationsraten gewinnt die Prostataarterienembolisation (PAE) in der Therapie des Benignen Prostatasyndroms an Bedeutung. Durch ihren hohen technischen Anspruch bedarf es im Vorfeld einer umfassenden Untersuchung der Beckengefäßanatomie. Das Vorliegen eines zum Teil jungen Patientenkollektivs rückt zudem das Einsparen von Strahlung in den Fokus. In diesem Rahmen gewinnt die Magnet-Resonanz-Angiografie (MRA) an Aufmerksamkeit. Obwohl bereits erste Studien Erfolg versprechen, wird die MRA zur PAE-Planung zum Teil kritisch betrachtet, da sie aufwändiger und in der Auflösung unterlegen sei. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Vorteile die MRA im Zuge der PAE-Planung bietet und ob die klinische Effektivität der PAE unbeeinträchtigt bleibt. Weiterhin wurde untersucht, ob eine erfolgreiche MRA-geführte Planung die benötigte Strahlendosis reduziert.
In diese retrospektive Analyse wurden 56 Patienten, die zwischen Januar 2017 und April 2018 im Frankfurter Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie eine PAE erhielten und bei denen ein vollständiger, die Interventionszeit und Strahlungsparameter umfassender Datensatz sowie eine MRA vor der PAE vorlagen, eingeschlossen. Zusätzlich wurden mittels International Prostate Symptom Score (IPSS), Quality of Life (QoL) und International Index of Erectile Function (IIEF) klinische Daten vor und nach der PAE erhoben. In der Magnet-Resonanz-Tomografie (MRT) vor der PAE wurden das Prostatavolumen, die Intravesical Prostatic Protrusion (IPP) und der Prostatic Urethral Angle (PUA) untersucht. Zur Analyse der Prostataarterie wurden Maximum Intensity Projection (MIP) und ein dreidimensionales Modell verwendet. Um die Auswirkungen einer erfolgreichen Urspungsanalyse auf Interventionszeit und Strahlungsparameter zu untersuchen, wurden diese Faktoren zwischen zwei Gruppen verglichen. In der ersten Gruppe konnte die Prostataarterie mittels MRA ermittelt werden, in der zweiten Gruppe war dies v.a. aufgrund von technischen Mängeln der Bildakquisition nicht möglich.
Der Nachweis des Ursprungs gelang bei 84,73% (111 von 131) der Prostataarterien, davon entsprangen 52,25% der A. pudenda interna, 18,92% zusammen mit der A. vesicalis superior, 13,51% seltenen Ursprüngen, 10,81% der A. obturatoria und 4,51% der vorderen Division der A. iliaca interna unterhalb der A. vesicalis inferior. Die Gruppe mit erfolgreicher Ursprungsanalyse mittels MRA zeigte signifikant geringere Werte in Fluoroskopiezeit (-26,96%, p = 0,0282), Dosisflächenprodukt (-38,04%, p = 0,0025) und Eingangsdosis (-37,10%, p = 0,0020). Die PAE bedingte eine signifikante Verbesserung in IPSS (p < 0,0001), Lebensqualität (p < 0,0001) und IIEF (p = 0,0016), dabei konnte der von den Patienten angegebene IPSS-Wert um durchschnittlich 9,42 Punkte (-43,37%) und der QoL-Wert um 2 Punkte (-50,00%) reduziert werden. Das Prostatavolumen (p < 0,0001), IPP (p = 0,0004) und PUA (p < 0,0001) zeigten sich ebenfalls signifikant reduziert. Das Volumen der Prostata schrumpfte um 4,92 ml (-8,35%), die IPP um 1,2 mm (-9,2%) und der PUA um 5,5° (-8,10%). Signifikante Zusammenhänge konnten zwischen IPSS- und QoL-Reduktion (p < 0,0001, r = 0,7555), sowie zwischen Höhe des IPSS vor der PAE und der absoluten IPSS-Reduktion (p = 0,0041, r = -0,4434) nachgewiesen werden.
Die MRA ermöglicht eine strahlungsfreie Analyse des Abgangs der Prostataarterie. Durch diese Auswertung konnte die benötigte Strahlendosis signifikant reduziert werden. Die MRA-geplante PAE erzielte eine deutliche Verbesserung der Symptomatik und der Lebensqualität. Die erektile Funktion konnte signifikant verbessert werden. Prostatavolumen, IPP und PUA zeigten zwar signifikante Veränderungen, wiesen jedoch keinen Zusammenhang zu klinischen Entwicklungen auf. Zwischen dem Ausgangsvolumen der Prostata und dem klinischen Ergebnis konnte ebenfalls keine signifikante Korrelation festgestellt werden, jedoch scheint der Ausgangswert des IPSS eine prädiktive Funktion zu haben.
Die MRA-geplante PAE ist klinisch effektiv und ermöglicht durch die Analyse der Prostataarterie eine Reduktion der benötigten Strahlung. Zusammen mit der MRT unterstützt sie die Indikationsstellung und Planung der PAE.
This dissertation is an investigation of pitch accent, or lexical tone, in standard Croatian. The first chapter presents an in-depth overview of the history of the Croatian language, its relationship to Serbo-Croatian, its dialect groups and pronunciation variants, and general phonology. The second chapter explains the difference between various types of prosodic prominence and describes systems of pitch accent in various languages from different parts of the world: Yucatec Maya, Lithuanian and Limburgian. Following is a detailed account of the history of tone in Serbo-Croatian and Croatian, the specifics of its tonal system, intonational phonology and finally, a review of the most prominent phonetic investigations of tone in that language.
The focal point of this dissertation is a production experiment, in which ten native speakers of Croatian from the region of Slavonia were recorded. The material recorded included a diverse selection of monosyllabic, bisyllabic, trisyllabic and quadrisyllabic words, containing all four accents of standard Croatian: short falling, long falling, short rising and long rising. Each target word was spoken in initial, medial and final positions of natural Croatian sentences. This research fills several gaps in the existing literature. Namely, the production of tone was investigated in words with a syllabic /r̩/, in pretonal syllables and in non-initial context. Acoustic parameters measured included duration, F0 in every 10% of the nucleus duration, overall pitch, pitch range and pitch peak alignment.
Results showed that differences between falling and rising accents in Croatian are produced mainly with tonal parameters and that the most salient features were pitch peak alignment and overall pitch. The difference between long and short accents was primarily durational and optionally tonal. Words produced in initial and medial sentence positions had a rising contour in their accented syllable, while in the final, segments were usually falling.
Untersuchungen zur Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für die Alterung von Podospora anserina
(2012)
Im Rahmen dieser vorliegenden Doktorarbeit sollte die Bedeutung von Superoxid-Dismutasen für das Resistenzverhalten und den Alterungsprozess bei P. anserina untersucht werden. Folgende Befunde aus den Analysen konnten erhalten werden:
1. Lokalisationsstudien der drei PaSods: Aus den biochemischen und fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen der drei verschiedenen PaSODs geht hervor, dass PaSOD1, eine Cu/ZnSOD, überwiegend im Cytosol und zu einem geringen Anteil im mitochondrialen Intermembranraum lokalisiert ist. Eine der beiden MnSODs, PaSOD2, wird vermutlich zur Abwehr von exogenem Superoxid sekretiert. Bei PaSOD3 handelt es sich um eine mitochondriale MnSOD.
2. Generierung von verschiedenen PaSod-Mutanten: Im Rahmen dieser Arbeit wurden von jeder PaSod mindestens drei unabhängige Überexpressionsstämme, ein GFP-Stamm- und ein Deletionsstamm hergestellt. Weiterhin wurden alle möglichen Doppel-Deletionsstämme und die Dreifach-Deletionsmutante erzeugt. Alle Stämme wurden auf DNA-Ebene verifiziert, zusätzlich wurde die Proteinmenge bzw. –Aktivität überprüft.
3. Einfluss der PaSODs auf die ROS-Toleranz: Die Analysen der ROS-Resistenzen haben gezeigt, dass PaSODs eine wichtige Rolle in der Entgiftung von Superoxiden spielt. So ließ sich bei den Deletionsstämmen der PaSods eine gesteigerte Sensitivität gegenüber Paraquat feststellen. Eine Aufsummierung der Sensitivität gegenüber Paraquat ist bei der PaSod-Tripelmutante (ΔPaSod1/2/3) zu erkennen.
Überraschenderweise kann durch die gesteigerten Mengen an aktiver PaSOD in den Überexpressionsstämmen (PaSod1-3_OEx) keine verbesserte Resistenz gegenüber Paraquat erzielt werden. Darüber hinaus führt die Überexpression des Gens für die mitochondriale SOD, PaSOD3, zu massiven negativen Effekten.
4. Einfluss auf die Lebensspanne: Durch eine fehlende Entgiftung von Superoxid in den PaSod-Deletionsmutanten ist eine Verminderung der Lebensspanne nicht festzustellen. Bei PaSod-Mutantenstämme, die eine erhöhte PaSOD-Aktivität und damit eine gesteigerte Abbaurate des Superoxids aufweisen, kann bei den PaSod1- und PaSod2-Überexpressionsstämmen keine verbesserte Lebensspanne unter den gewählten Standardbedingungen erzielt werden. Vielmehr noch ist die Lebensspanne der PaSod3-Überexpressionsstämme stark reduziert.
5. Einfluss der PaSod-Modulation auf andere Komponenten des ROS-Abbausystems: Die PaSOD-Aktivitäten scheinen miteinander co-reguliert zu werden. Des Weiteren scheint es ein Zusammenhang zwischen den beiden sekretierten Enzymen PaSOD2 und PaCATB zu geben. Deutlich wird auch, dass die Modulation der Superoxid-Dismutasen eine weitreichende Auswirkung auf andere Schutzsysteme hat. Beispielweise konnte gezeigt werden, dass Komponenten des mitochondrialen ROS-Schutzsystems und der Protein-Qualitätskontrolle in den PaSod3-Überexpressionsstämmen verändert sind.
Zusammenfassend lassen die Analysen der PaSod-modulierten Stämme den Schluss zu, dass die Superoxid-Dismutase in P. anserina ein wichtiges Enzym zum Abbau des schädlichen Superoxids darstellt, welches aber nur eine untergeordnete Rolle bei der Kontrolle der Lebensspanne unter den gewählten Wachstumsbedingungen im Labor ausübt. Des Weiteren haben die Analysen gezeigt, dass es durch die Modulation der PaSod-Gene zu weitreichenden Änderungen, die das ROS-Schutzsystem (PaSOD, PaCATB und PaPRX1) sowie die Protein-Qualitätskontrolle (PaHSP60, PaLON und PaCLPP) betreffen, kommt. Welche Auswirkung dabei diese Veränderungen in Bezug auf die Lebensspanne hat, kann nur schwer abgeschätzt werden und muss mit weiteren Untersuchungen geklärt werden.
Zyklotronresonanzen von Ionen im hochfrequenz-modulierten magnetisch fokussierten Elektronenstrahl
(2000)
Ein Prototyp einer Kombination aus Penningfalle und EBIS/T wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt. Dazu wurde ein Standard NMRMagnet erfolgreich so umgebaut, daß er in Bezug auf Vakuum, Temperatur und Temperaturbeständigkeit den Erfordernissen einer EBIS/T als Ionenfalle entspricht. Diese Apparatur ermöglicht nun die Untersuchung der in der EBIS/T erzeugten Ionen mit den Methoden der 'Fallenphysik'. Die Anregung der Ionen in der Falle wurde hier erstmals durch Hochfrequenzmodulation des Elektronenstroms über die Wehneltelektrode der Elektronenkanone durchgeführt. Messungen haben gezeigt, daß man in der EBIS/T erzeugte Ionen selektiv nach ihrem Verhältnis von Masse zu Ladung mit der Modulation in Resonanz bringen kann, bis sie den Elektronenstrahl verlassen. Die Ionen besitzen auch im dichten Elektronenstrahl eine charakteristische Eigenfrequenz, die zwar von der Raumladung in der Falle abhängt, mit der jedoch trotzdem eine Resonanzanregung durchgeführt werden kann. Im Experiment bestätigte sich die Vorhersage für die Mindestdauer der Anregung in der Größenordnung von Mikrosekunden und für Relaxionszeiten der kohärenten Ionenbewegungen im Bereich von Millisekunden, was eine grundsätzliche Voraussetzung für eine resonante Separation verschiedener Ionensorten darstellt. Die auftretenden Eigenfrequenzen der unterschiedlichen Ionen lassen sich theoretisch und im Einklang mit numerischen Simulationen beschreiben. Die Anregung der Eigenfrequenzen von Ionen über den Elektronenstrahl funktioniert bis zu so hohen Ionendichten, wie sie in einer EBIS vorkommen. Ionenmanipulationen, wie man sie von den Penningfallen her kennt, lassen sich auf ein Ionenensemble mit bis zu 10 10 Ionen pro cm 3 übertragen. Die gemessenen Verschiebungen der Eigenfrequenzen gegenüber der Zyklotronfrequenz geben darüber hinaus Aufschluß über den Kompensationsgrad des Elektronenstrahls in der EBIS/T und können damit als wichtiges Diagnosehilfsmittel für die Optimierung von ElektronenstrahlIonenquellen verwendet werden. Läßt man die Resonanzanregung kontinuierlich einwirken, so tritt überraschenderweise eine Erhöhung des Anteils an hochgeladenen Ionen in der EBIS/T auf. Darüberhinaus konnte experimentell gezeigt werden, daß die hochgeladenen Ionen auf der Achse des Elektronenstrahls konzentriert werden, während niedrig geladene Ionenen dort verschwinden und bevorzugt den äußeren Strahlbereich bevölkern. Die Erklärung dafür ist, daß durch kontinuierliches Entfernen dieser niedrig geladenen Ionen aus dem Elektronenstrahl eine vollständige Kompensation der Raumladung des Elektronenstrahls verhindert wird. Dadurch lassen sich Ionen in der Ionenquelle über einen längeren Zeitraum züchten. Vorteilhafterweise drängt die Anregung über eine Modulation des Elektronenstrahls im Gegensatz zu der normalen Dipolanregung bevorzugt niedrig geladenen Ionen, mit größerer Aufenthaltswahrscheinlichkeit am Rand, aus dem Elektronenstrahl. Dies führt zu einer verstärkten CoulombKühlung der hochgeladenen Ionen und konzentriert diese in der Mitte des Strahls, wo die Anregung fast unwirksam ist. Diese Kühlkraft wirkt als Zusammenspiel der attraktiven radialen Kraft des nicht vollständig raumladungskompensierten Elektronenstrahls und der Coulombstöße der Ionen untereinander. Durch diese Methode der Kühlung der Ionen untereinander können verstärkt Ionen hoher Ladungszustände in der Ionenquelle konzentriert werden. Der Vorgang der Kühlung durch Coulombstöße konnte mit einem Modell beschrieben werden, bei dem die thermische Verteilung aller Ionen im Elektronenstrahl einer Boltzmann Verteilung folgt. Das Modell benutzt vier Kräfte: die magnetische Kraft, die elektrische Haltekraft des Elektronenstrahls, die periodische elektrische Anregungskraft und die Reibung der Ionen proportional zu ihrer Geschwindigkeit und ihres Ladungszustandes bzw. die Stöße der Ionen untereinander. Die Resonanzanregung im Raumladungspotential sowie die Aufenthaltsverteilung der Ionen im Elektronenstrahl konnten damit dargestellt werden. Für Präzisionsexperimente an hochgeladenen Ionen bietet sich die Kombination aus einer EBIS/T mit integrierter Penningfalle an. Die Experimente haben gezeigt, daß es möglich ist, Ionenspektren mit einem eingekoppelten Wechselfeld in dem Ionisationsraum der EBIS/T zu separieren und zu reinigen. Für die Zukunft wünscht man sich aber eine größere Effektivität für das vollständige Entfernen bestimmter Ionensorten. Dies kann man erreichen, indem man den Elektronenstrahl noch dichter mit der Ionisationsröhre umschließt. Durch die kontinuierliche Resonanzanregung profitiert man von einer längeren Einschlußzeit für die stufenweise Ionisierung zu höheren Ladungszuständen und/oder eröffnet ElektronenstrahlIonenquellen neue Einsatzmöglichkeiten unter schlechteren Vakuumbedingungen. Die verstärkte Kühlung und Zentrierung der Ionen auf der Achse während dieses Betriebsmodus verbessert die Emmitanz von ElektronenstrahlIonenquellen. Für die Zukunft kann man sich eine EBIS mit moduliertem Elektronenstrahl auch im Strahlweg niederenergetischer hochgeladener Ionen zum Verbessern deren Emittanz vorstellen. Die im Elektronenstrahl erzeugten und sich selbst kühlenden Ionen wirken durch Coulombstöße als Kühlmedium ohne die Gefahr der Umladung wie bei gasgefüllten hfQuadrupolen.
Aim: The aim of this study was to measure cortico-cortical connectivity in multiple sclerosis (MS) patients by TMS-evoked potential (TEP) latencies in EEG evoked by transcranial magnetic stimulation (TMS) of the hand area of the primary motor cortex of one hemisphere. TEPs were recorded on the stimulated- and at the homologue site in the non-stimulated contralateral hemisphere. Both interhemispheric directions were tested. Interhemispheric latencies of the two main reproducible TEPs, the positive component at 60 ms and the negative component at 100 ms (P60 and N100, respectively), were expected to be significantly prolonged in MS-patients compared to healthy volunteers.
Material and methods: The study compared interhemispheric propagation of P60 and N100 in groups of 12 patients with early-stage relapsing-remitting MS (RRMS) and 16 age- and gender-matched healthy controls. The study was approved by the Ethics Committee of the Medical Faculty of the Goethe-University of Frankfurt/Main and conformed to the latest revision of the Declaration of Helsinki of 2008. TEPs were recorded by means of EEG and their latencies were statistically evaluated in 10 channels around the stimulation site and in 10 corresponding electrodes in the non-stimulated contralateral hemisphere. Interhemispheric conduction time was calculated by the difference of TEP latency in non-stimulated vs. stimulated hemisphere.
Results: An ANOVA on interhemispheric conduction time showed a significant prolongation for the N100 from left to right hemisphere in MS compared to controls, while no group differences were found for the P60 and the N100 from right to left hemisphere.
Conclusion: The results provide first evidence that the N100 may constitute an interesting marker to measure interhemispheric conduction delays in early-stage RRMS. The specificity of the present finding and its relation to fiber tract pathology should be examined in further correlative analyses with diffusion tensor imaging and other structural MRI data.