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Komplexität und Zufälligkeit
(1978)
Pericytes are capillary-associated mural cells involved in the maintenance and the stability of the vascular network. This thesis aims to investigate the role of pericytes in the heart in the context of ageing and disease. We highlight the malignant effects of the remodelling in the heart and stress the focus on the role of cardiac pericytes in this context. We show that ageing reduces pericyte coverage and that myocardial infarction (MI) causes an activation of these cells. Single-nuclei and single-cell RNA sequencing analysis of murine hearts further revealed that the expression of the Regulator of G-protein signalling 5 (Rgs5) is reduced in cardiac pericytes both in ageing and transiently at day 1 and day 3 after MI. The loss of RGS5 in pericytes drives an entropic state of these mural cells characterized by morphological changes, excessive extracellular deposition and enhanced Gaq mediated GPCR signalling. The deletion of RGS5 in pericytes causes cardiac systolic dysfunction, induces myocardial fibrosis, and drives the activation of cardiac fibroblasts in a TGFb-dependent manner. In conclusion, our results describe the importance of pericytes maintaining cardiac homeostasis, identify RGS5 as a key regulator of this process and propose pericytes as crucial mediators of cardiac fibrosis and possible therapeutic targets to prevent cardiovascular disease.
Die Verwendung von Photoschaltern zur gezielten Kontrolle von Systemen birgt ein hohes Potential hinsichtlich biologischer Fragestellungen, bis hin zu optoelektronischen Anwendungen. Infolge einer Photoanregung kommt es zu Geometrieänderungen, die einen erheblichen Einfluss auf ihr photophysikalisches Verhalten haben. Die Änderungen der photochemischen, wie photophysikalischen Eigenschaften, beruht entweder auf der Isomerisierung von Doppelbindungen oder auf perizyklischen Reaktionen. Durch sorgfältige Modifikationen, wie beispielsweise die Änderung der Konjugation durch unterschiedlich große π-Elektronensysteme, der Molekülgeometrie oder der Veränderung des Dipolmoments, lassen sich intrinsische Funktionen variieren.
Die Kombination dieser Eigenschaften stellt eine komplexe Herausforderung dar, da diese Änderungen einen direkten Einfluss auf wichtige Charakteristika wie die Adressierbarkeit, die Effizienz und die Stabilität der Moleküle haben. Darüber hinaus spielt die thermische Stabilität eine erhebliche Rolle im Hinblick auf die Speicherung von Energie oder Informationen für Anwendungsbereiche in der Energiegewinnung und Datenverarbeitung.
Für die Anwendung solcher photochromen Moleküle ist hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften auch das Wissen über den photoinduzierten Reaktionsmechanismus unabdingbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik organischer Photoschalter durch unterschiedliche Modifikationen mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Im Bereich der Merocyanine konnte ein Derivat vorgestellt werden, das ausschließlich zwischen zwei MC-Formen (trans/cis) isomerisiert. Die interne Methylierung am Phenolatsauerstoff der Chromeneinheit verhindert die Ringschlussreaktion zum SP und somit seinen zwitterionischen Charakter. Die stabilen Grundzustandsisomere TTT und CCT weisen durch den Methylsubstituenten eine hypsochrome Verschiebung ihrer Absorptionsmaxima auf, während TTT das thermodynamisch stabilste Isomer darstellt. Das MeMC wies eine erstaunlich hohe Effizienz seiner Schaltamplituden, insbesondere der TTT → CCT Photoisomerisierung auf, sowie eine überaus hohe Quantenausbeute.
Das MeMC wies zudem eine signifikante Lösungsmittelabhängigkeit auf, die sich insbesondere in der Photostabilität bemerkbar macht. Während das MeMC in MeCN und EtOH photodegradiert, konnte in EtOH/H2O eine konstante Reliabilität festgestellt werden. Diese Zuverlässigkeit impliziert nicht nur eine Stabilisierung durch das Wasser, sondern auch eine Resistenz gegenüber Hydrolysereaktionen. Darüber hinaus konnten kinetische Studien eine hohe thermische Rückkonversion von CCT zu TTT bei Raumtemperatur nachweisen, womit auf schädliche UV-Bestrahlung verzichtet werden könnte.
Die Untersuchung der Kurzzeitdynamiken beider Grundzustandsisomere gab Aufschluss über die Beteiligung anderer möglicher MC-Intermediate und den Einfluss der Methylgruppe auf das System. Mittels quantenchemischer Berechnungen konnte eine erste Initiierung um die zentrale Doppelbindung beider Isomere bestimmt werden, die jeweils zu einem heißen Grundzustandsintermediat führt, bis nach einer zweiten Isomerisierung der endgültige Grundzustand der Photoprodukte populiert wird. Dies bedeutet, dass die trans/cis-Isomerisierung über TTT-TCT-CCT und die Rückkonversion über CCT-CTT-TTT erfolgt.
Im Bereich der Hydrazon-Photoschalter konnten unterschiedlich substituierte Derivate mittels statischer und zeitaufgelösten UV/Vis-Studien untersucht werden. Da ESIPT Prozesse eine wichtige Funktion bei der Kontrolle von biologischen Systemen spielen, wurden verschiedene Hydrazonderivate hinsichtlich ihrer Reaktionsmechanismen untersucht. Als Rotoreinheit diente zum einen eine Benzothiazolkomponente, die die interne H-Bindung des angeregten Z-Hydrazons schwächen sollte und zum anderen wurde ein Chinolinsubstituent eingesetzt, der als Elektronenakzeptor diente und den H-Transfer begünstigt. Der Einsatz der Benzothiazolkomponente bewirkte die gewünschte Vergrößerung der bathochromen Verschiebung des E-Isomers, sowie eine deutliche Erhöhung der thermischen Stabilität des metastabilen
Zustands. Dies bestätigten die zeitaufgelösten Studien der Z zu E Isomerisierung, bei denen die Isomere im Vergleich zum Chinolinhydrazonderivat, in beiden ausgewählten Lösungsmitteln metastabile Z-Intermediate zeigten und eine Lebenszeit bis in den µs-Zeitbereich aufwiesen. Die Rückreaktion beider Derivate (HCN) und (HBN) hingegen zeigte eine barrierelose Umwandlung in die beteiligten Photoprodukte. Trotz der Verwendung des Chinolinsubstituenten zusammen mit Naphthalin als Rotoreinheit (HCN), konnte kein ESIPT Prozess beobachtet werden. HCB mit einer Kombination aus einem Chinolinrotor und eines Benzothiazolsubstituenten, wies eine Hydrazon-Azobenzol-Tautomerie auf, die ein prototropes Gleichgewicht zwischen dem E-Hydrazon und der E-Azobenzolform (E-AB) ausbildete. Die Reaktionsdynamiken des Z-Hydrazons zum E-AB wiesen eine ultraschnelle Bildung des Photoproduktes auf, während die Rückreaktion über einen ESIPT im sub-ps-Bereich erfolgte. Dieser H-Transfer hat die Bildung des angeregten E-Hydrazons zur Folge. Interessanterweise wurde kein Rückprotonentransfer nachgewiesen, sondern die mögliche Formation eines Z-AB gefunden. Damit unterscheidet sich dieser Reaktionsmechanismus erheblich von den typischen ESIPT Prozessen, die normalerweise zu ihrem Ausgangsmolekül zurückrelaxieren. Des Weiteren konnte ein Pyridinoxid und Benzoylpyridin-substituiertes Hydrazon charakterisiert werden, bei denen die stationären Studien kein Schaltverhalten, sondern Photodegradation aufwiesen. Die zeitaufgelösten Daten ergaben ebenfalls keine Photoproduktbildung, was die These der Photozersetzung unterstützt. Die Verwendung von zusätzlich substituierten Rotoreinheiten, wie beispielsweise Pyridinoxid und Benzoylpyridin, die aufgrund fehlender Protonenakzeptormöglichkeit keine interne H-Bindung ausbilden, erlaubt keine Bildung des Z-Hydrazon Isomers.
Die Ergebnisse der Studie und die Diversität der Datenbanken ist groß.
Für 12 Datenbanken wurde ein Punktesystem mit elf Items entworfen, um die Qualität der einzelnen Datenbanken zu objektivieren. Keine Datenbank konnte alle Bewertungskriterien erfüllen. Der insgesamt schlechte Punktedurchschnitt ist ein Indikator für die Mängel der aktuell verfügbaren Datenbanken. Außerdem konnten wir einen Qualitätsunterschied zwischen kostenpflichtigen und kostenfreien Datenbanken beweisen und mussten im Zuge dieser Ergebnisse die Frage stellen, ob kostenfreie Datenbanken überhaupt nützlich sind. Zwischen den kostenpflichtigen Datenbanken fallen die Qualitätsunterschiede weniger gravierend aus, wenngleich Stärken und Schwächen sich deutlich unterscheiden. Die häufigsten Wechselwirkungen wurden in allen Datenbanken mit großem Abstand zwischen rein psychiatrischen Interaktionspaaren erfasst. Dieses zeigt, wie wechselwirkungsreich Psychopharmaka sind und dass psychiatrische Patienten besonders vulnerabel sind. Die Nutzung digitaler Hilfsmittel scheint bei Betrachtung der hohen Anzahl ausgegebener Warnmeldungen unabdingbar zu sein, dennoch existiert große Uneinheitlichkeit bei der Bewertung der einzelnen Interaktionen. Die Vorstellung, dass zwei Kliniker bei Nutzung zweier unterschiedlicher Datenbanken zu völlig unterschiedlichen Empfehlungen kommen, fällt nicht schwer. Gleichzeitig könnte die Kooperation von Heilberuflern, die unterschiedliche Datenbanken verwenden, die Chance auf zusätzlichen Informationsgewinn und Austausch erhöhen, was im Umkehrschluss in einer erhöhten Arzneimitteltherapiesicherheit resultiert. In Studien konnte der positive Effekt interdisziplinärer Zusammenarbeit bereits bewiesen werden.
Zusammenfassend konnten umfangreiche Differenzen zwischen allen untersuchten Datenbanken aufgezeigt werden. Um den Anforderungen des klinischen Alltags zu genügen, müssen digitale Unterstützungssysteme weiterentwickelt werden.
Die „ideale Datenbank“ gibt es bisher nicht – das lässt sich durch unser Punktesystem beweisen. Um im klinischen Alltag Patientensicherheit zu gewährleisten ist die Nutzung einer einzelnen Datenbank bisher nicht ausreichend.
Die Gewährung der Patientensicherheit sollte unser oberstes Ziel sein und um dieses zu erreichen, bedarf es vieler Komponenten. Neben der Nutzung und vor allem Weiterentwicklung digitaler Unterstützungssysteme sollte auch der zwischenmenschliche Austausch weiter gefördert werden. Interdisziplinäre Zusammenarbeit im Sinne pharmazeutischer Dienstleistungen zur Medikationsanalyse könnten ein zusätzliches Instrument zur Vermeidung arzneimittelbezogener Probleme werden.
Zukünftig werden unsere Patienten am meisten von optimaler Nutzung weiterentwickelter Technologien, sowie wachsendem zwischenmenschlichem Austausch profitieren.
Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert.
Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.
Optimierung der Synthese eines neuen photolabil geschützten Nitroxid-Spin-Labels für RNA und DNA
(2023)
Im Rahmen dieser Arbeit konnte, ausgehend von den günstigen Ausgangsverbindungen Desoxyadenosin und Phthalsäureanhydrid, ein neues photolabil geschütztes Nukleotid 1 und sein Dummypartner 2 synthetisiert werden. Positiv zu bemerken ist, dass einige Schritte im Vergleich zu ähnlichen literaturbekannten Reaktionen in Einfachheit, Reinheit oder Ausbeute verbessert wurden. So konnte die Ausbeute der wichtigen Umwandlung des Amins 46 zum Iodid 47 durch den Ersatz des vorherigen DCM/DIM Gemisches durch reines DIM von 15 % auf akzeptable 50 % erhöht werden, was nicht nur Zeit, sondern auch zukünftige Chemikalienmengen einspart. Nicht nur hierbei, sondern auch bei der Nitrierung zu 61 oder auch der Oxidierung zu 63 war es von äußerster Wichtigkeit eine korrekte Temperaturkontrolle durchzuführen, da es sonst zu hohen Ausbeuteverlusten durch ungewollte Nebenreaktionen kommen konnte. Eine sehr interessante Beobachtung war die Kontrolle der Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung durch die Anwendung verschieden starker Basen. Während schwache Basen wie KOAc nur zur Miyaura-Borilierung führten, begünstigten starke Basen wie K3PO4 die Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung. Die Zusammenführung des Zucker Bausteins 36 und des Isoindolin-Bausteins 37 funktionierte sehr gut, sodass das Nukleotid 1 durch die Schützung der exozyklischen Amingruppe und Phosphorylierung des 3´-OH dargestellt werden konnte.
Die Synthese der 14mer DNA bzw. RNA Sequenzen mit den neuen Nukleotiden 1 und 2 funktionierten mit zufriedenstellenden Ausbeuten, nur die Abspaltung der Pac-Gruppe benötigte etwas harschere Bedingungen von 50 °C in 32 % Ammoniak über Nacht. Die photolabile Schutzgruppe in Strang (V) mDNA-Tetramethyl konnte nun abgespalten und das Nitroxid an Luft reoxidiert werden. Anhand von EPR-Spektren und einer HPLC Analyse ergab sich jedoch eine Abspalteffizienz von nur 70 %. Dies bedeutet, dass für künftige PELDOR Messungen eine Aufreinigung des Spaltgemisches zur Isolierung des Radikal-Strangs von Nöten ist.
Anhand des Schmelzpunkts der verschiedenen Duplexe wurde anschließend die mögliche Anwendung des Nukleotids weiter analysiert. Hierbei stellte sich heraus, dass der Benzolring sowohl in 2 als auch in 1 eine erhebliche Destabilisierung des Duplex erzeugte. Somit ist das neue photolabil geschützte Nukleotid als EPR Sonde in der Mitte von Sequenzen nur bedingt geeignet. Zukünftige Experimente könnten das neue Spin Label nicht in der Mitte, sondern an den Enden der Sequenzen ähnlich anderer Arbeiten[92,94,164] einbauen, wo die Destabilisierung eine geringere Auswirkung hat, oder die Sequenz für eine bessere Stabilisierung verlängern.[164] Bei ausreichenden Duplexstabilitäten könnten hiermit dann PELDOR Messungen durchgeführt werden. Ähnlich starre, sterisch anspruchsvolle Nukleotide zeigten auch ähnliche Schmelzpunkte für ihre Duplexe[120], dennoch wurden sie für weitere Markierungsexperimente verwendet. Hierbei handelte es sich jedoch nicht um EPR Sonden, sondern um Fluoreszenzmarker. Da auch das neue Spin-Label 1 ein großes π-System besitzt, könnte eine komplett neue Herangehensweise die Anwendung als Fluoreszenzmarker sein. Genaue Absorptionsmessungen müssten noch durchgeführt werden, jedoch zeigte das Spin Label sehr stark fluoreszierende Eigenschaften unter der UV-Lampe während der Säulenchromatographie. Hierbei würde die Synthese um einiges kürzer ausfallen, da das EPR-aktive Nitroxid nicht mehr benötigt wird und geschützt werden muss, was Zeit und Chemikalien spart.
Zusammenfassend wurde über eine 22-stufige Synthese ein neues photolabil geschütztes Spin-Label synthetisiert, in ein 14mer integriert, erfolgreich entschützt und mittels EPR-Spektroskopie vermessen. Schmelzpunktmessungen zeigten jedoch eine große Destabilisierung und deuten darauf hin, dass 1 und Nukleotide mit ähnlich Benzolringen nur eingeschränkt als EPR-aktive Nukleotide geeignet sind.
Diese Arbeit hatte das Ziel, die Größe einer DVT-Aufnahme (FOV) mit der Größe der durch die Indikationsstellung definierten Region (ROI) zu vergleichen. Durch eine speziell dafür entwickelte Software sollten Messungen in den Datensätzen ermöglicht werden. Die dazu verwendeten 332 Datensätze wurden zufallsverteilt aus den mit einem Orthophos SL-3D DVT-Gerät der Firma Dentsply Sirona in der Poliklinik für zahnärztliche Chirurgie und Implantologie des ZZMK (Carolinum) in Frankfurt angefertigten Röntgenaufnahmen selektiert.
Es wurde die Auswertungssoftware ExRoi entwickelt, mit der die Werte des axialen Durchmessers, die Höhe (vertikale Dimension) sowie die Distanz der Mittelpunkte von FOV und ROI direkt in den Datensätzen bestimmt werden konnten. Zusätzlich wurde festgehalten, welche rechtfertigenden Indikationen gestellt und welche Auflösungsmodi verwendet wurden.
Die Stichprobe bestand aus Aufnahmen mit einem axialen Durchmesser von 8 cm [VOL 1] (n= 76, entsprechend 46,39%), 5 cm Durchmesser [VOL 2] (n = 102, entsprechend 30,72%) und 11 cm Durchmesser [VOL 3] (n= 154, entsprechend 22,89%). 95,18% der Aufnahmen wurden im HD-Modus mit laut Herstellerangaben vier Mal so vielen Aufnahmen im Vergleich zum SD-Modus angefertigt. Hauptindikationen waren Implantat Planung (45,1%) und Planungen komplizierter Zahn-Extraktionen (25,5%).
Die Messungen zum Vergleich des axialen Durchmessers zeigten, dass bei Verwendung des VOL 2 die ROI im Mittel den größten Anteil der FOV nutzt (78,52 %), den kleinsten Anteil nutzt durchschnittlich VOL 1 (56,04 %). Dazwischen liegt VOL 3 (69,12 %). In der Vertikalen nutzt die ROI von VOL 3 mittelwertig den größten Anteil der FOV (81,87 %), den kleinsten Mittelwert hat VOL 1 (58,76 %). VOL 2 liegt zwischen diesen Werten (64,47 %).
In allen Fällen war das FOV größer als die ROI und die ROI lag im Bereich des gewählten FOV.
Die Mittelpunkte von FOV und ROI lagen im Mittel in der axialen Ebene in Abhängigkeit vom gewählten Volumen um rund 9-13 mm auseinander, in der coronalen und sagittalen Ebene um rund 5-6mm.
Aus diesen Ergebnissen kann für das verwendete Gerät eine gute Trefferquote für die ROI abgeleitet werden. Höhe und Durchmesser des FOV hätten in den meisten Fällen kleiner gewählt werden können, liegen aber angesichts der vorhandenen Auswahl-Optionen des Röntgengeräts zur Dimensionierung der Volumina in einem akzeptablen Bereich.
How the brain evolved remains a mystery. The goal of this thesis is to understand the fundamental processes that are behind the evolutionary history of the brain. Amniotes appeared 320 million years ago with the transition from water to land. This early group bifurcated into sauropsids (reptiles and birds) and synapsids (mammals). Amniote brains evolved separately and display obvious structural and functional differences. Although those differences reflect brain diversification, all amniote brains share a common ancestor and their brains show multiple derived similarities: equivalent structures, networks, circuits and cell types have been preserved during millions of years. Finding these differences and similarities will help us understand brain historical evolution and function. Studying brain evolution can be approached from various levels, including brain structure, circuits, cell types, and genes. We propose a focus on cell types for a more comprehensive understanding of brain evolution. Neurons are the basic building blocks and the most diverse cell types in the brain. Their evolution reflects changes in the developmental processes that produce them, which in turn may shape the neural circuits they belong to. However, there is currently a lack of a unified criteria for studying the homology of connectivity and development between neurons. A neuron’s transcriptome is a molecular representation of its identity, connectivity, and developmental/evolutionary history. Hence the comparison of neuronal transcriptomes within and across species is a new and transformative development in the study of brain evolution. As an alternative, comparing neuronal transcriptomes across different species can provide insights into the evolution of the brain. We propose that comparing transcriptomes can be a way to fill this gap and unify these criteria. In previous studies, published in Science (Tosches et al., 2018) and Nature (Norimoto et al., 2020), we leveraged scRNAseq in reptiles to re-evaluate the origins and evolution of the mammalian cerebral cortex and claustrum. Motivated by the success of this approach, in this thesis we have now expanded single-cell profiling to the entire brain of a lizard species, the Australian dragon Pogona vitticeps, with a special focus in thalamus and prethalamus of. This approach allowed us to study the evolution of neuron types in amniotes. Therefore, we aimed to build a multilevel atlas of the lizard brain based on histology and transcriptomic and compare it to an equal mouse dataset (Zeisel et al., 2018).
Our atlas reveals a general structure that is consistent with that for other amniote brains, allowing us to make a direct comparison between lizard and mouse, despite their evolutionary divergence 320 million years ago. Through our analysis of the transcriptomes present in various neuron types, we have uncovered a core of conserved classes and discovered a fascinating dichotomy of new and conserved neuron types throughout the brain. This research challenges the traditional notion that certain brain regions are more conserved than others.
Our research also has uncovered the evolutionary history of the lizard thalamus and prethalamus by comparing them to homologous brain regions of the mouse. This pioneering research sheds new light on our understanding of the evolutionary history of the lizard brain. We propose a new classification of the lizard thalamic nuclei based on
transcriptomics. Our research revealed that the thalamic neuron types in lizards can be grouped into two large, conserved categories from the medial to lateral thalamus. These categories are encoded by a common set of effector genes, linking theories based on connectivity and molecular studies of these areas. In our data we have seen that there is a conservation of the medial-lateral transcriptomic axis in mouse and lizard, this conservation was most likely already present in the common ancestor. Although there is a shared medial-lateral axis, a deeper study of the thalamic cell types has allowed us to see the existence of a partial diversification of the thalamic population, specifically in the sensory-related lateral thalamus; in opposition, the medial thalamic nuclei neuron-types have been preserved.
On the other hand, the comparison with the mammalian prethalamus allowed us to confirm that the lizard ventromedial thalamic neuron types are homologous to mouse reticular thalamic neuron types (Díaz et al., 1994), even if they do not express the classical Reticular thalamic nucleus (RTn) marker PV/pvalb. We also discovered that there has been a simplification in the mammalian prethalamic neuron types in favor of an increase in the number of Interneurons (IN) types within their thalamus. We suggest that the loss of GABAergic neuronal types in the mammalian prethalamus is linked to the need for a more efficient control of the thalamo-pallial communication in mammals, while in lizards, where thalamo-pallial communication is probably simpler, the diversity prethalamus presents a higher diversity.
Biological membranes serve as physical barriers in cells and organelles, enabling the maintenance of chemical or ionic gradients that are essential for triggering various integral, peripheral, or lipid-anchored membrane proteins, necessary for their life-essential functions. The study of membrane proteins has unique challenges due to their hydrophobic nature, limited expression levels, and inherent flexibility. Single-particle analysis (SPA) enables the determination of high-resolution three-dimensional structures using minimal amounts of specimen without the need for crystallization. Additionally, cryogenic electron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (StA) offer the ability to study membrane protein complexes, cellular architecture, and molecular interactions while preserving close-to-life conditions. With ongoing improvements in cryo-EM technologies, obtaining high-resolution structures of membrane proteins in vitro can allow people to understand their mechanisms and functions, and to facilitate the design and optimization of new therapeutic agents. Furthermore, there has been significant growth in the structural characterization of membrane proteins in situ, as studying biomolecules within their physiological context is an ultimate goal in structural biology for a comprehensive understanding of molecular networks in cells.
Due to the amphipathic nature of membrane proteins, their production, purification, and isolation pose significant challenges compared to soluble proteins. To maintain the membrane protein fold in an aqueous buffer after disrupting lipid membranes, the use of detergents, amphipols, lipid nanodiscs, saposin-lipoprotein (salipro), styrene-maleic acid co-polymer lipid particles (SMALPS) is common and often essential. A limitation of the membrane-mimetic systems is the absence of an actual lipid bilayer environment. To address this issue, membrane proteins can be reconstituted into liposomes, and this closed membrane environment closely mimics the physiological conditions of the proteins. The use of liposomes for structure determination is expected to significantly expand in the in vitro study of membrane proteins and membrane-associated proteins, particularly for capturing transient complexes in specific functional states.
Resolving the structures of membrane proteins in their native cellular context is considered the ideal approach for understanding their functions and associated molecular networks. While single-particle cryo-EM can achieve higher resolution than subtomogram averaging, it often requires at least partial purification of the target molecules from their native environment inside cells and tissues. By combining averaging tools on subvolumes obtained through cryo-ET, structures can currently be determined at resolutions of 10-30 Å. With ongoing advancements and refinements in cryo-ET methodologies, routine high-resolution structure determination in situ is poised to become a valuable tool for both structural and cell biologists in the long run, and the field holds great promise for further expanding our understanding of cellular structures and processes at the molecular level.
The main aim of this thesis is to further our knowledge of the structure and function of a small prokaryotic voltage-gated sodium ion channel, NaChBac in liposomes, and a large knob complex found on the surface of Plasmodium falciparum-infected human erythrocyte by cryo-ET and StA.
Chapter 2 presents the first StA map of the 120-kDa NaChBac embedded in liposomes under a resting membrane potential at a modest resolution of 16 Å. The approach presented in this study, which can be widely applied to cryo-EM analysis of membrane proteins, with a specific focus on membrane proteins with small soluble domains, lays the foundation for cryo-ET and StA of integral or peripheral membrane proteins whose functions are affected by transmembrane electrochemical gradients and/or membrane curvatures. Chapter 3 shows the first cryo-EM structure of the supramolecular knob complex in P. falciparum-infected human erythrocyte. While a previous study provided an overall architectural view of knobs using negative stain tomography, the in situ structure bridges this gap, guiding future investigations into the molecular composition and the role of these native knobs in Plasmodium infection and immunity.
This thesis opens up several promising lines for future studies of membrane proteins in vitro and in situ, where other membrane proteins can be studied in physiologically relevant environments. Already with the present generation of cryo-EM hardware and software, this thesis represents pioneering research in the field of membrane protein structural biology.
Impact of pectin dietary supplementation on experimental food allergy via gut microbiota modulation
(2023)
In recent years, dietary fibers gained focus in regard of their immune-modulatory effects and the potentially beneficial effect on allergies. The dietary fiber and prebiotic pectin is able to promote growth and activity of beneficial bacteria and thereby induce modulation of different immune responses. However, structurally different types of pectin might promote different immune-modulatory responses and to date the optimal pectin type for induction of beneficial health effects is not identified. Furthermore, it is still unclear, whether pectins provide a beneficial effect on certain allergies, such as food allergy.
Having this in consideration, this study examined the immune-modulatory effects of structurally different pectins on naive as well as peach allergic mice. Furhtermore, the impact of dietary pectin supplementation on composition and diversity of the murine gut microbiota was determined.
This study showed that dietary pectin intervention was able to suppress allergy-related Th2 responses considering humoral and cellular immune responses. Only apple-derived high-methoxyl pectin revealed an impact on total IgA levels and affected the microbial richness. Furthermore, it is not known whether the effects observed with the two pectins are caused by modulations of the bacterial composition or induced at least partly by direct interaction with the immune cells. Further studies are required to fully understand the mechanisms underlying the immune-modulatory capacities of different pectins.
Finally, the obtained results generated evidence that dietary pectin intervention can beneficially modulate the immune response in healthy mice and – at least partially – suppress allergy-related immune responses in a model of food allergy, depending on the structural characteristics of the used pectin.
Das Ziel in der vorliegenden systematischen Literaturrecherche ist es, den aktuellen Stand des Wissens über die Erfolgsfaktoren von Einzelzahnimplantaten, bei denen eine Sofortbelastung auf den provisorischen Implantatkronen zum Antagonisten erfolgt, wiederzugeben. In diesem Rahmen wurden Zusammenhänge zwischen der Implantatüberlebensrate, der Primärstabilität, der Implantatregion, des Implantatdesigns und des Implantationszeitpunktes getrennt nach okklusalem Belastungsprotokoll (mit versus ohne antagonistische Okklusionskontakte auf den provisorischen Implantatkronen) und der postoperativen Verhaltensweisen der Patienten analysiert. Der Prozess der systematischen Literaturrecherche wurde nach den PRISMA-Guidelines für den Suchzeitraum von 2012 bis 2022 durchgeführt.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde eine qualitative Analyse in deskriptiver Form durchgeführt.
In den analysierten Studien, wurde am häufigsten ein Eindrehmoment von ≥ 35 Ncm als Kriterium für eine Sofortbelastung gewählt. Die meisten Implantate wurden in der Oberkieferregion 15 bis 25 inseriert. Bei den Implantatkronen mit antagonistischen Okklusionskontakten fielen die Überlebensraten insgesamt niedriger aus als in den Studien, in denen die Implantatkronen ohne antagonistische Okklusionskontakte eingegliedert wurden. Die Überlebensraten waren weitestgehend vergleichbar mit den Ergebnissen konventioneller Belastungsprotokolle. Die Datenlage anhand dieser Recherche spricht zurzeit für die Realisierung der Sofortbelastung von provisorischen Implantatkronen ohne antagonistische Okklusionskontakte in Verbindung mit postoperativen Verhaltensmaßnahmen.
The prefrontal cortex (PFC) is considered the cognitive center of the mammalian brain. It is involved in a variety of cognitive functions such as decision making, working memory, goal-directed behavior, processing of emotions, flexible action selection, attention, and others (Fuster, 2015). In rodents, these functions are associated with the medial prefrontal cortex (mPFC). Experiments in mice and rats have shown that neurons in the mPFC are necessary for successful performance of many cognitive tasks. Moreover, measurements of neural activity in the mPFC show excitation or inhibition in different cells in relation to specific aspects of the tasks to be solved. To date, however, it is largely unknown whether prefrontal neurons are stably activated during the same behaviors within a task and whether similar aspects are represented by the same neurons in different tasks. In addition, it is unclear how specifically neurons are activated, for example, whether cells that are activated in response to reward are activated in a different task without reward in a different situation or remain inactive. To address these questions, we recorded the same neurons in the mPFC of mice over the course of several weeks while the animals performed various behaviors.
To do this, we expressed GCaMP6 in pyramidal neurons in the mPFC of mice. A small lens was implanted in the same location and a miniature microscope ("miniscope") was used to record neural activity. Later the extracted neurons got aligned based on their shape and position across multiple days and sessions. The mice performed five different behavioral tests while neural activity was measured: A spatial working memory test in a T-maze, exploration of the elevated plus maze (EPM), a novel object recognition (NO) test including free open field (OF) exploration, a social interaction (SI) test and discriminatory auditory fear conditioning (FC). Each task was repeated at least twice to check for stable task encoding across sessions. Behavioral performance and neural correlates to specific task events were similar to earlier studies across all tasks. We utilized generalized linear models (GLM) to determine which behavioral variables most strongly influence neural activity in the mPFC. The position of the mouse in the environment was found to explain most of the variance in neural activity, together with movement speed they were the strongest predictors of neural activity across all tasks. Reward time points in the working memory test, the conditioned stimulus after fear conditioning, or head direction in general were also strongly encoded in the mPFC.
Many of the recorded neurons showed a stable spatial activity profile across multiple sessions of the same task. Similarly, cells that coded for position in one task tended to code for position in other tasks. Not only did the same cells code for position across multiple tasks, but cells also coded for movement speed and head direction. This indicates that at least these general behavioral variables are each represented by the same neurons in the mPFC. Interestingly, the stability of position or speed coding did not depend on the time between two sessions, but only on whether it was within the same or across different tasks. Within the same task, stability was slightly higher than across different tasks.
To find out whether task-specific behavioral aspects were also stably encoded in the mPFC, difference scores as the difference in neural activity between two task aspects like left- and right-choice trials or exposed and enclosed locations were calculated. Many cells encoded these aspects stably across different sessions of each task. Both the left-right differences in the different phases of the working memory test, the open-closed-arm differences in the elevated plus maze, the different activity between center and corners in the open field, the social target-object differences in the social interaction test, and the differences between the two tones during fear conditioning were all stably encoded across the population of mPFC cells. Only the distinction between the novel and the familiar object during object recognition was not stably encoded, but also the preference for the novel object was not present in the second session of novel object exploration.
There was also an overlap in coding for different aspects within a task across multiple sessions. For example, cells stably encoded left-right differences in the T-maze between different sessions as a function of walking direction across different phases of working memory, an aspect that we could already show within one session (Vogel, Hahn et al., 2022). During fear conditioning, the same cells showed a discrimination between CS+ and CS- that also responded to the start of CS+.
Consistency in the neurons activity across different tasks was also found, but only between tasks with similar demands, the elevated plus-maze and free exploration of the open field. Cells that were more active in the open arms also showed more activity in the center of the open field and vice versa. This could be an indicator that the cells were coding for anxiety or exposure across those tasks, indicating that neurons in the mPFC also stably encode general task aspects independent of the specific environment. However, it remains unclear what exactly these neurons encode; in the case of a general fear signal, one would also expect activation during fear conditioning which could not be found.
Overall, we found that neurons in the mPFC of mice encoded multiple general behavioral variables across multiple tasks and task-specific variables were encoded stably within each of the tested tasks. However, we found little task-specific variables that were systematically encoded by the same neurons with the exception being the elevated plus-maze and open field exploration, two tasks with similar features.
Life and biological resilience rely on the execution of precise gene expression profiles. A key mechanism to ensure cellular homeostasis is the regulation of protein synthesis. Recent studies have unveiled an intrinsic regulatory capacity of ribosomes, previously considered mere executors of mRNA translation. Neurons in particular finely regulate protein synthesis, at both global and local levels. This sustains their complex morphology and allows them to rapidly transmit, integrate, and respond to external stimuli. In this thesis, I investigated the neuronal ribosome and how subcellular environments and physiological perturbations shape it, by profiling its molecular composition, functional interconnections, and cellular distribution.
First, I used genetic engineering, biochemical purification, and mass spectrometry, to characterize in an unbiased manner the translation machinery specifically from excitatory and inhibitory neurons of the mouse cortex. I found that neuronal ribosomes commonly interact with RNA-binding proteins, components of the cytoskeleton, and proteins associated with the endoplasmic reticulum and vesicles. In line with the requirement for local protein synthesis in the distal parts of neurons, we observed that neuronal ribosomes preferentially interact with proteins involved in cellular transport. Remarkably, I observed a strong association between ribosomes and pre-synaptic vesicles, which suggests a potential regulatory interaction between local translation and neuronal activity.
Intriguingly, I and others have observed mRNAs encoding for core ribosomal proteins (RPs) among the genes most enriched in neuronal processes. This observation challenges two historical assumptions of ribosome biology: (1) new RPs are incorporated only into newly forming ribosomes, and (2) this incorporation occurs only in the nucleus and perinuclear region. In my PhD, I aimed to directly test these two assumptions and if proven wrong ask whether and why neurons would localize RP mRNAs far from their known assembly site.
Employing a combination of metabolic labeling and highly sensitive mass spectrometry techniques, I discovered that a subset of RPs rapidly and dynamically binds on and off mature ribosomes. Strikingly, this incorporation does not depend on the supply of new ribosomes from the nucleus. Therefore, my data refuted the assumption that ribosomes are built and degraded as a unit and revealed a more dynamic view of these machines, which can actively exchange core components. In particular, I found that the association of certain exchanging RPs is influenced by location (e.g., cell body versus neurites) and cellular state (e.g., post-oxidative stress). Neurons may use this mechanism to repair and/or specialize their protein synthesis machinery in a rapid and context-dependent manner.
Finally, I asked whether some steps of ribosome biogenesis could also take place in distal processes. Although most steps of ribosome assembly occur within the nucleus, the final stages of maturation are known to occur in the cytosol. By combining several imaging and biochemical approaches, I found that cytosolic (but not nuclear) pre-ribosomal particles are present in neuronal processes. Through the incorporation of new RPs into these immature particles, neurons may be able to locally “turn on” previously incompetent ribosomes. This may enable regions near synapses to enhance and customize their translational capacity, independently of the central pool of ribosomes from the cell body. Indeed, I observed that synaptic plasticity induces a maturation of cytosolic pre-ribosomes.
In summary, this thesis shows how neuronal ribosomes can sense cellular states, respond by adjusting their core composition, and in doing so influence the local capacity for protein synthesis. By overturning long-held assumptions in ribosome biology, this work highlights new molecular mechanisms of gene expression and enriches our understanding of the rapid and dynamic strategies cells employ to operate, thrive, and adaptively respond to environmental changes.
Precise regulation of gene expression networks is required to develop and maintain a healthy organism before and after birth and throughout adulthood. Such networks are mostly comprised of regulatory proteins, but meanwhile many long non-coding transcripts (lncRNAs) are shown to participate in these regulatory processes. The functions and mechanisms of these lncRNAs vary greatly, however they are often associated with transcriptional regulation. Three lncRNAs, namely Sweetheart RNA (Swhtr), Fetal-lethal noncoding developmental regulatory RNA / Foxf1 adjacent non-Coding developmental regulatory RNA (Fendrr) and lncFsd2, were studied in this work to demonstrate the variety of cellular and biological processes that require lncRNA-mediated fine-tuning, in regard to the cardiopulmonary system.
Swhtr was found to be expressed exclusively in cardiomyocytes and became critical for regeneration after myocardial injury. Mice lacking Swhtr did not show issues under normal conditions, but failed to undergo compensatory hypertrophic remodeling after injury, leading to increased mortality. This effect was rescued by re-expressing Swhtr, demonstrating importance of the RNA. Genes dependent on Swhtr during cardiac stress were found to likely be regulated by NKX2-5 through physical interaction with Swhtr. Fendrr was found to be expressed in lung and interacted with target promoters through its RNA:dsDNA binding domain, the FendrrBox, which was partially required for Fendrr function. Fendrr, together with activated WNT signaling, regulated fibrosis related target genes via the FendrrBox in fibroblasts. LncFsd2, an ubiquitously expressed lncRNA, showed possible interaction with the striated muscle specific Fsd2, but its exact function and regulatory role remain unclear in muscle physiology. Immunoprecipitation and subcellular fractionation experiments suggest that lncFsd2 might be involved in nuclear retention of Fsd2 mRNA, thus fine-tuning FSD2 protein expression. These investigations have shed light on the roles of these lncRNAs in stress responses, fibrosis-related gene regulation, and localization processes, advancing our understanding of cardiovascular and pulmonary maintenance, reaction to injury, and diseases. The diverse and intricate roles of these three lncRNAs highlight how they influence various cellular processes and disease states, offering avenues for exploring lncRNA functions in different biological contexts.
Mitochondria perform essential energetic, metabolic and signalling functions within the cell. To fulfil these, the integrity of the mitochondrial proteome has to be preserved. Therefore, each mitochondrial subcompartment harbours its own system for protein quality control. However, if the capacity of mitochondrial chaperones and proteases is overloaded, mitochondrial misfolding stress (MMS) occurs. Upon this stress condition, mitochondria communicate with the nucleus to increase the transcription of nuclear encoded mitochondrial chaperones and proteases. This proteotoxic stress pathway was termed the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) aiming at restoring protein homeostasis. Despite being discovered over 25 years ago, the signalling molecules released by stressed mitochondria as well as the corresponding receptor and transcription factor remain poorly understood. With this study, we aimed at characterising the underlying signalling events and mechanisms of how mitochondria react to misfolded proteins. First, we aimed to establish different methods to induce MMS that triggers the transcriptional induction of mitochondrial chaperones and proteases detected by quantitative polymerase chain reaction. We were able to induce UPRmt signalling by overexpression of an aggregation-prone protein and by knock-down or inhibition of mitochondrial protein quality control components. To study the signalling in a time-resolved manner, we focused on the usage of the mitochondrial HSP90 inhibitor GTPP and the mitochondrial LONP1 protease inhibitor CDDO.
Early time point RNA sequencing analysis of cells stressed with GTPP or CDDO revealed upregulated genes in response to oxidative stress. Indeed, measurements of mitochondrial superoxide with the fluorescent dye MitoSOX showed increased levels of reactive oxygen species (ROS) upon MMS induction. In contrast, there was no induction of mitochondrial chaperones and proteases when combining MMS with antioxidants. Compartment-specific targeting of the hydrogen peroxide sensor HyPer7 revealed increased ROS levels in the intermembrane space and matrix of mitochondria, followed by elevated ROS levels in the cytosol at later time points. The importance of cytosolic ROS for the signalling was supported by preventing UPRmt induction with an inhibitor blocking the outer mitochondrial membrane pore. Thus, ROS were identified as an essential UPRmt signal.
To understand which cytosolic factor is modified by ROS, redox proteomics was performed. Here, reversible changes on cysteine residues of the HSP40 co-chaperone DNAJA1 were observed upon MMS. Consequently, transcriptional induction of UPRmt genes was abolished by DNAJA1 knock-down. To understand the function of DNAJA1 during UPRmt signalling, quantitative interaction proteomics upon MMS revealed an increased binding to mitochondrial proteins and its interaction partner HSP70. Immunoprecipitation confirmed a ROS-dependent interaction between HSP40 and HSP70. Increased binding to mitochondrial proteins represented a cytosolic interaction of DNAJA1 with mitochondrial precursor proteins, whose accumulation was confirmed by western blot. Moreover, a fluorescent protein targeted to mitochondria accumulated in the cytosol during GTPP treatment, confirming a reduced import efficiency upon MMS. Preventing the accumulation of precursors by a translation inhibitor or depletion of a general mitochondrial transcription factor resulted in reduced UPRmt activation. Thus, DNAJA1 is essential for UPRmt signalling, since its oxidation by mitochondrial ROS and its enhanced recruitment to mitochondrial precursors allows the integration of both MMS-induced signals.
To link these findings to an increased transcription of mitochondrial chaperones and proteases, we screened for transcription factors accumulating in the nucleus upon MMS by cellular fractionation mass spectrometry. We demonstrated that specifically HSF1 accumulates in nuclei of cells stressed with GTPP or CDDO. Depletion of HSF1 by knock-down or knock-out resulted in the abrogation of the UPRmt-specific transcriptional response. HSF1 activation was visualised by nuclear accumulation on western blot, a process inhibited by ROS and precursor suppression. Moreover, DNAJA1 depletion prevented HSF1 activation. Ultimately, we proved by immunoprecipitation that the inhibitory interaction between HSF1 and HSP70 is reduced upon MMS.
Thus, we conclude that MMS increases mitochondrial ROS that are released into the cytosol. In addition, the import efficiency is reduced upon MMS, resulting in the accumulation of non-imported mitochondrial precursor proteins in the cytosol. Both signals are recognised via DNAJA1 oxidation and substrate binding. The concurrent recruitment of HSP70 to DNAJA1 results in the loss of the inhibitory HSP70-HSF1 interaction. Thus, active HSF1 can migrate to the nucleus to initiate transcription of mitochondrial chaperones and proteases. These findings are in accordance with observations in yeast, where mistargeted mitochondrial proteins activate cellular stress responses. Our results highlight a surprising interconnection and dependence of the mitochondrial and the cytosolic proteostasis network, in which the UPRmt is activated by a combination of two mitochondria-specific proteotoxic stress signals.
Das Ziel der vorliegenden Studie war die vergleichende morphometrische Untersuchung der Molarenmorphologie rezenter Hominoidea. Im Mittelpunkt der Fragestellung stand die dreidimensionale Analyse des hominoiden Facettenmusters, neben dem quantitativen Vergleich der Relieftopographie und der konstruktiven Veränderung der Kauflächen mit zunehmender Abnutzung, im Hinblick auf die funktionellen Möglichkeiten zur effektiven Nahrungsaufschließung.
Die qualitative Analyse umfasst, neben der dentalmorphologischen Beschreibung, die digitale Fotodokumentation und die Klassifizierung der verschieden weit abgenutzten Molaren in vergleichende Abkauungsgrade.
Die quantitative Auswertung der virtuellen Zahnmodelle schließt die Vermessung der größten Länge, Breite und Höhe, die Berechnung des prozentualen Dentin- und Facettenflächenanteils, des Relief-Index sowie die Neigung und Orientierung der antagonistischen Facetten des Oberund Unterkiefers mit ein. Die Berechnung der korrespondierenden Facettenwinkel in einem einheitlichen Koordinatensystem erlaubt die Kalibrierung der okkludierenden Flächenareale und die Berechnung dreidimensionaler Richtungsvektoren, die die buccale und linguale Mandibelbewegung widerspiegeln. Je nach der Art der Verzahnung der in Okklusion tretenden Höckerflanken lassen sich aus dem räumlichen Zusammenspiel der Funktionselemente quetschende und scherende Komponenten differenzieren.
Die Ergebnisse, die am Rezentmaterial (244 Einzelzähne) gewonnen wurden, sind auf 16 ausgewählte Einzelzähne aus Sangiran und Punung (Java, Indonesien) der Sammlung VON KOENIGSWALD der Abteilung Paläoanthropologie und Quartärpaläontologie des Forschungsinstituts Senckenberg, übertragen worden.
Entsprechend der zu Anfang aufgeworfenen Fragestellung konnte ein für jede Gattung charakteristisches Reliefmuster der Okklusalfläche und dessen Veränderung im Laufe der Abkauung etabliert werden. Infolge des Abschleifens der konvexen Höckerspitzen kommt es zu einer unterschiedlich schnellen und intensiven Reliefverflachung. Die Reliefunterschiede zwischen den Gattungen bleiben im Laufe der Abnutzung erhalten. Gorilla besitzt das am stärksten ausgeprägte okklusale Relief und zeigt die intensivste Abnutzung der Kauflächen und grenzt sich von Pan und Hylobates und insbesondere von Pongo deutlich ab. Pongo besitzt das flachste okklusale Relief und zeigt eine geringere Abnutzung der Kauflächen.
Auf der Grundlage der rekonstruierten Facettenwinkel lässt sich das homologe Facettengrundmuster der Hominoidea weiter differenzieren. Alle Gattungen stimmen in der Position der Facettenareale weitgehend überein. Dieses homologe Facettenmuster resultiert aus der relativ zyklischen Kaubewegung. Die Relieftopographie und Profilierung der Kaufläche sind für die individuelle Bewegungsführung entscheident. Es konnte gezeigt werden, dass aus der unterschiedlichen Steilheit der Zahn-zu-Zahn-Kontakte, unter Berücksichtigung der auf der dreidimensionalen Orientierung der Facetten basierenden Bewegungsbahnen, verschiedene Funktionalitäten resultieren. Durch die Unterschiede in der räumlichen Facettenausdehnung prägt sich ein gattungsspezifisches Grundmusters aus, welches direkt mit der Funktion korreliert und die hohe Effizienz bei der unterschiedlichen Nahrungsaufbereitung bewirkt. Jene quantitativ erfassten Flächen und Bewegungen können funktionell interpretiert werden und stellen eine eindeutige Verbindung zu den in der Literatur aufgeführten Ernährungsweisen der Hominoidea her. Die Kauflächen der vier rezenten Gattungen können unter unterschiedlichen Nutzungsbedingungen im Hinblick auf eine spezifische Ernährungsweise verstanden werden.
Es wurde gezeigt, dass die dreidimensionale Ausrichtung homologer Facetten zu unterschiedlicher Funktionalität führen kann und demzufolge über die zweidimensionale Analyse hinausgeht.
Gorilla nutzt die Vielzahl steiler und kleiner Kontaktflächen zum Zerschneiden der überwiegenden faserigen Nahrungsbestandteile durch hohe Scherkräfte. Aufgrund der stark profilierten Kaufläche folgt die Bewegungsführung restriktiv dem Furchungsverlauf.
Pongo besitzt infolge der Konstruktion der Kaufläche große Kontaktareale, die in flachem Winkel aufeinandertreffen und so ein effizientes Quetschen oder Zermahlen der überwiegenden Früchtenahrung erlauben. Das flache Kauflächenprofil ermöglicht einen größeren Spielraum in der Bewegungsführung.
Pan und Hylobates besitzen ein Repertoire aus schneidenden und quetschenden Funktionselementen und somit einen geringeren Spezialisierungsgrad.
Die Beurteilung der Konstruktion und Funktion der pleistozänen Einzelmolaren im Vergleich mit den erarbeiteten Rezentmodellen ergibt eine Ähnlichkeit mit dem modernen Pongo. Die flache Relieftopographie, die geringe Steilheit der Winkel und die zusätzlichen Schmelzrunzelungen lassen auf ein Quetschen der Nahrung schließen. Eine phylogenetische Aussage zur Differenzierung zwischen Homo oder Pongo konnte aufgrund der kleinen und als exemplarisch anzusehenden Zahl fossilen Materials nicht eindeutig erfolgen.
Diese Versuchsreihe beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob günstige Handelsmarken- Zigaretten mehr Feinstaub als teure Markenzigaretten emittieren. Dabei wurde der Passivrauch untersucht, welcher durch das Verrauchen verschiedener Zigarettenmarken entstand. Feinstaub stellt heutzutage den wichtigsten einzelnen gesundheitsschädlichen Faktor in Innenräumen dar. Das Augenmerk liegt dabei hauptsächlich auf den feinen Partikeln (PM2,5, PM1). Tumore, chronische Atemwegserkrankungen und eine erhöhte Mortalität stellen nur einen Teil der massiven gesundheitlichen Folgen durch Feinstaub dar. Vulnerable Bevölkerungsgruppen wie Kinder und alte Personen sind besonders durch Passivrauch gefährdet. Die Ergebnisse der Versuchsreihe dienen als Grundlage, um den gesundheitsschädlichen Einfluss des Passivrauchs zu interpretieren. Günstige Handelsmarken-Zigaretten weisen, unter anderem wegen des beständig ansteigenden Zigarettenpreises als auch der anhaltenden Inflation in Deutschland, einen wachsenden Marktanteil auf. Daher müssen sie auch weiterhin in wissenschaftlichen Untersuchungen mit einbezogen werden.
Drei teure sowie drei günstige Zigarettenmarken wurden miteinander und mit der Referenzzigarette 3R4F der Universität Kentucky verglichen. Zu den teuren Marken zählten Marlboro, Camel und Nil. Die günstigeren Handelsmarken-Zigaretten waren Giants, Goldfield und Jakordia. Die Rauchpumpe „Automatic environmental tobacco smoke emitter“ (AETSE) ermöglichte in einem definierten Raum der abgeschlossenen Rauchkammer, Passivrauch zu erzeugen, ohne die menschliche Gesundheit zu gefährden. Ein standardisiertes Rauchprotokoll garantierte dabei reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse. Das Laser Aerosolspektrometer (LAS) Modell 1.109 der Firma Grimm wies eine Messspanne von 0,25 μm bis 32 μm auf. So konnte der Feinstaub gemessen und gruppiert werden. Obwohl der Versuchsaufbau nicht vollkommen realitätsgetreu war, entstand ein adäquater Vergleich der Feinstaubemissionen von (Handels-)Markenzigaretten.
PM10 und PM2,5 wurden erhoben, weil sie die von der EU und WHO standardisierten Messwerte für die Luftverschmutzung durch Feinstaub sind. Die Messung von PM1 rechtfertigt sich durch die stärker gesundheitsschädigende Komponente von Partikeln dieser Größenordnung. Für diese drei Größenfraktionen wurden die mittlere Konzentration Cmean sowie die Area Under The Curve (AUC) ermittelt. Die AUC stellt dabei die Höhe der Gesamtexposition durch Feinstaub dar.
Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe zeigen, dass PM1 den größten Anteil der Feinstaubemission der getesteten Zigaretten ausmachte. Alle Zigarettenmarken haben in einem abgeschlossenen Raum Feinstaubmengen in gesundheitsgefährdender Menge produziert. Die Handelsmarke Jakordia emittierte beim Verrauchen generell weniger Feinstaub als alle anderen Zigarettenmarken. Im Allgemeinen konnte kein Unterschied zwischen den günstigen Handels- und den teuren Markenzigaretten festgestellt werden. Es ist wissenschaftlich belegt, dass sich jede Feinstaubkonzentration negativ auf die Gesundheit auswirkt. Die Ergebnisse können dementsprechend in Gänze unter dem Gesichtspunkt der Gesundheitsschädlichkeit eingestuft werden.
Aufgrund veralteter und unspezifischer, beziehungsweise fehlender Angaben zu den Inhaltsstoffen der einzelnen Zigarettensorten, konnte die Ursache der Unterschiede zwischen Jakordia und den anderen Marken nicht geklärt werden. Die Zigarettenhersteller müssen verpflichtet werden, die detaillierten Zusammensetzungen der Tabakprodukte den Behörden wie dem BMEL oder dem Bundesgesundheitsministerium zugänglich zu machen. Dies wäre ein wichtiger Bestandteil für die zukünftige Forschung und Risikobewertung der verschiedenen Inhalts- und Zusatzstoffe.
This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
Die Bande q23 auf Chromosom 11 ist in zahlreiche reziproke chromosomale Translokationen verwickelt. Diese sind dominant mit dem Krankheitsphänotyp einer AML, ALL und seltener mit malignen Lymphomen und myelodysplastischen Syndromen assoziiert. Mittlerweile sind fünfundachtzig cytogenetische Aberrationen der Bande 11q23 bekannt. Das auf 11q23 betroffene Gen wird als das Mixed Lineage Leukemia (MLL), Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL-1), Human Homolog of trithorax (HRX) oder als Human Trithorax 1 (Htrx1) bezeichnet. Die häufigsten Partnergene des MLL sind AF4 (40 %), AF9 (27 %), sowie ENL, AF6, ELL und AF10 (4-7 %).
Die Bruchpunkte von t(11;V) Translokationen sind nicht gleichmäßig über das gesamte, 92 kb große humane MLL-Gen verteilt, sondern liegen alle in der 8,3 kb großen Bruchpunktsregion Bpr. Auch innerhalb der Bpr ist die Verteilung der Translokationsbruchpunkte nicht homogen. Die Bruchpunkte von Patienten mit de novo Leukämien und einem Alter über einem Jahr liegen mehrheitlich in der 5’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster I. Dagegen liegen die Bruchpunkte von Patienten mit therapiebedingten Leukämien und einem Alter unter einem Jahr überwiegend in der 3’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster II.
Neuere Forschungsergebnisse zeigten, daß DNA-Doppelstrangbrüche auf zwei verschiedenen Chromosomen eine hinreichende Voraussetzung für das Entstehen chromosomaler Translokationen sind. Aufgrund der inhomogenen Verteilung der Translokationsbruchpunkte im MLL-Gen stellte sich die Frage, ob bestimmte Regionen dieses Gens für DNA-Doppelstrangbrüche prädisponiert sind. Interessanterweise ist Subcluster II extrem sensitiv gegenüber DNA-Doppelstrangbrüchen, die durch cytotoxische Agenzien oder Apoptose-auslösende Ereignisse induziert werden können. In unserer Arbeitsgruppe konnte eine etwa 200 bp große Region lokalisiert werden, über die sich nahezu alle Etoposid-induzierten DNA-Doppelstrangbrüche verteilten.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen in dieser Region durch die Gabe eines Caspase-Inhibitors gehemmt werden kann. Eine Etoposid-induzierte Protein-DNA-Wechselwirkung konnte allerdings nicht nachgewiesen werden. In der Literatur fanden sich Hinweise darauf, daß Subcluster II im Gegensatz zu Subcluster I eine verstärkte Histonacetylierung aufweist. Basierend auf diesen Hinweisen sollte die Arbeitshypothese untersucht werden, ob Subcluster II einen geninternen Promotor des MLL-Gens darstellt.
Die potentielle Promotorregion wurde zunächst durch Computeranalysen eingegrenzt. Mit RT-PCR Experimenten wurde anschließend der potentielle geninterne Promotor des murinen Mll-Gens in einer murinen Fibroblastenzellinie lokalisiert, die einen Transkriptionsstop und eine Polyadenylierungssequenz in Exon 4 des Mll-Gens trug. Um die am Mausmodell gewonnenen Erkenntnisse auch im humanen System zu überprüfen, wurde die geninterne Promotorregion des humanen MLL Gens vor ein Luciferasereportergen kloniert. Durch RTPCR konnte der geninterne Transkriptionsstart im Subcluster II des humanen MLL-Gens lokalisiert werden. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, daß Transkriptionsinitiation und genetische Instabilität im Subcluster II des humanen MLL-Gens kolokalisieren.
Durch Deletionsmutanten wurde die Bedeutung der einzelnen Module dieser Promotorregion ermittelt. Dabei zeigte sich, daß die Anwesenheit von zwei retromobilen Elementen eine Enhancer-Funktion haben. Demgegenüber zeigte die homologe murine Sequenz, die in unserer Arbeitsgruppe gleichzeitig von S. Scharf untersucht wurde und für die keine erhöhte Anfälligkeit für DNA-Doppelstrangbrüche bekannt ist, nur eine schwache Promotoraktivität. Dies weist auf einen Zusammenhang zwischen der genetischen Instabilität von Subcluster II und der Rate geninterner Transkriptionsinitiationsprozesse hin.
Das Protein, für das das Transkript des geninternen murinen Promotors kodiert, wurde mittels immunhistologischer und Western Blot Experimente nachgewiesen. Dabei konnte gezeigt werden, daß dieses Protein, wie auch das MLL-Protein, proteolytisch durch Taspase1 und daß sich ein Mini-MLL-Komplex bildet.
Ziel der vorliegenden In-vitro-Untersuchung war der Vergleich drei unterschiedlicher maschineller Nickel-Titan-Wurzelkanalinstrumente bezüglich ihres Vermögens, künstliche Wurzelkanäle mit einem standardisierten Krümmungsradius von 36° nach der Crown-downMethode aufzubereiten. Die verwendeten Systeme waren Profile .04- und Profile .06-Feilen, sowie Mity -Roto-Feilen; angetrieben wurden die Instrumente mit dem ATR Tecnika Motor, einem drehmomentbegrenztem, computergesteuerten Endodontiemotor. Insgesamt wurden vom selben Behandler 60 Kanäle aufbereitet, nachdem diese zuvor in drei Gruppen aufgeteilt wurden: Gruppe 1 wurde ausschließlich mit Profile .04-Instrumenten aufbereitet, Gruppe 2 mit Mity-Roto-Feilen und Gruppe 3 in der Kombination Profile .04-, sowie Profile .06-Feilen. Die einzelnen Kanäle wurden in Hinsicht der Parameter Aufbereitungszeit, Arbeitslängenverlust, Gewichtsverlust, Instrumentenfraktur, sowie Veränderungen der Kanalanatomie miteinander verglichen. Durch Übereinanderprojektion von DiapositivAufnahmen vor und nach Aufbereitung erfolgte die Auswertung der Veränderung der Kanalanatomie.
Hinsichtlich der Aufbereitungszeit gab es zwischen den Systemen Mity-Roto und Profile .04/06 keine statistisch signifikanten Unterschiede.
Die besten Ergebnisse bezüglich Verlust von Arbeitslänge wurden mit den Mity-Roto-Feilen erzielt. Bei allen 20 Kanälen wurde nach der Aufbereitung die volle Arbeitslänge wieder erreicht. Im Gegensatz dazu ergaben sich bei der Aufbereitung mit Profile .04-Instrumenten in allen 20 Kanälen Arbeitslängenverluste, diese betrugen im Mittel 2,8 mm. Mit nur 0,3 mm mittleren Verlusts an Arbeitslänge unterscheidet sich die Profile .04/06-Gruppen nicht statistisch signifikant von der Mity-Roto-Gruppe, es gilt aber hierbei zu berücksichtigen, dass die von einer Fraktur betroffenen Kanäle nicht in die statistischen Auswertungen einbezogen wurden. Insgesamt wurde bei der Kombination der Instrumente Profile .04 und .06, d.h. in Gruppe 3, bei ca. der Hälfte der Kanäle die ursprüngliche Arbeitslänge nicht erreicht.
Die Auswertung dieses Parameters weist darauf hin, dass eine Kombination der Profile .04-Instrumente mit den stärker konischen .06-Instrumenten für die oberen Kanalanteile zu einer Verbesserung der Ergebnisse führt. Demgegenüber sind die Mity-Roto-Instrumente mit ihrem 2-prozentigem Konus in der Lage, auch ohne den zusätzlichen Einsatz eines stärker konischen Instruments für den Kanaleingang bei allen Kanälen die Ursprungsarbeitslänge zu erreichen. Bei den Werten für den Gewichtsverlust nach Aufbereitung unterschieden sich die drei Aufbereitungsmethoden statistisch nicht voneinander.
Bei sechs von 60 aufbereiteten Kanälen ergaben sich Frakturen, dies entspricht einer Frakturrate von 10 %. Absolut gesehen traten nur bei den Profile 04-Instrumenten Frakturen auf, jeweils drei bei der Profile .04- Gruppe und ebenfalls drei bei der Profile .04/06-Gruppe. Häufigste Frakturstelle war das apikale Drittel des 16 mm langen Arbeitsteils der Feile. Betroffen waren vor allem die Feilen stärkeren Durchmessers, insbesondere kam es bei der Feile # 30 in vier Fällen zu einer Fraktur. Die Mity-Roto-Feilen verfügen über eine hohe Arbeitssicherheit, in keinem der 20 Wurzelkanäle kam es zum Auftreten einer Fraktur.
Bezüglich der Veränderung der Kanalanatomie lässt sich für die Mity-Roto-Feilen ein weitgehend zentriertes Aufbereitungsverhalten feststellen. Hingegen weisen die Profile .04-Gruppe, sowie die Profile .04/06-Gruppe lediglich im apikalen Kanalanteil ein zentriertes Aufbereitungsmuster auf, im mittleren Teil kommt es zu einem stärkeren Abtrag an der Außenkurvatur und koronal ist eine Verlagerung des stärksten Abtrags nach mesial festzustellen.
Bei der Bewertung der Veränderung der Kanalanatomie muss berücksichtigt werden, dass durch die Diapositivtechnik nur eine Betrachtung in zwei-dimensionaler Weise möglich war, die dritte Ebene ist ausgespart und entzieht sich somit der Möglichkeit der Bewertung. Der Großteil von Studien, der sich mit der Aufbereitung von Wurzelkanälen beschäftigt, bereitet diese häufig nicht in dem starken Maße auf, wie in der vorliegenden Untersuchung geschehen. Statt einer Masterfeile von # 40, wie in der vorliegenden Untersuchung, wird häufig lediglich bis # 30, beziehungsweise # 35 aufbereitet.
Unter den Bedingungen der vorliegenden Studie führte die maschinelle
Wurzelkanalpräparation mit Profile .04-Instrumenten zu unbefriedigenden Ergebnissen, die sich jedoch durch den zusätzlichen Einsatz der stärker konisch geformten .06-Instrumente deutlich verbessern lassen. Aufgrund der relativ hohen Frakturhäufigkeit kann der kombinierte Einsatz von Profile .04- und Profile .06-Instrumenten für die Aufbereitung von gekrümmten Kanälen eingeschränkt empfohlen werden.
In Bezug auf alle erhobenen Parameter erzielte die Aufbereitung mit den Mity-Roto-Feilen die besten Ergebnisse und kann für die maschinelle Aufbereitung gekrümmter Wurzelkanäle empfohlen werden.
Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zur akustischen Konditionierung speziell für cochleaimplantierte Katzen zu entwickeln. Die Methode sollte bei den Katzen Interesse an akustischen Reizen induzieren und mit einem geringen Aufwand Hör- und Unterschiedsschwellen bestimmbar machen.
Dabei konnte auf den Erfahrungen aus der Arbeit von Manos Pramateftakis aufgebaut werden.
Bei der Katze handelt es sich um ein gutgeeignetes Tiermodell, wodurch sich die gewonnenen Ergebnisse in gewissem Maße auf den Menschen übertragen lassen. Zusammen mit den Resultaten aus den neurophysiologischen und histologischen Untersuchungen sollen sie helfen, die Implantate und deren Codierungsstrategien zu verbessern.
Es wurden insgesamt sieben Katzen für die Konditionierungsexperimente verwendet, davon vier Tiere, zwei taub geborene und zwei künstlich vertäubte, mit einem Cochleaimplantat ausgestattet. Es wurde sichergestellt, daß die Tiere vor der Implantation taub waren und keinerlei Hörerfahrung hatten. Die Tiere wurden im Alter von 2,5 bis 6,5 Monaten implantiert. Drei weitere Katzen dienten als hörende Kontrollen. Die sieben Katzen wurden zwischen 12 und 102 Tage konditioniert.
Die verwendeten Cochleaimplantate wurden in unserem Institut speziell für den Einsatz bei Katzen entwickelt. Es handelt sich dabei um fünf kugelförmige Reizelektroden, die in die Scala tympani eines Ohres inseriert wurden, und eine indifferente Elektrode. Es wurde ein rein monopolares Reizmuster verwendet. Bei der entwickelten Methode handelte es sich um eine operante Konditionierung mit positiver Verstärkung und einem konstanten Verstärkungsmuster. Die Konditionierungssitzungen fanden einmal täglich, an sieben Tagen der Woche in einer schalldichten Kammer statt, mit 15 – 20 Trials (Tests) pro Sitzung. Die Tiere wurden nicht futterdepriviert, erhielten aber für mindestens sechs Stunden vor der Konditionierung keine Nahrung.
Ziel war es, daß die Katzen ein Verhalten zur Frequenzdiskrimination erlernten. Dazu mußten die Tiere bei zwei verschiedenen Reizfrequenzen unterschiedliche Futternäpfe aufsuchen, um eine Belohnung zu erhalten. Das Hinlaufen zu dem richtigen Futternapf wurde als Treffer (Hit) gewertet und in jedem Fall verstärkt. Bei den Versuchen wurde bewußt auf eine Automatisierung verzichtet. Damit es möglich war auf das individuelle Verhalten der Katzen zu reagieren, wurde einem Versuchsleiter der Vorzug gegeben. Es waren mit dieser Methode nur durchschnittlich sieben Sitzungen oder 122,2 Trials nötig, damit die Tiere zuverlässig den Zusammenhang zwischen Reiz und Verstärker erkannten. Die Methode kann aufgrund dieser Daten als sehr effektiv bezeichnet werden, die mit wenig Zeitaufwand durchzuführen ist. Es konnte kein Unterschied zwischen normal hörenden und implantierten Tieren bezüglich des Lernerfolges festgestellt werden. Einzig die Katze, die erst im Alter von über sechs Monaten implantiert wurde, zeigte einen deutlich schlechteren Lernfortschritt als alle anderen Tiere. Möglicherweise ein Zeichen, daß bei dem Tier zum Zeitpunkt der Implantation die kritische Periode der Gehirnentwicklung bereits abgeschlossen war.
Mit dieser Methode konnte allerdings keine der Katzen ein Verhalten zur Frequenzdiskrimination erlernen. Die Tiere vermochten nicht die unterschiedlichen Reize den verschiedenen Futterstellen zuzuordnen. Das Fehlen eines Manipulandums und damit einer eindeutigen, zu verstärkenden Verhaltensweise könnten hierfür der Grund sein. Es ist zu vermuten, daß die Anforderungen an die Tiere in letzter Konsequenz zu schwierig waren. Weiterführende Untersuchungen werden nötig sein, um die Methode zu optimieren.
Rafts: Rafts sind spezialisierte Domänen biologischer Membranen, die sich durch ihre spezifische Lipid- und Proteinzusammensetzung auszeichnen (zur Übersicht siehe Simons und Toomre, 2000). Die am besten beschriebenen Rafts sind die Caveolae, doch es gibt noch weitere weniger gut charakterisierte Rafttypen. Rafts werden verschiedene zelluläre Funktionen zugeschrieben wie z.B. gerichteter Transport von Membranproteinen, Endozytose und Signaltransduktion. Diese Funktionen erfüllen sie vornehmlich, indem sie verschiedene Proteine und Lipide bedingt durch ihre biophysikalischen Eigenschaften selektiv aufnehmen oder ausschließen. Viele Raftproteine sind über gesättigte Acylketten, wie Myristat oder Palmitat, oder einen GPIAnker mit der Membran assoziiert. Transmembranproteine, wie z.B. der EGFRezeptor, können jedoch auch in Rafts angereichert sein. Besonders an der Plasmamembran dienen Rafts als Signaltransduktionszentren, indem sie beteiligte Rezeptoren und Signalmoleküle konzentrieren.
Reggie-Proteine: Bei der Suche nach Proteinen, die bei der Regeneration von verletzten Sehnerven von Fischen hochreguliert werden, wurden Reggie-1 und Reggie-2 entdeckt (Schulte et al., 1997). Gleichzeitig wurden diese Proteine bei der Suche nach neuen Raftproteinen gefunden und als Flotillin-1 (=Reggie-2) und Flotillin-2 (=Reggie-1) bezeichnet (Bickel et al., 1997). Reggie-1 und -2 haben ein Molekulargewicht von 47 kDa und sind auf Aminosäuren-Basis zu 44% identisch. Homologe zu Reggie-1 wurden bislang in Mensch, Maus, Ratte und Fisch, wie auch in D. melanogaster gefunden. Die evolutionäre Konservierung der Reggies ist, mit beispielsweise 80% zwischen Ratte und Goldfisch, sehr hoch und weist auf eine wichtige Funktion hin, die Sequenzkonservierung verlangt. Reggie-1 wird ubiquitär exprimiert, wogegen Reggie-2 ein weniger verbreitetes Expressionsmuster aufweist. Reggie-1 ist vornehmlich an der Plasmamembran und an Endosomen lokalisiert. Die subzelluläre Lokalisation von Reggie-2 hängt vom Zelltyp ab...
Bioactive small molecules are used in many research areas as important tools to uncover biological pathways, interpret phenotypic changes, deconvolute protein functions and explore new therapeutic strategies in disease relevant cellular model systems. To unlock the full potential of these small molecules and to ensure reliability of results obtained in cellular assays, it is crucial to understand the properties of these small molecules. These properties encompass their activity and potency on their designated target(s), their selectivity towards unintended off-targets and their phenotypic effects in a cellular system. Approved drugs often engage with multiple targets, which can be beneficial for some applications such as treatment of cancer where several pathways need to be inhibited for treatment efficacy. However, targeting multiple key proteins in diverse pathways also increases the possibility for unspecific or unwanted side effects. For many drugs the entire target space that they modulate is not known. This makes it difficult to use these drugs for target deconvolution or functional assays with the aim to understand the underlying biological processes. In contrast to drugs, for mechanistic studies, a good alternative are chemical tool compounds so called chemical probes that are usually exclusively selective as well as chemogenomic compounds, that inhibit several targets but have narrow selectivity profiles. Because they are mechanistic tools, chemical tool compounds must meet stringent quality criteria and they are therefore well characterized in terms of their potency, selectivity and cellular on-target activity. To ensure that an observed phenotypic effect caused by a compound can be attributed to the described target(s), it is essential to study also properties of chemical tools leading to unspecific cellular effects. There are a variety of unspecific effects that can be caused by physiochemical compound properties that can interfere with phenotypic assays as well as functional compound evaluations. One of these effects is low solubility causing toxicity or intrinsic fluorescence potentially interfering with assay readouts. But unanticipated cellular responses can also arise from unspecific binding, accumulation in cellular compartments or damage caused to organelles such as mitochondria or the cytoskeleton that can result in the induction of diverse forms of cell death.
In this study, we investigated the influence of a variety of small molecules on distinct cell states, by establishing and validating high-content imaging assays, which we called Multiplex assay. This assay portfolio enabled us to detect different cellular responses using diverse fluorescent reporters, such as the influence of a compound on cell viability, induction of cell death programs and modulation of the cell cycle. Additionally, general compound properties such as precipitation and intrinsic fluorescence were simultaneously detected. The assay is adaptable to assess other cellular properties of interest, such as mitochondrial health, changes in cytoskeletal morphology or phospholipidosis. A significant advantage of the assay is that we are using live cells, so we can capture dynamic cellular changes and fluctuations that can be crucial for the understanding of cellular responses.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Resilienz als Schutzfaktor vor der Entwicklung psychischer Erkrankungen ist angesichts der zunehmenden gesellschaftlichen Belastung durch chronischen Stress und stressassoziierte Folgeerkrankungen ein hochaktuelles Forschungsthema. Obwohl bereits zahlreiche Erhebungen zur Resilienz existieren, herrscht kein Konsens über die konkrete Operationalisierung des Konzepts. In der Folge differieren vorliegende Studienergebnisse stark voneinander, sind nur schwer miteinander vergleichbar und fraglich auf die Gesellschaft zu übertragen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, ob Haarcortisol einen geeigneten Biomarker in der Resilienzforschung darstellt und einen Beitrag zur Vereinheitlichung und Objektivierung dieses Forschungsgebietes leisten kann.
Zur Beantwortung dieser Frage wurde auf die Daten des aktuell laufenden Langzeitforschungsprojekts „Longitudinal Resilience Assessment“ der Universitätskliniken Frankfurt und Mainz aus den Jahren 2017 bis 2019 zurückgegriffen. Alle Proband*innen der psychisch gesunden Stichprobe (N= 192, 18-50 Jahre) füllten zu insgesamt drei Erhebungszeitpunkten nach Studieneinschluss und im Abstand von je drei Monaten Onlinefragebögen zur Ermittlung der aktuell vorherrschenden Stressexposition, der allgemeinen psychischen Gesundheit sowie des subjektiven Stresserlebens aus. Gleichzeitig fand die Entnahme von Haarproben für die Analyse der Haarcortisolkonzentration statt. Zum Studieneinschluss erfolgte ergänzend die Erhebung der Traumatisierung und negativen Erfahrungen im Kindesalter.
Mittels linearer multivariater Regression wurde ein Effekt möglicher anthropometrischer und soziodemographischer Einflussfaktoren auf die Cortisolkonzentration im Haar ausgeschlossen. Ferner wurde die Auswirkung der Lagerungszeit auf die Höhe der Cortisolwerte im Haar untersucht. Es zeigte sich, dass Haarproben mit einer kürzeren Lagerungszeit signifikant höhere Cortisolwerte aufwiesen als solche mit einer längeren Lagerungszeit. Die Stabilität der Cortisolkonzentrationen über die einzelnen Messzeitpunkte hinweg erwies sich dabei insgesamt nur als mäßig hoch. Zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen subjektivem und objektivem Stress, Traumatisierung und negativen kindlichen Erfahrungen, allgemeiner psychischer Gesundheit, Resilienz und HCC wurden Spearman-Rang-Korrelationen angewandt. Auch hier ließen sich keine statistisch signifikanten Zusammenhänge feststellen. Dennoch konnten bei Personen mit einer Veränderung des Stressniveaus während des Beobachtungszeitraumes eine insgesamt deskriptiv erhöhte Stressexposition sowie statistisch signifikant höhere Mengen an Haarcortisol beobachtet werden. Bei weiteren explorativen Datenanalysen innerhalb einer kleinen Subpopulation der Studienstichprobe konnten während des Einwirkens eines intensiven spezifischen Stressors erhöhte HCC-Werte in Verbindung mit schlechteren psychischen Gesundheitsergebnissen gebracht werden.
Auf Grundlage dieser Arbeit lässt sich kein relevanter Einfluss verschiedener Stressvariablen auf die Cortisolkonzentration im Haar ableiten. Auch die individuelle Resilienz steht in keinem Zusammenhang zum HCC. Die Ergebnisse der explorativen Untersuchungen deuten in Zusammenschau mit einer mäßig hohen Stabilität des HCC jedoch darauf hin, dass Haarcortisol ein veränderungssensitiver Biomarker sein kann. Bei intensiver spezifischer Stresseinwirkung steht es in Zusammenhang mit schlechteren Gesundheitsergebnissen und damit indirekt mit der individuellen Resilienz. In zukünftigen Arbeiten sollte untersucht werden, auf welche Weise die Höhe des Haarcortisols Hinweise auf die Auswirkungen einer spezifischen Stressexposition und damit auf den psychischen Gesundheitszustand eines Individuums liefern kann, um so Risikogruppen identifizieren und diese durch frühzeitige Interventionen vor der Entwicklung psychischer Erkrankungen schützen zu können.
Das CD-44-Molekül ist ein membranständiger Oberflächenrezeptor, der als Adhäsionselement von Tumorzellen im Rahmen der Metastasierung genutzt wird. Berichte verweisen auf eine direkte Korrelation zwischen CD-44-Expression eines Tumors und der klinischen Prognose. Darüber hinaus kann der CD-44-Rezeptor auch intrazelluläre Signalwege aktivieren, und als solches Signalelement in die Regulation des Zellzyklus eingreifen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde postuliert, dass der CD-44-Rezeptor zellzyklusabhängige Veränderungen erfährt und sich daraus Modifikationen des Adhäsionsverhaltens von Tumorzellen ergeben.
Repräsentativ wurde an der Magenkarzinom-Zell-Linie MKN-45 die CD-44-Expression bzw. dessen Splice-Varianten während des Zellzyklus fluorometrisch untersucht (FACS-Analyse, konfokale Laserscan-Mikroskopie). Parallel wurde das Adhäsionsverhalten an isolierten und kultivierten humanen Endothelzellen evaluiert. Die Tumorzellen wurden zuvor mittels Aphidicolin synchronisiert. Als Kontrolle dienten nicht-synchronisierte Zellen.
Die Untersuchungen verdeutlichten eine spezifische Expression der CD-44-Varianten CD44v4, CD44v5, CD44v7. Die Inkubation der Tumorzellen mit Aphidicolin bewirkte eine ausgeprägte Akkumulation von MKN-45-Zellen in der S-Phase. Nach Absetzen des Aphidicolins und Freisetzung in den Zellzyklus kam es zur signifikanten zyklusabhängigen Modulation der Rezeptorexpression. CD44v4, CD44v5 und CD44v7 waren in der G2/MPhase gegenüber der G0/G1- und S-Phase deutlich vermehrt auf der Membran detektierbar. In der G2/M-Phase erhöhte sich zudem signifikant die Adhäsionskapazität der MKN-45-Zellen. Blockadestudien mit gegen die CD-44-Varianten gerichteten monoklonalen Antikörpern belegten die CD-44-abhängige Tumorzell-Endothelzell-Interaktion.
Die Studien belegen zumindest am in vitro Zellkulturmodell die zellzyklus-gesteuerte CD-44-Expression und CD-44-abhängige Invasionseigenschaften von Tumorzellen. Es lässt sich daraus ableiten, dass eine anti-tumorale Therapie an zuvor synchronisierten Tumorzellen womöglich besonders effektiv sein kann. Auch die pharmakologische Blockade des CD-44-Rezeptors könnte einen anti-tumoralen Effekt besitzen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines interaktionalen Simulationsmodells zum späteren Einsatz in der VR-Simulation Clasivir 2.0 (Classroom Simulator in Virtual Reality), welche in der Lehrkräftebildung eingesetzt werden soll. Das Clasivir-Simulationsmodell wurde im Rahmen eines Prototyps implementiert und zwei anderen Simulationsmodellen in einem Fragebogen entgegengestellt. Ein Simulationsmodell beschreibt im Kontext einer digitalen Schulunterrichtssimulation, wie sich SuS in der Simulation verhalten.
Die drei Simulationsmodelle wurden über zwei unterschiedliche Typen von Video-Visualisierungen, genannt Mockup-Videos, dargestellt: Zum einen über eine 2D-Darstellung aus Vogelperspektive, zum anderen über eine 3D-Darstellung, in welcher 3D-Modelle von SuS animiert wurden. Bei dem realen Simulationsmodell handelt es sich um eine Übertragung einer authentischen Videoaufzeichnung von Unterricht einer hessischen Realschule in 2D/3D-Visualisierungen. Im randomisierten Simulationsmodell führen SuS ihre Verhalten zufällig aus. Alle Modelle basieren auf zweisekündigen Intervallen. Im Falle des realen Simulationsmodells wurde dies durch Analyse aller beobachtbaren einundzwanzig SuS gewonnen, im Falle des Clasivir-Simulationsmodells wurden die Vorhersagen des Simulationsmodells übertragen. Das Simulationsmodell von Clasivir basiert auf behavior trees, stellt eine Art von künstlicher Intelligenz dar und modelliert das SuS-Verhalten größtenteils in Abhängigkeit von Lehrkrafthandlungen. Die Entwicklung des interaktionalen Simulationsmodells von Clasivir ist eine Kernkomponente dieser Arbeit. Das Simulationsmodell basiert auf empirischen Ergebnissen aus den Bereichen der Psychometrie, der pädagogischen Psychologie, der Pädagogik und Ergebnissen der Simulations-/KI-Forschung. Ziel war die Entwicklung eines Modells, das nicht nur auf normativen Vorhersagen basiert, sondern empirisch und theoretisch valide ist. Nur wenige Simulationsmodelle in Unterrichtssimulationen werden mit dieser Art von Transparenz beschrieben, was eines der Alleinstellungsmerkmale dieser Arbeit ist. Es wurden Anstrengungen unternommen die vorliegenden empirischen Ergebnisse in einen kausalen Zusammenhang zu bringen, der mathematisch modelliert wurde. Im Zentrum steht die Konzentration von SuS, welche Ein uss auf Stör-, Melde- und Antwortverhalten hat. Diese Variable wird durch andere situative und personenbezogene Variablen (im Sinne von traits) ergänzt. Wo keine direkten empirischen Ergebnisse vorlagen wurde versucht plausibles Verhalten anhand der Übertragung von Konzeptionsmodellen zu gewinnen.
Da die bisherige Verwendung der angrenzenden Begriffe rund um die Simulationsentwicklung bislang sehr inkonsistent war, wurde es notwendig diese Termini zu definieren. Hervorzuheben ist die Entwicklung einer Taxonomie digitaler Unterrichtssimulationen, die so bislang nicht existierte. Anhand dieser Taxonomie und der erarbeiteten Fachtermini wurden Simulationen in der Lehrkräftebildung auf ihre Modellierung des Simulationsmodells hin untersucht. Die Untersuchung der Simulationen simSchool und VCS war, da sie einen verwandten Ansatz zu Clasvir verfolgen, besonders ergiebig.
Nach der Generierung der Mockup-Videos wurden N=105 Studierende, N=102 davon Lehramtsstudierende, aufgefordert, in einem Online-Fragebogen zwei der Simulationsmodelle miteinander zu vergleichen. Lehramtsstudierende wurden ausgewählt, da sie die Zielgruppe der Simulation sind. Welche Modelle die Partizipantinnen verglichen, war abhängig von der Gruppe der sie zugeteilt wurden. Hierbei wurde neben den Simulationsmodellen auch die visuelle Darstellung variiert. Insbesondere wurden die Partizipantinnen darum gebeten, den Fidelitätsgrad des Simulationsmodells, also den Maßstab, wie realistisch die Partizipantinnen das Verhalten der SuS in der Simulation fanden, zu bewerten. Inferenzstatistisch bestätigte sich, dass Partizipantinnen keinen Unterschied zwischen dem realen Simulationsmodell und dem Clasivir-Simulationsmodell erkennen konnten (t=1.463, df=178.9, p=.1452), aber das randomisierte Simulationsmodell mit einer moderaten Effektstärke von d=.634 als signifikant schlechter einschätzten (t=-2.5231, df=33.581, p=.008271). Die Art der Darbietung (2D oder 3D) hatte keinen statistisch signifikanten Einfluss auf die wahrgenommene Schwierigkeit der Bewertung (z=1.2426, p=.107). Damit kann festgestellt werden, dass eine komplexe und zeitintensive 3D-Visualisierung eines Simulationsmodells bei noch nicht vorliegender Simulation nicht erforderlich ist. Das Clasivir-Simulationsmodell wird als realistisch wahrgenommen. Es kann damit empfohlen werden, es in der VR-Simulation zu verwenden.
Im Ausblick werden bereits während des Schreibens der Arbeit gemachte Entwicklungen beschrieben und Konzepte zum weiteren Einsatz der Ergebnisse entwickelt. Es wird darauf verwiesen, dass eine erste Version eines VR-Simulators entwickelt wurde (Clasivir 1.0), der jedoch rein deterministisch funktioniert und noch nicht das in dieser Arbeit entwickelte Simulationsmodell inkludiert.
Anthropogenic activities have a major impact on our planet and rapidly drive biodiversity loss in ecosystems at a global scale. Particularly over the last century, rising CO2 emissions significantly raised global temperatures and increased the intensity and frequency of droughts and heatwaves. Additionally, agricultural land use and fossil fuel combustion contribute to the continuous release of nitrogen (N) and phosphorus (P) into ecosystems worldwide through extensive fertilization and deposition from the atmosphere. It is important to understand how these rapid changes affect the evolution of plant populations and their adaptive potential. Adaptation by natural selection (i.e., adaptive evolution) within a few generations is an essential process as a response to rapid environmental changes. Rapid evolution of plant populations can be detected by using the so-called resurrection approach. Here, diaspores (i.e., seeds) from a population are collected before (ancestors) and after (descendants) a potential selection pressure (e.g., consecutive years of drought or changes in nutrient supply). Comparing phenotypes of ancestors and descendants in a common environment such as an outside garden, greenhouse, or climate chamber, may then reveal evolutionary changes. Ideally, plants are first grown in a common environment for an intermediate refresher generation to reduce parental and storage effects.
The aim of this thesis was to investigate the occurrence of adaptive evolution in natural plant populations in response to rapidly changing environments over the past three decades. I conducted three experiments using the resurrection approach to generate comprehensive data on the adaptive processes that acted on three plant populations from three different species over the last three decades. Furthermore, I filled knowledge gaps in plant evolutionary ecology and conceptually developed the resurrection approach further.
In Chapter I, I performed a novel approach by testing for adaptive evolution in natural plant populations using the resurrection approach in combination with in-situ transplantations. I cultivated seedlings from ancestors (23 – 26 years old) and contemporary descendants of three perennial species (Melica ciliata, Leontodon hispidus and Clinopodium vulgare) from calcareous grasslands in the greenhouse and In Chapter III, I assessed the reproducibility of phenotypic differences between genotypes among three different growth facilities (climate chamber, greenhouse, and outdoor garden). I also evaluated differences in phenotypic expression between plants grown after one vs. two intermediate generations (i.e., refresher generations). I performed this experiment within the framework of the resurrection approach and compared ancestors and descendants of the same population of Leontodon hispidus.
I observed very strong differences among plants growing in the different growth facilities. I found a significant interaction between the growth facility and the temporal origin (ancestors vs. descendants): descendants had significantly larger rosettes than ancestors only in the greenhouse and they flowered significantly later than ancestors exclusively in the climate chamber. I did not find significant differences between intermediate generations within the growth facilities. Overall, Chapter III shows that the use of a particular experimental system can dictate the presence and magnitude of phenotypic differences. This implies that absence of evidence is not evidence of absence when it comes to investigating genetically based trait differentiation among plant origins (in space or time). Experimental systems should be carefully designed to provide meaningful conditions, ideally mimicking the environmental conditions of the population’s origins. Finally, growing a second intermediate generation did not impact the genetic differences of ancestors and descendants within the environments, supporting the idea that only one intermediate generation may be sufficient to reduce detectable parental and storage effects.
The resurrection approach allows a better understanding of rapid plant adaptation, but some limitations deserve to be highlighted. I only studied one population per species, and Chapters II and III only focus on one population of L. hispidus, which is also hampering generalizations, as adaptive potential can vary greatly among populations of the same species. I only compared the ancestral genotypes to one descendant sample with a long time span in between (26 – 28 years), which makes it hard to pinpoint the selection agents that caused the genetic differentiation among the sampling years. Hence, closely monitoring biotic and abiotic factors of the studied populations between the ancestral and descendant sampling in future studies, would make identifying the responsible selection pressures more precise. I also recommend sampling multiple populations over consecutive years to improve the robustness of results and make generalizations more approachable.Furthermore, combining the resurrection approach with other methods such as in-situ transplantations will be valuable to offset the limitation that adaptations cannot be proven under artificial conditions (e.g., in the greenhouse).
The strong force is one of the four fundamental interactions, and the theory of it is called Quantum Chromodynamics (QCD). A many-body system of strongly interacting particles (QCD matter) can exist in different phases depending on temperature (T) and baryonic chemical potential (µB). The phases and transitions between them can be visualized as µB−T phase diagram. Extraction of the properties of the QCD matter, such as compressibility, viscosity and various susceptibilities, and its Equation of State (EoS) is an important aspect of the QCD matter study. In the region of near-zero baryonic chemical potential and low temperatures the QCD matter degrees of freedom are hadrons, in which quarks and gluons are confined, while at higher temperatures partonic (quarks and gluons) degrees of freedom dominate. This partonic (deconfined) state is called quark-gluon plasma (QGP) and is intensively studied at CERN and BNL. According to lattice QCD calculations at µB=0 the transition to QGP is smooth (cross-over) and takes place at T≈156 MeV. The region of the QCD phase diagram, where matter is compressed to densities of a few times normal nuclear density (µB of several hundreds MeV), is not accessible for the current lattice QCD calculations, and is a subject of intensive research. Some phenomenological models predict a first order phase transition between hadronic and partonic phases in the region of T≲100 MeV and µB≳500 MeV. Search for signs of a possible phase transition and a critical point or clarifying whether the smooth cross-over is continuing in this region are the main goals of the near future explorations of the QCD phase diagram.
In the laboratory a scan of the QCD phase diagram can be performed via heavy-ion collisions. The region of the QCD phase diagram at T≳150 MeV and µB≈0 is accessible in collisions at LHC energies (√sNN of several TeV), while the region of T≲100 MeV and µB≳500 MeV can be studied with collisions at √sNN of a few GeV. The QCD matter created in the overlap region of colliding nuclei (fireball) is rapidly expanding during the collision evolution. In the fireball there are strong temperature and pressure gradients, extreme electromagnetic fields and an exchange of angular momentum and spin between the system constituents. These effects result in various collective phenomena. Pressure gradients and the scattering of particles, together with the initial spatial anisotropy of the density distribution in the fireball, form an anisotropic flow - a momentum (azimuthal) anisotropy in the emission of produced particles. The correlation of particle spin with the angular momentum of colliding nuclei leads to a global polarization of particles. A strong initial magnetic field in the fireball results in a charge dependence and particle-antiparticle difference of flow and polarization.
Anisotropic flow is quantified by the coefficients vₙ from a Fourier decomposition of the azimuthal angle distribution of emitted particles relative to the reaction plane spanned by beam axis and impact parameter direction. The first harmonic coefficient v₁ quantifies the directed flow - preferential particle emission either along or opposite to the impact parameter direction. The v₁ is driven by pressure gradients in the fireball and thus probes the compressibility of the QCD matter. The change of the sign of v₁ at √sNN of several GeV is attributed to a softening of the EoS during the expansion, and thus can be an evidence of the first order phase transition. The global polarization coefficient PH is an average value of the hyperon’s spin projection on the direction of the angular momentum of the colliding system. It probes the dynamics of the QCD matter, such as vorticity, and can shed light on the mechanism of orbital momentum transfer into the spin of produced particles.
In collisions at √sNN of several GeV, which probe the region of the QCD phase diagram at T≲100 MeV and µB≳500 MeV, hadron production is dominated by u and d quarks. Hadrons with strange quarks are produced near the threshold, what makes their yields and dynamics sensitive to the density of the fireball. Thus measurement of flow and polarization, in particular of (multi-)strange particles, provides experimental constraints on the EoS, that allows to extract transport coefficients of the QCD matter from comparison of data with theoretical model calculations of heavy-ion collisions.
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Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei Schwerpunkte behandelt: 1) Die hocheffektive Beschleunigung von Elektronen und Protonen durch die Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Schäumen. 2) Die Erzeugung und Messung hochintensiver Betatronstrahlung von direkt laserbeschleunigten (DLA-) Elektronen. 3) Die Anwendung von DLA-Elektronen für den biologischen FLASH-Effekt mit einer rekordbrechenden Dosisrate.
Die direkte Laserbeschleunigung von Elektronen wurde durch die Wechselwirkung eines sub-ps-Laserpulses mit einer Intensität von ~ 10^19 W/cm^2 mit einem Plasma nahe kritischer Elektronendichte (NCD) untersucht. Ein sub-mm langes NCD-Plasma wurde durch Erhitzen eines Schaums mit einer niedrigen Dichte mit einem ns-Puls von 10^13-10^14 W/cm^2 erzeugt. Die Experimente wurden an der PHELIX-Anlage (Petawatt Hoch- Energie Laser für Schwerionenexperimente) in den Jahren 2019 – 2023 durchgeführt. Während der Suche nach optimalen Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen und Protonen wurden die Parameter des ns-Pulses variiert und verschiedene Targets verwendet. Es wurde gezeigt, dass das Plasma im Schaum gute Voraussetzungen für die Erzeugung gerichteter, ultrarelativistischer DLA-Elektronen mit Energien von bis zu 100 MeV bietet. Die Elektronen weisen eine Boltzmann-ähnliche Energieverteilung mit einer Temperatur von 10-20 MeV auf.
Optimale Bedingungen für eine effektive Beschleunigung von DLA-Elektronen wurden bei der Kombination eines CHO-Schaums mit einer Dichte von 2 mg/cm3 und einer Dicke von 300-500 µm mit einer Metallfolie erreicht. Die Gesamtladung der detektierten Elektronen mit Energien über 1,5 MeV erreichte 0,5-1 µC mit der Umwandlungseffizienz der Laserenergie von ~ 20-30%.
Außerdem wird die Beschleunigung von Protonen durch DLA-Elektronen anders verursacht als bei typischer Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Für die Untersuchung der lokalen Protonenenergieverteilung wurden Magnetspektrometer unter verschiedenen Winkeln zur Laserachse verwendet. Dafür wurde eine Filtermethode entwickelt, welche es ermöglicht, Spektren von Protonen mit Energien von bis zu 100 MeV zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass am PHELIX durch die Kombination von einem ~ 300-400 µm dicken CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer 10 µm dicken Au-Folie bei einer Intensität des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2 und unter Verwendung eines optimierten ns-Vorpulses eine optimale Protonenbeschleunigung erreicht wurde. Es wurde ein TNSA-ähnliches Regime mit einer maximalen Cut-off-Energie von 34±0,5 MeV beobachtet. Im Vergleich dazu wurde bei der typischen TNSA unter Verwendung einer 10 µm dicken Au-Folie als Target und derselben Laserintensität eine maximale Cut-off-Energie von 24±0,5 MeV gemessen. Darüber hinaus beobachteten wir einen sehr schwachen Abfall der Protonenanzahl in Abhängigkeit von der Protonenenergie (anders als bei der typischen TNSA) und eine sehr regelmäßige Protonenstrahlverteilung in einem breiten Winkelbereich bis zu hohen Energien. Dies könnte zur Verbesserung der Qualität der Protonenradiographie von Plasmafeldern genutzt werden.
Beim DLA-Prozess (im NCD-Plasma) entsteht Betatronstrahlung durch die Oszillationen von Elektronen in quasi-statischen elektrischen und magnetischen Feldern des Plasmakanals. Um diese Strahlung zu untersuchen, wurde ein neues modifiziertes Magnetspektrometer (X-MS) konstruiert. Das X-MS ermöglicht die 1D-Auflösung mehrerer Quellen. Dank dieser Spezifikation war es möglich, Betatronstrahlung von Bremsstrahlung der ponderomotorischen Elektronen im Metallhalter zu trennen und zu messen.
Im Experiment mit einem CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer Dicke von ~ 800 µm als Target wurde die von den optimierten DLA-Elektronen erzeugte Betatronstrahlung gemessen. Bei einer Peak-Intensität des dreieckigen ns-Pulses von ~ 3·10^13 W/cm^2 und des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2, welcher 4±0,5 ns gegenüber dem ns-Puls verzögert war, betrug der Halbwinkel im FWHM-Bereich des Elektronenstrahls 17±2°. Unter diesen Bedingungen war die Betatronstrahlung mit einem Halbwinkel im FWHM-Bereich von 11±2° für die Photonen mit Energien über 10 keV ebenfalls gerichtet. Die Photonenanzahl mit Energien über 10 keV wurde auf etwa 3·10^10 / 3·10^11 (gerichtete Photonen / Photonen im Halbraum entlang der Laserstrahlrichtung) abgeschätzt. Die maximale Photonenanzahl pro Raumwinkel betrug ~2·10^11 photons/sr. Die Brillanz der registrierten Betatronstrahlung erreichte ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) bei 10 keV.
Die Verwendung eines Hochstromstrahls aus DLA-Elektronen für die FLASH-Strahlentherapie ermöglicht das Erreichen einer Dosis von bis zu 50-70 Gy während eines sub-ps-Laserpulses. Im Jahr 2021, während der P213-Strahlzeit am PHELIX wurde der Sauerstoffkonzentrationsabfall bei der Bestrahlung von Medien (Wasser und andere biologische Medien) mit DLA-Elektronen in Abhängigkeit von der Dosis untersucht. Die Strahlendosis wurde hierbei indirekt gemessen. Hierfür wurde eine Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Dosis innerhalb des „Wasser-Containers“ auf Basis von Messungen außerhalb des Containers mit einem untersuchten Medium zu ermitteln. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und einer Monte-Carlo-Simulation für Wasser gezeigt. Die registrierte Dosisrate erreichte einen Rekordwert von ~ 70 TGy/s.
This thesis aims to investigate the properties of hadronic matter by analyzing fluctuations of conserved charges. A transport model (SMASH) is used for these studies to achieve this. The first part of this thesis focuses on examining transport coefficients, specifically the diffusion coefficients of conserved charges and the shear viscosity. The second part investigates equal-time correlations of particle numbers in the form of cumulants. The last chapter studies different aspects of the isobar collision systems Ru and Zr.
As a first step, the hadronic medium and interactions between its constituents are introduced, and simultaneously, their impact on transport coefficients is investigated. The methodology is verified by comparing the results of SMASH with Chapman-Enskog calculations, followed by examining 3-to-1 multi-particle reactions, revealing their influence on shear viscosity and electrical diffusion. The analysis of the full hadron gas considers angle-dependent cross-sections and additional elastic cross-sections via the AQM description, showing significant impacts on transport coefficients. The dependency on the number of degrees of freedom is explored, with noticeable effects on diffusion coefficients but a smaller influence on the shear viscosity. At non-zero baryon chemical potential, the diffusion coefficients are strongly influenced, while the shear viscosity remains unaffected. Overall, the study underscores the importance of individual cross-sections and the modeling of interactions on transport coefficients.
The following chapter explores fluctuations of conserved charges, crucial for understanding phase transitions in heavy-ion collision from the quark-gluon plasma to the hadronic phase. Using SMASH, the impact of global charge conservation on particle number cumulants in subvolumes of boxes simulating infinite matter is studied. Comparisons with simpler systems highlights the influence of hadronic interactions on cumulants, especially via charge annihilation processes and the results from SMASH shows agreement with analytical calculations. Calculations at finite baryon chemical potential reveals a transition from a Poisson to Skellam distribution within the net proton cumulants. It is shown that an unfolding procedure to obtain the net baryon fluctuations from the net proton ones deviates from the actual net baryon result, particularly in larger volumes. Finally, net proton correlations at vanishing baryon chemical potential align with ALICE measurements and the net proton cumulants are unaffected by deuteron formation.
In the next step, the goal is to investigate critical fluctuations in the hadronic medium. Therefore, the hadronic system is initialized with critical equilibrium fluctuations by coupling the hadron resonance gas with the 3D Ising model. The single-particle probability distributions are derived from the principle of maximum entropy. Evolving these distributions in SMASH, their development in an expanding sphere adjusted to experimental conditions can be analyzed. It reveals resonance decay and formations as the primary source that affects the particle cumulants. Because of isospin randomization processes, critical fluctuations are better preserved in net nucleon numbers. However, for the strongest coupling investigated in this work, correlations of the critical field are still present in the final state of the evolution in the net proton fluctuations. Examining cumulant dependence on rapidity windows shows a non-monotonic trend.
In the third part, collisions involving the isobars Ru and Zr are studied at a center-of-mass energy of 200 GeV. Initially, SMASH is used to study the initial conditions to hydrodynamical simulations, emphasizing the importance of the nuclear structure of isobars on the geometry of the collision area. It is found that the deformation parameters notably influence the initial state. Correlations between nucleon-nucleon pairs on eccentricity fluctuations yield no significant effect. Subsequently, the hydrodynamic model vHLLE evolves the previously explored initial conditions and for the transition between the hydrodynamic and kinetic descriptions, the Cooper-Frye formula is used. Usage of the canonical ensemble ensures the exact conservation of the conserved charges B, Q, and S. The neutron skin effect, which changes the charge distribution within Ru nuclei, is additionally considered. Fluctuations are assessed, revealing suppression in large rapidity windows due to global charge conservation. The hadronic phase modifies fluctuations of net pions, net kaons, and net protons via annihilation processes, yet fluctuations remain unaffected by the neutron skin effect.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zum ersten Mal die Ökologie, Morphologie und Systematik von Pilzen untersucht, die assoziiert mit Haut- und Nagelläsionen von ambulanten Patienten sowie von Patienten dermatologischer Praxen in der Provinz Chiriquí im Westen Panamas nachgewiesen wurden. Die Pilze werden klassifiziert nach dem klinischen D-H-SSystem von Rieth und entsprechend ihrer Position im phylogenetischen System der Pilze. Die Morphologie der verschiedenen Arten wird dokumentiert auf der Grundlage von Kulturen und lichtmikroskopischer Untersuchungen durch Beschreibungen sowie Zeichnungen und Fotographien charakteristischer Strukturen. Die Pathogenität der einzelnen Pilzstämme wurde nicht nachgewiesen, sondern auf der Grundlage von Angaben aus der Literatur diskutiert. Außerdem lieferte die Literatur Daten zum Vorkommen der Pilze an Pflanzen und anderen Substraten in der Natur.
In Panama wurden zahlreiche klinische Proben untersucht, von denen ca. 100 Pilzstämme nach Deutschland geschickt wurden. Dort konnten 80 Stämme weiter kultiviert und detailliert untersucht werden. Mehr als 22 verschiedene Arten wurden beobachtet, die 17 verschiedenen Gattungen angehören. Sie entsprechen drei verschiedenen Arten von Dermatophyten, mindestens drei Arten von Hefen und 16 verschiedenen Schimmel- oder sonstigen Pilzarten.
Mit Ausnahme von Hormographiella verticillata wurden ausschließlich imperfekte Stadien beobachtet, und zwar überwiegend von verschiedenen Vertretern der Ascomycota: Dothideales: Scytalidium dimidiatum (6 Stämme), Eurotiales: Aspergillus spp. (4), Paecilomyces lilacinus (2), Penicillium sp. (2), Hypocreales: Fusarium lichenicola (3), F. solani (4), F. subglutinans (1), Microascales: Scopulariopsis brevicaulis (2), Onygenales: Trichophyton mentagrophytes (2), T. rubrum (9), T. tonsurans (7), Ophiostomatales: Sporothrix schenckii (1), Pleosporales: Curvularia geniculata (1), Polystigmatales: Colletotrichum gloeosporioides (1), Sordariales: Nigrospora sphaerica (1), Saccharomycetales: Candida spp. (12), Geotrichum candidum (8), incerte sedis: Pestalotiopsis cf. tecomicola (1), Tritirachium oryzae (1). Vertreter der Basidiomycota sind: Agaricales: Hormographiella verticillata bzw. Coprinellus domesticus (3), Polyporales: Unbekannter Basidiomycet (1), Trichosporonales: Trichosporon cutaneum (6).
Im Rahmen dieser Studie waren Schimmelpilze die am häufigsten bei Haut- und Nagelläsionen angetroffenen Pilze. Unter diesen waren Fusarium-Arten und Scytalidium dimidiatum besonders häufig vertreten. Candida-Arten wurden ebenfalls oft isoliert. Die wichtigste Art unter den Dermatophyten war Trichophyton rubrum. Die prozentualen Anteile der verschiedenen Gruppen entsprechen gut den von anderen Autoren aus anderen Regionen publizierten Ergebnissen. Dies erklärt sich aufgrund der ökologischen Tatsache, dass die Sporen der Schimmelpilze fast überall in der Natur vorhanden sind und diese Pilze viele verschiedene Substrate nutzen können. Candida-Arten gehören zur normalen Flora des Menschen, können aber bei immunodefizienten Patienten, Diabetikern u.a. schwere Haut- und Schleimhautinfektionen, sowie Organerkrankungen verursachen. Dermatophyten sind als Krankheitserreger oberflächlicher Hautmykosen bekannt.
Zum ersten Mal wird das Vorkommen von Hormographiella verticillata in Amerika nachgewiesen. Dieses imperfekte Stadium eines Basidiomyceten hat in Kultur Fruchtkörper gebildet, die als Coprinellus domesticus bestimmt wurden. Damit wurde zum ersten Mal die Anamorph-Teleomorph-Verbindung zwischen diesen beiden Arten festgestellt, die durch eine molekular-phylogenetische Analyse von LSU rDNA (große Untereinheit der ribosomalen DNA) unterstützt wird. Für diese Analyse wurden andere Stämme und Genbank-Daten zum Vergleich herangezogen.
In den Kulturen von H. verticillata entstehen vor der Entwicklung der Fruchtkörper asexuelle sterile Hyphen, die als Ozonium-Stadium bezeichnet werden können. Zum Vergleich wurden Herbarbelege von verschiedenen Arten dieser Gattung bearbeitet. Die Arten sind morphologisch nicht unterscheidbar, weshalb vorgeschlagen wird, nur den Gattungsnamen zur Bezeichnung des entsprechenden Entwicklungsstadiums zu benutzen.
Es war nicht möglich, aufgrund morphologischer Merkmale den Stamm des Unbekannten Basidiomyceten zu bestimmen. Erst eine molekular-phylogenetischer Analyse von LSU rDNA mit Vergleichssequenzen aus der Genbank zeigte, dass der Pilz nahe verwandt ist mit Vertretern der Polyporales.
In der präoperativen Diagnostik fokaler maligner Leberläsionen nimmt die MRT mit Resovist® einen zunehmend höheren Stellenwert ein.
T2 gewichtete TSE- und FS-Sequenzen der Resovist® unterstützten MRT sind dabei sensitiver als die in der präoperativen Diagnostik etablierte CTAP mit Ultravist® 370, einem nichtionischen jodhaltigen Kontrastmittel.
Die visuelle Differenzierung und Charakterisierung fokaler maligner Leberläsionen und deren Abgrenzung vom Leberparenchym in der Resovist® unterstützten MRT kann durch die Analyse der Signalintensitätskurven optimiert werden. Eine effektivere Charakterisierung der fokalen Leberläsionen wirkt sich damit positiv auf die Sensitivität und Spezifität der SPIO verstärkten MRT aus.
Es bleibt daher offen, die Signalintensitäten der primären und sekundären Leberläsionen der hier nicht untersuchten Gewebearten in weiteren Studien zu analysieren.
Desweiteren könnten nachfolgende Untersuchungen das Ziel haben, die Sensitivität und Spezifität der Resovist® unterstützten MRT durch eine Verminderung der Schichtdicke zu verbessern, womit sich die Detektion von Läsionen < 1 cm effektiver gestalten würde.
Partial melting of crustal and mantle rocks under pressure from impedance spectroscopy measurements
(2004)
The purpose of this work is to achieve a better understanding of the physical properties of rocks during partial melting processes. The electrical conductivity of some crustal and upper mantle rocks was measured prior and above the melting under pressure. The variations of the electrical conductivity were compared with the distribution of melt in partially molten rock samples. The electrical conductivity was estimated from the impedance spectroscopy at temperatures between 800 and 1450˚C and at pressures between 0.3 and 2 GPa. These measurements were performed in a piston cylinder apparatus. At temperatures above the melting, samples were equilibrated during a long time and subsequently quenched. Thin sections were prepared and topology, volume fraction and chemical composition of melt was analyzed by using a microprobe. Above the solidus temperature, the electrical conductivity increases for about 1 to 2 orders of magnitude in comparison with non-melted rocks. The "melt effect" seems to reflect the formation of an interconnected network of melt. When a complete melt connectivity is established, the charge transport follows the network of the formed melt films at grain boundaries. Usually, it takes a long time in order to reach a steady state of the electrical resistance in partially molten rocks. Only when a steady state of the electrical resistance is achieved, the bulk conductivity of a sample can be measured properly. The time-independent electrical conductivity were found only after 200 h of annealing time at a desired temperature.
Usually, the measurements of a dihedral angle on grain-liquid interfaces in rocks show that the wetting of grain faces start to develop at temperatures slightly above the solidus temperature. The development of these faces should lead to a continuous melt network even at small melt fractions of few wt.%. This result is not confirmed by our electrical conductivity measurements. The complete interconnection of the melt phase, which was mark by an increase of the electrical conductivity, corresponds to a temperature significantly above the solidus temperature, for at least 30-50˚C. The development of these faces stimulate a significant increase of the electrical conductivity, and corresponds to the occurence of at least 5 wt.% of a melt fraction. This result could be explained by deviations from the textural equilibrium of a melt phase topology in partially molten samples due to heterogeneous grain size distribution, misorientation of grains and anisotropy of the superficial energy of adjacent grain boundaries.
Some mixing models that allow to calculate the electrical conductivity of a composite as a function of a melt fraction were examined and the results of these calculations are discussed.
The experimental results were compared to the conductivity data obtained from magnetotelluric and electromagnetic measurements in the Northern part of mid-Atlantic ridge where a series of magma chambers are presumably located. There is a good agreement between our conductivity values for a melt fraction of 10-13 the conductivity estimated in the Reykjanes ridge zone.
Die künstliche elektrische Stimulation bietet oftmals die einzige Möglichkeit, nicht vorhandene bzw. verloren gegangene motorische sowie sensorische Aktivitäten in gewissem Umfang wieder herzustellen. Im Falle von tauben Patienten wird zur Erlangung von Hörempfindungen die elektrische Stimulation des peripheren auditorischen Systems mit Hilfe von Cochlea- oder Hirnstammimplantaten standardmäßig eingesetzt. Es ist dabei notwendig, natürliche neuronale Entladungsmuster durch die elektrisch evozierten Entladungsmuster nachzubilden. Bei einkanaligen Systemen kann nur die Zeitstruktur des Signals dargeboten werden. Mehrkanalige Systeme bieten hier noch zusätzlich die Möglichkeit auch örtlich selektiv bestimmte Nervenfasergruppen zu stimulieren und damit die Ortsstruktur in den Entladungsmustern zu repräsentieren. So hat es sich gezeigt, dass die Sprachverständlichkeit durch Verwendung von Mehrkanal-Elektroden verbessert werden kann. Grundvoraussetzung hierfür ist die Optimierung der Kanalseparation durch Kleinst-Vielkanalelektroden und der Wahl einer optimalen Codierstrategie des Signals.
Die Codierstrategie ist abhängig von dem jeweiligen spezifischen Einsatzbereich. So gaben z.B. schon Clopton und Spelman (1995) zu bedenken, dass die als selektiv berechnete tripolare (S3) Konfiguration nur für einen bestimmten Stimulationsstrombereich gültig ist. Hinzu kommt es bei simultaner Verwendung benachbarter Kanäle zu schmerzhaften Lautheitssummationen. Ursache hierfür sind einerseits die Überlagerung der durch die Elektroden stimulierten neuronalen Bereiche und andererseits die Wechselwirkungen von Strömen benachbarter Elektrodenkanäle. Diese Effekte führen nicht nur zu einer Verringerung der räumlichen Stimulationsauflösung, sondern auch zu einer Einschränkung der exakten Abbildung der Zeitstruktur innerhalb der einzelnen Stimulationskanäle.
Die Techniken und Grundlagen der elektrischen Stimulation von neuronalem Gewebe mit Kleinst-Vielkanalelektroden sind bisher kaum untersucht worden. Ziel dieser Arbeit war es, ein mathematisches Modell zu implementieren und Qualitätsparameter zu definieren, mit deren Hilfe die Verteilung des elektrischen Feldes und die daraus resultierende neuronale Erregung beschrieben und optimiert werden kann. Zur Verifizierung des Modells sollten Methoden und Techniken entwickelt werden, die eine hochauflösende Abtastung der elektrischen Felder und Messung der neuronalen Daten innerhalb eines Messsystems ermöglichen.
Bei der neuronalen Stimulation mit Kleinst-Vielkanalelektroden ergibt sich eine Reihe von Problemen grundsätzlicher Art. So werden bei elektrodenferner Stimulation größere Stimulationsströme benötigt als bei elektrodennaher Stimulation, wobei für den Strombedarf die Stimulationskonfiguration eine entscheidende Rolle spielt: Der S1 Stimulationsmodus benötigt weniger Strom zur Erreichung großer Stimulationstiefen als der S2 Stimulationsmodus. Der größte Strom wird mit zunehmendem Elektrodenabstand gleichermaßen von dem S3 und S7 Stimulationsmodus benötigt. Gleichzeitig verfügen Kleinst-Vielkanalelektroden bauartbedingt aber nur über kleine Elektrodenkontaktoberflächen und lassen daher auf Grund der kritischen Feldstärke nur geringe Stimulationsströme zu.
Ein weiteres Problem besteht bei diesen Kleinst-Elektrodendimensionen in der konkreten Lage der Neurone an denen eine neuronale Erregung evoziert wird. Die Dimension der Kleinst-Vielkanalelektroden liegt bei einem Elektrodenkanalkontaktdurchmesser von 70 µm bereits in der Größenordnung der zu stimulierenden Neurone mit einem Durchmesser von 10 bis 15 µm. Dies macht sich bei den Messungen besonders dann deutlich bemerkbar, wenn nicht der Stimulationsstrom die Größe des überschwelligen Bereichs modelliert, sondern wenn der Elektrodenkanalabstand durch die Wahl der entsprechenden Elektrodenkanäle verändert wird. Hier weisen zwar die meisten neuronalen Antworten noch in die sich aus dem Modell ergebende Richtung, jedoch kommt es zu einer höheren Streuung der Ergebnisse als bei Messungen mit der Folienelektrode, die eine Kontaktfläche von 170 µm besitzt.
Es gibt also eine Reihe von begrenzenden Faktoren bei der optimalen Dimensionierung der Stimulationselektrode, die sowohl abhängig von der physiologischen Topologie ist als auch von den eingesetzten Stimulationskonfigurationen. Es ist also zur Stimulation die Wahl der optimalen Codierstrategie und die richtige Dimensionierung der Stimulationselektrode sowie der Elektrodenkanalabstände von entscheidender Bedeutung.
Die neuronalen Messungen wurden erstmalig für diese Fragestellung am Hirnschnitt durchgeführt, da sie, im Gegensatz zu in-vivo Versuchen, eine exakte Positionierung der Elektroden auf dem Hirnschnitt unter Sichtkontrolle durch das Mikroskop erlauben. Es wurden aus den neuronalen Messungen die Amplituden und Latenzen der exzitatorischen postsynaptischen Potenziale (EPSP) sowie der Feldpotenziale ausgewertet.
Der Versuchsaufbau macht es möglich, die Potenzialfelder mit genau den Konfigurationen abzutasten, mit denen auch die neuronalen Messungen des Hirnschnittes durchgeführt wurden. Das implementierte Programm zur Berechnung der Feldverteilung besitzt zum Messprogramm ein Interface, so dass es möglich ist, die Einstellungen des Experimentes, wie Stimulationskonfigurationen, Abtastraster des Feldes und die Koordinaten des Messraums, in der Modellrechnung zu verwenden. Somit ist ein direktes Vergleichen zwischen Messung und Berechnung möglich. In nachfolgenden Arbeiten können die vorliegenden Ergebnisse als Grundlage für in-vivo Versuche eingesetzt werden.
Zur Durchführung der Messungen wurden sehr kleine Elektroden aus eigener Herstellung verwendet und es wurden uns freundlicherweise neu entwickelte Folienelektroden des Fraunhofer Instituts St. Ingbert zur Verfügung gestellt. Die Größe der verwendeten Kleinst-Vielkanalelektroden aus eigener Herstellung lag um ca. eine Zehnerpotenz unter den aktuell eingesetzten Elektrodentypen und ist speziell für den direkten Kontakt zwischen Elektrode und Gewebe konzipiert. Dies entspricht dem typischen Einsatzbereich von Hirnstammimplantaten. Dies ist auch notwendig, um eine maximale räumliche Separation der erzeugten Felder zu ermöglichen. Außerdem erlaubte das Elektrodendesign auf Grund der hohen Anzahl der Elektrodenkanäle und durch variieren der Konfigurationen die Feldrichtung zu bestimmen, ohne die Elektrode neu auf den Hirnschnitt aufsetzen zu müssen.
Der in dieser Arbeit implementierte Algorithmus zur Berechnung der Feldverteilungen und die eingeführten Qualitätsparameter erlauben, die unterschiedlichen Stimulationskonfigurationen miteinander zu vergleichen und zu optimieren. Die Ergebnisse aus diesen Modellrechnungen wurden sowohl mit den Messungen der elektrischen Felder als auch mit den Ergebnissen aus den neuronalen Antworten verglichen.
Der im Rahmen dieser Arbeit erstellte Versuchsaufbau bestand aus einer über mehrere Mikromanipulatoren getriebene mikrometergenaue Positioniereinrichtung. Es konnten sowohl die Stimulationselektrode als auch die Elektrode zur Aufzeichnung der neuronalen Daten gesteuert werden. Die Steuerung des gesamten Setup, d.h. die Positionierung, die Aufzeichnung der neuronalen Daten und die Generierung der Stimulationsmuster wurde über den zentralen Messrechner durch ein hierfür entwickeltes Computerprogramm gesteuert. Die Versuche wurden über ein inverses Mikroskop durch eine CCD-Kamera aufgezeichnet.
Der entscheidende Vorteil des in dieser Arbeit gewählten Modellansatzes besteht in der grundsätzlichen Beschreibung der Feldverteilung bei vielkanaliger Stimulation, so dass diese auch auf andere Elektrodenformen bzw. Konfigurationen und Dimensionen übertragbar ist. Es lassen sich so den verschiedenen Konfigurationen nach bestimmten Qualitätskriterien bewerten und an die jeweilige Zielrichtung der Stimulation anpassen. Die berechneten Felder konnten erfolgreich in der Messeinrichtung generiert und nachgemessen werden. Außerdem ist es gelungen, differenzierte neuronale Aktivitäten auszuwerten, welche die Aussagen des Modells abstützen.
Chemieunterricht in der Schule wird von Schülerinnen und Schülern in weiten Bereichen als schwer verstehbar, für das Alltagsleben als unnütz und wenig motivierend erlebt. Dies hat zur Folge, dass der Chemieunterricht von einer großen Zahl Lernender in der Oberstufe abgewählt wird. Dabei wird bewusst die Bedeutung der Chemie für die Industriegesellschaft ignoriert und die Konsequenz des Nachwuchsmangels nicht ernst genommen.
Bei der Suche nach Lösungsansätzen aus der Krise des schulischen Chemieunterrichts gibt es viele Ansätze, die sich seit einigen Jahrzehnten mit der Kontextorientierung und der Erschließung neuer Felder für den Chemieunterricht befasst haben und befassen. Ausgehend von Themen, deren Bedeutung für das Individuum und die Gesellschaft einen hohen Stellenwert haben, wird der Chemieunterricht mehr an die Lebenswelt der heranwachsenden Generation angepasst. Diese Vorgaben sind in der vorliegenden Arbeit einbezogen worden und haben das Thema HIV für den Chemieunterricht der gymnasialen Oberstufe als sinnvoll erscheinen lassen.
Vor dem Hintergrund der kognitionspsychologischen Erkenntnisse der vergangenen fünfzehn Jahre ist ein Weg der Unterrichtsgestaltung gewählt worden, mit dem die Selbständigkeit der Lernenden unterstützt, gefördert und weiterentwickelt werden kann. Kognitionspsychologische Untersuchungen der Eingangskanäle bei Lernvorgängen stellen die hohe Bedeutung mehrer Sinnesmodalitäten in den Vordergrund, durch die eine verbesserte Behaltensleistung erzielbar ist. Nach diesen Erkenntnissen kann Wissen nur dann als aktives Wissen in neuen Zusammenhängen eingesetzt werden, wenn Lernern die Möglichkeit geboten wird ihr individuelles Gedankengebäude zu konstruieren. Besonders effizient sind nach diesen Untersuchungen kombinierte Sinnesmodalitäten mit guter Behaltensleistung bei der Nutzung von Sprache, Text und Bewegtbildern. Hier gilt die alte Erkenntnis "ein Bild sagt mehr als tausend Worte" auch im übertragenem Sinne. Besonders die konstruktivistischen Überlegungen für den Vorgang des Wissensaufbaus wurden in dieser Arbeit berücksichtig.
Diese Forschungsergebnisse waren ein Grund für die multimediale Aufbereitung des Themas. Hoher Verbreitungsgrad, gesellschaftliche Bedeutung und Motivation durch Multimedia sind weitere Gründe für diese Entscheidung.
Sowohl curriculare als auch gesellschaftliche Entwicklungen fordern darüber hinaus das Denken in vernetzten Systemen, dies bedeutet ein über die Grenzen des Fachs Chemie hinausgehendes Planen und Realisieren von Unterricht. Mit der Themenwahl werden direkt die Fächer Chemie und Biologie angesprochen, Fächer wie Kunst, Religion, Ethik, Sozialkunde und Sprachen können einbezogen werden. Mit dem der Unterrichtseinheit, die von fünf Kursen mit insgesamt 60 Schülerinnen und Schülern erprobt wurde, zu Grunde liegenden Programm zum Thema HIV verknüpfen sich die Fragen:
* Ist der Einsatz von Computern als Medium bereits die Norm?
* Welche medialen Angebote werden schulisch/außerschulisch genutzt?
* Welche Informationsquellen werden verwendet?
* Welche Medien sind für die Testpersonen beim Lernprozess bedeutend?
* Wird die Lehrperson bei dem Einsatz der modernen Medien ersetzt?
* Fördert das Projekt die Selbstbestimmung beim Lernprozess?
* Welche Effekte hat das multimediale Projekt auf den Lernprozess?
* Welche Probleme treten beim Umgang mit dem verwendeten Programm auf?
Diese Punkte wurden mit einem Fragebogen vor und einem nach der Durchführung des Projektes bearbeitet...
The equation of state (EoS) of matter at extremely high temperatures and densities is currently not fully understood, and remains a major challenge in the field of nuclear physics. Neutron stars harbor such extreme conditions and therefore serve as celestial laboratories for constraining the dense matter EoS. In this thesis, we present a novel algorithm that utilizes the idea of Bayesian analysis and the computational efficiency of neural networks to reconstruct the dense matter equation of state from mass-radius observations of neutron stars. We show that the results are compatible with those from earlier works based on conventional methods, and are in agreement with the limits on tidal deformabilities obtained from the gravitational wave event, GW170817. We also observe that the resulting squared speed of sound from the reconstructed EoS features a peak, indicating a likely convergence to the conformal limit at asymptotic densities, as expected from quantum chromodynamics. The novel algorithm can also be applied across various fields faced with computational challenges in solving inverse problems. We further examine the efficiency of deep learning methods for analyzing gravitational waves from compact binary coalescences in this thesis. In particular, we develop a deep learning classifier to segregate simulated gravitational wave data into three classes: signals from binary black hole mergers, signals from binary neutron star mergers, or white noise without any signals. A second deep learning algorithm allows for the regression of chirp mass and combined tidal deformability from simulated binary neutron star mergers. An accurate estimation of these parameters is crucial to constrain the underlying EoS. Lastly, we explore the effects of finite temperatures on the binary neutron star merger remnant from GW170817. Isentropic EoSs are used to infer the frequencies of the rigidly rotating remnant and are noted to be significantly lower compared to previous estimates from zero temperature EoSs. Overall, this thesis presents novel deep learning methods to constrain the neutron star EoS, which will prove useful in future, as more observational data is expected in the upcoming years.
Die bisher bekannten Cranialfragmente umfassen chronologisch den Zeithorizont der Eisenzeit (Hallstatt- und Latènezeit), die im nördlichen Mittelrheingebiet als stark regional geprägte Hunsrück – Eifel – Kultur bezeichnet wird. Absolutchronologisch datieren die perforierten Fragmente in die Zeit vom 8./ 7. Jh. v. Chr. bis in das 1 Jh. v. Chr.
Mit den Cranialfragmenten im Untersuchungsgebiet lässt sich ein eisenzeitlicher Schädelkult fassen, der bisher, durch die besondere Fundüberlieferung, nur auf die Region des nördlichen Mittelrheingebietes beschränkt scheint. Eine Häufung der Funde um das keltische Hengeheiligtum „Goloring“ im Landkreis Mayen – Koblenz als Zentrum der östlichen Hunsrück – Eifel – Kultur ist dabei klar erkennbar.
Sämtliche bisher bekannten Stücke stammen aus Siedlungsgruben eisenzeitlicher Gehöfte. Nach dem archäologischen Befund wurden die Stücke nach ihrer Verwendung im Sohlenbereich der Gruben deponiert.
Die bei den archäologischen Untersuchungen entdeckten Fragmente bestehen aus Einzelsegmenten oder größeren Teilen des menschlichen Schädels. Nach dem Befund wurden ausschließlich nur alte, schon skelettierte Schädel verwendet, die bereits längere Zeit im Sediment lagen und möglicherweise regulären Bestattungen entnommen wurden.
Sämtliche Stücke weisen als besondere Eigenart dieser Fundgruppe eine Lochung zur Aufhängung und Befestigung auf. Nach dem Befund konnte eine Aufhängung mit Riemen sowie eine Befestigung mit Eisendorn festgestellt werden. Weiterhin sind die Stücke sekundär modifiziert und manipuliert und lassen Schliff- und Schnittspuren, sowie Polituren erkennen. Die Schnittspuren wie auch die Lochungen wurden wahrscheinlich mit Steinwerkzeugen eingebracht. Die Schliffspuren finden sich besonders an den Rändern und Bruchkanten und lassen eine eindeutige sekundäre, postmortale Behandlung erkennen. Oft zeigen die Ränder zudem Schlagspuren einer groben Zurichtung.
Typologisch lässt sich eine Entwicklung fassen, die in der späten Urnenfelderzeit (Ha B) mit echten Trepanationsscheiben ihren Anfang hat. In der frühen Eisenzeit (Laufelder Gruppe im Mittelrheingebiet; Ha C) entstehen in Anlehnung an die Trepanationsscheiben gelochte und modifizierte Knochenscheiben bzw. Rondelle, die schon aus bereits skelettierten Schädeln entnommen wurden. In der älteren Hunsrück – Eifel – Kultur (Hallstattzeit; Ha D) wurden in der Regel größere Schädelteile und Segmente des Craniums perforiert und modifiziert. Während der darauf folgenden jüngeren Hunsrück – Eifel – Kultur (Latènezeit; Lt A/B) finden Schädelcalotten, halbe Schädel sowie größere Teile mit Os frontale oder Occipitale Verwendung. Aus der Mittellatènezeit (Lt C) liegt ein vollständiges Viscerocranium mit Lochung vor. In der späten Eisenzeit (Spätlatènezeit; Lt D) werden dann vollständige Schädel gelocht und modifiziert. Anhand der Typologie ist eine Entwicklung von medizinischen Schaustücken (Trepanationsscheiben) mit Amulettcharakter zu einem ausgeprägten Ahnen – bzw. Reliquienkult zu beobachten. Mit der frühen Hallstattzeit (Laufelder Gruppe; Ha C) wird ausschließlich schon skelettiertes Knochenmaterial verwendet.
Die anthropologische Untersuchung der auswertbaren Cranialfragmente ergab nach den Merkmalen am Schädel tendenziell mehr männliche Individuen. Das biologische Lebensalter lag nach den auswertbaren Charakteristika hauptsächlich in den Altersstufen adult bis matur und in Einzelfällen darüber. Es handelt sich um eine Altersgruppe, die in den regulären Nekropolen deutlich unterrepräsentiert ist, aber bei den Cranialfragmenten in den Siedlungen die Masse der Funde darstellt. Juvenile Individuen fehlen im Fundbestand bisher vollständig. Nach anthropologischen Kriterien handelt es sich bei fast allen Stücken um Langschädel mit dolichokranen Merkmalen.
Nach den Ergebnissen lässt sich der prähistorische Schädelkult an Mittelrhein und Mosel als ein ausgeprägter Ahnenkult charakterisieren. Die perforierten Cranialfragmente machen im Gegensatz zu anderen Regionen eine eigene Entwicklung bis zur Zeitenwende durch. Vereinzelte Parallelen zu den Funden im Mittelrheingebiet sind aus dem gesamten Verbreitungsgebiet der eisenzeitlich – keltischen Latènekultur bekannt. Zudem geben die antiken Autoren ebenfalls Hinweise auf eine solche Kultausprägung. Die Behandlung der Schädel in der Eisenzeit lässt auch rezente, ethnographische Parallelen zu den Inselkulturen Ozeaniens und Südostasiens erkennen.
Die verzierten Metallschalen des 1. Jts.v.Chr. stehen bereits seit der Mitte des 19. Jhs. im Interesse von Wissenschaft und Forschung. Ausgelöst wurde dieses Interesse durch die Auffindung der Nimrud-Schalen durch Layard 1849. In ihrem 1888 erschienenen zweibändigen Werk über griechische Kunst nahmen Dumon und Champlin einige der Schalen aus Nimrud auf. Sie unterteilten die Schalen mittels ikonographischer Merkmale in drei Gruppen (1. ägyptisch, 2. assyrisch und 3. einen Sonderstil).
Gegen Ende des 19. Jhs. verlagert sich das Interesse der Forscher immer mehr auf die zyprischen Schalen. 1893 erscheint eine Abhandlung von Brunn über die auf Zypern gefundenen Schalen, von denen er annimmt, daß sie von griechischen Handwerkern mit Sitz (Werkstatt) auf Zypern hergestellt worden sind. In den darauffolgenden Jahren werden weitere Arbeiten von Hogarth (1909), Poulsen (1912), Conteneau (1931), Gjerstad (1946) und vielen anderen mehr verfaßt, die jedoch alle davon ausgehen, daß die zyprischen Schalen sowohl in zyprischen als auch in phönizischen Werkstätten hergestellt worden sind.
1974 erscheinen die Untersuchungsergebnisse Barnett’s, der die im British Museum gelagerten Nimrud-Schalen katalogisierte und untersuchte. Barnett unterteilte die Schalen in fünf Gruppen, wobei diesmal nicht nur ikonographische Merkmale im Zentrum der Arbeit standen, sondern auch kompositorische Kriterien mit berücksichtigt wurden. Neben den bereits bekannten zyprischen und phönizischen Werkstätten nimmt er weitere Produktionsstätten für Metallschalen im Iran und den aramäisch geführten Staaten an. Neuere Monographien über die verzierten Metallschalen stammen von Imai (1977) und Markoe (1985). Imai hebt besonders die „internationale“ Beeinflussung der Schalendekore hervor, indem er auf die minoisch-mykenischen, ägyptischen, phönizischen u. a. Einflüsse hinweist. Markoe hingegen behandelt in seiner Arbeit hauptsächlich die Schalen aus Griechenland (sowie Kreta und Zypern) und Italien, wobei er die Parallelen zwischen den zyprischen und italischen sowie den griechischen und den iranischen Schalen betont.
Alles in Allem können wir festhalten, daß die bisherigen Untersuchungen, mit Ausnahme derer von Barnett, aus der Sicht von klassischen Archäologen abgefaßt worden sind, deren Interesse vor allem den Schalen aus Griechenland und Italien galt. Die Schalen aus Nimrud und dem Iran hingegen werden häufig vernachlässigt bzw. nur einzelne Stücke werden als Vergleiche herangezogen.
Gerade die ikonographische Betrachtung des Schalendekors läßt altorientalische (assyrische, syrische, phönizische, aramäische) und ägyptische Einflüsse erkennen, die eine Untersuchung des Materials von altorientalischer Seite her als notwendig erscheinen lassen. Ziel einer solchen Arbeit sollte zum einen sein, mögliche Herstellungszentren (-regionen) zu erkennen und zum anderen, kulturelle Kontakte zwischen den unterschiedlichen Regionen festzustellen.
Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit stützen sich auf 141 verzierte Metallschalen, die aus regulären Grabungen aus Italien, Griechenland, Zypern, Kreta, Nimrud und Iran, sowie aus dem Kunsthandel stammen. Um einen Überblick über das zu bearbeitende Material zu bekommen, soll der Katalog am Beginn der Publikation stehen. In dem Katalog wurden alle wichtigen Daten aufgenommen. Neben den technischen und gestalterischen Merkmalen werden auch alle bisher erschienenen Publikationen aufgeführt, die sich mit den jeweiligen Schalen befassen, so daß der Leser einen Eindruck von dem bisherigen Forschungsstand bekommt, der als Grundlage für den weiteren Verlauf der Arbeit angesehen werden muß. Der Katalog weist eine geographische Sortierung auf, die sich ausschließlich an den Auffindungsorten der Schalen orientiert und die ursprüngliche regionale Herkunft des Handwerkers bzw. der Werkstatt nicht berücksichtigt.
Im Anschluß an den Katalog findet sich dann eine wissenschaftsgeschichtliche Zusammenfassung der bisher erschienenen Monographien über die verzierten Metallschalen und im Anschluß erfolgt dann eine neue Sortierung des Materials anhand motivischer und stilistischer Merkmale, die Hinweise auf die Herstellungsregion bzw. die Herkunft des Handwerkers gibt.
Des weiteren war es möglich, innerhalb dieser Herstellungsregionen einzelne Werkstättenvoneinander zu isolieren.
Das westphälische Modell für Staatsinstitutionen, einschließlich nationaler Exekutive, Legislative und Judikative, hat sich aus den Ereignissen europäischer Geschichte heraus entwickelt. Seit dem Ende des Kalten Krieges dient es als grundlegendes Paradigma für Internationale Interventionen zum Wiederaufbau von gescheiterten - oder zum Aufbau von neuen - Staaten. Für die internationale Gemeinschaft fungiert das westphälische Modell als Maß zur Beurteilung ihrer Interventionen, wie zum Beispiel in Somalia, Kambodscha oder den Balkanstaaten. In den meisten Fällen gilt eine durch sie beaufsichtigte oder gar durchgeführte ‚freie und faire’ Wahl als hauptsächliche Massnahme zur Bildung eines ‚westphälischen’ und demokratischen Staates. Die Erfolgsrate solcher internationalen Friedenseinsätze und ‚state-building operations’ ist jedoch enttäuschend. Bei näherer Betrachtung der Misserfolge des letzten Jahrzehnts wird deutlich, daß sich die lokalen Gesellschaftssysteme der betroffenen Bevölkerungen oft beträchtlich von liberaler Demokratie unterscheiden. Dies ist insbesondere der Fall in Gesellschaften deren Ordnung nicht auf Staatsinstiutionen basiert. Ihnen liegen sozio-politische Systeme zugrunde die sich oft mit dem Paradigma des westlichen Staatssystems nur schwer vereinen lassen. Um im Rahmen internationaler Friedenseinsätze erfolgreich Staatstrukturen zu etablieren, ist es daher notwendig lokale Sozialstrukturen und lokale Konzepte politischer Legitimität und Autorität zu addressieren. Erst mit solchem Verständnis ist es möglich einen Staatsapparat in den Augen der Bevölkerung zu legitimieren. Ist Letzteres nicht der Fall, so kann sich eine Regierung zwar in Übereinstimmung mit internationalen Menschenrechten befinden, oder alle wichtigen demokratischen Einrichtungen vorweisen, jedoch dennoch dem Prinzip der Partizipation durch die Bevölkerung widersprechen. Ist dies das Endresultat eines internationalen Friedenseinsatzes, so hat die internationale Gemeinschaft ihre eigenen Werte bestaetigt. Jedoch herrscht kein Vertrauen zwischen der Bevölkerung und Regierung, da letztere nicht kompatibel mit dem Versaendnis der Bürger ist. Der ‚demokratische’ Staat ist nur schwerlich funktionsfähig.Der internationale Einsatz in Osttimor illustriert dieses Problem. Hier wurden die Vereinten Nationen (VN) mit dem Wiederaufbau und der Verwaltung eines Staates betraut (UNTAET ‚Übergangsregierung der Vereinten Nationen in Osttimor’). Zum ersten mal in der Geschichte übernahm die international Gemeinschaft damit die Souveränität über ein territoriales Gebiet...
Ferroelektrische Strontium-Wismut-Tantalat- (SBT) Filme werden in der Mikroelektronik als nicht-flüchtige Speichermedien verwendet und weiterentwickelt. Informationen werden durch Polarisation des Materials gespeichert und bleiben ohne weiteren Energieaufwand über einen Zeitraum von Jahren in solchen Speichern erhalten – sogenannten FeRAMs (Ferroelectric Random Access Memories). Darüber hinaus können gespeicherte Daten innerhalb von wenigen Nanosekunden wieder ausgelesen werden. Zusammengefasst ist eine Langzeitspeicherung kombiniert mit niedrigem Energieverbrauch und schneller Informationsverarbeitung durch den Einzug ferroelektrischer Materialien in die Computertechnologie möglich geworden.
Da die fortschreitende Miniaturisierung in der Mikroelektronik von zentraler Bedeutung ist, sind zur Charakterisierung der verwendeten Materialien Untersuchungsmethoden mit hoher Ortsauflösung unverzichtbar. Das Rasterkraftmikroskop – engl. Atomic Force Microscope (AFM) – ist eine solche Technik, mit der im Submikrometerbereich die Topographie sowie physikalische Eigenschaften von Materialien abgebildet werden können. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung von SBT-Filmen mit solchen AFM-Methoden.
Besonders die Rauhigkeit der einzelnen Filme in schichtartig aufgebauten Mikrochips ist bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen von großer Bedeutung, wobei möglichst glatte Filme favorisiert werden. Deshalb wurden zunächst verschiedene SBT-Filme auf ihre topographischen Merkmale hin charakterisiert. Die Rauhigkeiten von SBT Filmen verschiedener Herstellungsverfahren wie der Metal Organic Decomposition (MOD) und der Metal Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) wurden gegenübergestellt. Außerdem ist der Einfluss der SBT-Schichtdicke sowie der des Ferro-Anneals untersucht worden – Ferro-Anneal ist ein Temperungs-Schritt während der Filmherstellung, der zur Bildung der ferroelektrischen Aurivillius-Phase durchgeführt werden muss. Zudem wurde das unterschiedliche Kurzschlussverhalten zweier SBT-Filme in Zusammenhang mit ihren verschiedenen RMS-Rauhigkeitsdaten gebracht.
Der größte Teil der Arbeit setzt sich mit einer Methode auseinander, mit der die Polarisationseigenschaften von ferroelektrischen SBT-Filmen charakterisiert werden sollen – dem AFM/EFM-Polarisationsexperiment – engl. Electrostatic Force Microscope (EFM). Die SBT-Filme werden dabei mit einer AFM-Spitze polarisiert und in einem zweiten Schritt die daraus resultierenden elektrostatischen Felder mit einem EFM über der Probe abgebildet. Es wurde dabei kritisch hinterfragt, in wieweit diese Methode als Beurteilungskriterium der Materialeigenschaften herangezogen werden kann. Zudem wurden Aufladungsphänomene bei dieser Versuchsführung dokumentiert.
Außerdem wurde das Leckstromverhalten von SBT-Filmen auf der Submikrometerskala mit einer relativ neuen Messmethode, dem conducting-AFM (C-AFM), untersucht.
Die Ergebnisse aller Untersuchungen sind im folgenden stichpunktartig dargestellt.
Topographieuntersuchungen:
• Die RMS-Rauhigkeit von MOD/SBT-Filmen ist größer als die der MOCVD/SBTFilme. Mit steigender Prozesstemperatur des Ferro-Anneals wird die Oberflächenrauhigkeit von SBT-Filmen erhöht.
• SBT-Filme, die mit niedrigen Prozesstemperaturen hergestellt wurden, hier als Niedrigtemperatur-Filme bezeichnet, erfahren mit zunehmender Schichtdicke eine Glättung. Sie ist auf die Einbettung der Kristallite in die verhältnismäßig glatte FluoritPhase zurückzuführen, die wegen der geringen Temperaturen während des FerroAnneal-Prozesses noch nicht vollständig in die rauere ferroelektrische AurivilliusPhase umgesetzt wurde.
• Die unterschiedliche Zusammensetzung der Filme SrxBi2.2Ta2O8,3+x mit X1 = 0.9 und X2 = 1,0, im Text als Sr0,9-Film und Sr1,0-Film bezeichnet, führte zu höheren Kurzschlussraten des Sr0,9-Films in fertiggestellten FeRAM-Kondensatoren. Die Ursache kann auf die höhere Oberflächenrauhigkeit des Sr0,9-Films zurückgeführt werden. EFM-Untersuchungen:
• Bei der Polarisation ferroelektrischer SBT-Filme mit einer elektrisch gepolten AFMSpitze werden Ladungen in undefinierbarer Anzahl auf die Oberflächen gebracht. Diese Ladungen sind mehr oder weniger auf den Oberflächen beweglich. Mit zunehmender Polarisierbarkeit des ferroelektrischen Films wird die Ladung stärker am Polarisationsort durch elektrostatische Anziehung zwischen den orientierten Dipolen und der Oberflächenladung fixiert.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Proteinkinase Akt das
Zellzyklusprotein p21 in Endothelzellen an der Aminosäure Threonin 145
phosphoryliert und auf diese Weise p21 posttranskriptionell reguliert. So führt die Aktabhängige Phosphorylierung zur Aufhebung der PCNA-Bindungsfähigkeit und zu einer Abnahme der Komplexbildung von p21 mit Cdk2 und Cdk4. Dementsprechend reduziert die Akt-Phosphorylierung von p21 an Threonin 145 die Hemmung der Cdk2-Aktivierung durch p21, begünstigt damit die Phosphorylierung von Retinoblastoma-Protein und die Freisetzung des Transkriptionsfaktors E2F. Diese Daten weisen auf einen neuen Signaltransduktionsweg hin, über den Akt die Endothelzellproliferation reguliert.
Außerdem führt die Akt-vermittelte Phosphorylierung von p21 an T145 zur Stabilisierung von p21 gegenüber Caspase-abhängiger Degradation während der pro-apoptotischen Stimulation der Endothelzellen und schützt die Zellen gegenüber der Apoptose-Induktion durch TNFα. Die p21-Phosphorylierung durch Akt stellt dabei einen essentiellen Mechanismus der endothelzellprotektiven Wirkung von Akt dar, denn in Abwesenheit von p21 infolge Antisense-Transfektion vermag die Überexpression von Akt nicht mehr zu einer Senkung der endothelialen Apoptoserate nach TNFα -Stimulation führen.
Der retinoid-related orphan receptor α (RORα) ist ein nukleärer Rezeptor, der nach Bindung an sein Responselement die Transkription zahlreicher Gene reguliert. Pharmazeutisches Interesse erlangt der Rezeptor vor allem durch seine Verwicklung in pathophysiologische Prozesse wie Osteoporose und Arteriosklerose sowie durch seine antiinflammatorische Wirkung, die auf der negativen Interferenz mit dem NF-κB-Signalweg beruht. Bisher konnten vier RORα-Isoformen isoliert werden, die durch alternatives Spleißen sowie durch die Regulation über unterschiedliche Promotorregionen entstehen. In verschiedenen Studien konnte eine isoformspezifische Regulation als Antwort auf pathophysiologische Veränderungen der Zellen festgestellt werden, wie beispielsweise die Induktion der RORα4-Transkription in Leberzellen infolge einer Sauerstoffunterversorgung. Um Einblicke in die Mechanismen zu gewinnen, die der spezifischen Regulation der RORα4-Expression zugrunde liegen, wurde in der vorliegenden Arbeit der RORα4-Promotor als erster Promotor einer RORα-Isoform identifiziert und analysiert.
Sechs Fragmente mit einer Länge von bis zu 5,1 kbp der aus Datenbanken entnommenen, putativen Promotorsequenz wurden in einen Reportergenvektor kloniert. Transiente Transfektionsexperimente und Reportergenanalysen deckten die Promotoraktivität der gewählten Sequenz auf.
In dem durch einen hohen Gehalt an den Nukleotiden G und C auffallenden Promotor wurden drei einzelne GC-Boxen (A, B und C) sowie eine Viererkette (Box D) und eine Tandem-GCBox (Box E) als mögliche Bindungsmotive für Sp-Transkriptionsfaktoren gefunden. Mithilfe von Kotransfektionen konnte eine Induktion der Promotoraktivität durch die Transkriptionsfaktoren Sp1 und Sp4 nachgewiesen werden, während Sp3 die Promotoraktivität in diesen Experimenten nicht beeinflusste.
Durch die gezielte Mutation oder Deletion, bzw. die Inkubation mit verschiedenen Substanzen konnten diesen GC-Boxen unterschiedliche Funktionen zugeordnet werden. Durch transiente Transfektionen stark verkürzter Promotorfragmente wurde ein für die Promotoraktivität nötiger Sequenzbereich von 170 Basenpaaren eingegrenzt. In Mutationsanalysen wurde demonstriert, dass die beiden proximalen GC-Boxen A und B für die basale Promotoraktivität essentiell sind.
Die RORα4-Promotoraktivität ließ sich zelltypabhängig durch den Phorbolester TPA induzieren. In Deletionsanalysen ließ sich dieser Effekt teilweise auf die GC-Boxen C und D zurückführen. Der distalen GC-Box E konnte ebenfalls eine Funktion zugeordnet werden. In Reportergenanalysen konnte demonstriert werden, dass sie die Induktion der Promotoraktivität durch den HDAC-Inhibitor Trichostatin A vermittelt.
Durch die Untersuchungen an den TK-luc-Konstrukten mit RORα-Responselementen konnte gezeigt werden, dass der virale Promotor aufgrund der einklonierten RORα-Responselemente sehr stark auf die Kotransfektion der RORα-Isoformen reagiert. Die Reportergenanalyse mit diesen Konstrukten stellt daher eine effiziente Methode dar, um die RORα-vermittelte Transaktivierung zu bestimmen.
Obwohl der RORα4-Promotor zahlreiche RORα-Responselemente trägt, konnte in den Kotransfektionen mit Expressionsplasmiden für die einzelnen Isoformen in keiner der drei Zelllinien eine Autoregulation gefunden werden. Ebensowenig zeigte sich ein Einfluss des putativen RORα-Liganden Melatonin auf die Promotoraktivität.
Des Weiteren wurde gezeigt, dass die RORα4-Promotoraktivität in HeLa und MCF-7-Zellen durch das cAMP-Analogon DbcAMP induzierbar ist, während in HEK 293 keine Beeinflussung der Promotoraktivität erzielt wurde. Neben der Steigerung der Promotoraktivität durch TPA, konnte mit der DbcAMP-Induktion folglich ein zweiter, zelltypabhängiger Effekt auf die RORα4-Promotoraktivität identifiziert werden.
Das positions-spezifisch integrierende TRE5-A Retrotransposon besitzt zwei Promotorregionen (A- und C-Modul). Für das C-Modul konnte ein spezifisch bindendes Protein (CbfA) gefunden werden, das vermutlich über die Expression des Minusstrang-Transkripts regulativ in den Transpositionsmechanismus eingreift. Gleichzeitig stellt CbfA in D. discoideum einen kritischen Faktor dar, der sowohl auf das Wachstum als auch auf die Differenzierung Einfluss nimmt.
Es konnte gezeigt werden:
• Der AT-Haken in CbfA ist für die DNA-Bindung essentiell. Die Inaktivierung hat zur Folge, dass keine Differenzierung stattfindet. Es scheint, dass primär der AT-Haken für die DNA-Bindung sorgt und von den Zinkfingern unterstützt wird.
• Die JmjC-Domäne in CbfA ist essentiell. Transformanden mit CbfA ohne aktive JmjC-Domäne zeigen Defekte sowohl in Wachstum als auch Differenzierung.
• CbfA ist ein nukleares Protein. Es konnte zwar keine Kernlokalisationssequenz identifiziert werden, jedoch weisen die Versuche auf zumindest eine Kernlokalisierungssequenz im C-Terminus des cbfA hin.
• Ein C-terminal verkürztes CbfA ist funktionslos: wahrscheinlich aufgrund fehlender Kernlokalisation und somit fehlender DNA-Bindung.
• Ein N-terminal verkürztes CbfA ist teilweise funktionsfähig: die Komplementation in JH.D2-Zellen führt zu einer partiellen Revertierung hin zum Phänotyp der AX2-Zellen.
• Struktur-Homologien der JmjC-Domäne in CbfA zu Mitgliedern aus der Familie der Fe(II)/2OG-Oxygenasen, DNA-bindende Motive und die Lokalisation im Zellkern weisen auf eine Funktion des CbfAs als Chromatin-Remodeller im Zellkern hin.
• In der Transit von Wachstums- zu Entwicklungsphase kann der CbfA-Mangel durch artifizielle Proteinase A-Expression ausgeglichen werden, aber nicht durch Komplementation mit YakA, Adenylat-Zyklase oder cAMP Rezeptor 1.
• CbfA fungiert wahrscheinlich als Regulator der acaA-Transkription auf Ebene der chromosomalen Strukturen.
• cbfB, ein weiteres Gen mit einer JmjC-Domäne wurde in D. discoideum identifiziert, die Gensequenz vervollständigt und vom Dictyostelium Genom-Projekt verifiziert.
Diadenosinpolyphosphate (ApnAs), wirken in einer Vielzahl unterschiedlicher Gewebe als extrazelluläre Signalmoleküle. Ihre asymmetrische Hydrolyse durch Enzyme auf der Zelloberfläche oder durch lösliche Enzyme im extrazellulären Milieu wurde in der Literatur bereits mehrfach beschrieben. Die molekulare Identität dieser Enzyme war jedoch nicht bekannt.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Fähigkeit von NPP1, NPP2 und NPP3, den drei Mitgliedern der E-NPP-Familie, Diadenosinpolyphosphate zu hydrolysieren, untersucht. Dazu wurden humanes NPP1 und NPP3 aus der Ratte heterolog in CHO-Zellen exprimiert und die enzymatische Aktivität wurde anhand von Membranfraktionen analysiert. Für die Charakterisierung der katalytischen Eigenschaften von NPP2 wurde eine lösliche sekretierte Form des humanen NPP2 aus partiell aufgereinigtem Vaccinia-Viruslysat eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die heterolog exprimierten Enzyme NPP1, NPP2 und NPP3 die untersuchten Diadenosinpolyphosphate Diadenosin-5´,5´´´-P1,P3-triphosphat (Ap3A), Diadenosin-5´,5´´´-P1,P4-tetraphosphat (Ap4A) und Diadenosin-5´,5´´´-P1,P5-pentaphosphat (Ap5A), sowie das Diguanosinpolyphosphat Diguanosin-5´,5´´´-P1,P4-tetraphosphat (Gp4G) hydrolysieren.. Ein Vergleich der Hydrolyseraten zeigte, dass NPP1-2 Ap3A, Ap4A, Ap5A und Gp4G mit vergleichbarer Rate hydrolysieren. NPP3 zeigte ebenfalls keine Präferenz für eines der untersuchten Diadenosinpolyphosphate, hydrolysierte aber Gp4G im Vergleich zu Ap4A deutlich langsamer. Die Hydrolyse der Dinukleotide erfolgte asymmetrisch durch Spaltung der α,β-Pyrophosphatbindung. Als primäre Hydrolyseprodukte entstanden Nukleosid-5´-Monophosphat und der verbleibende Mononukleotidrest Npn-1. Für Ap3A als Substrat wurde für NPP1-3 ein alkalisches pH-Optimum mit maximaler Aktivität bei pH 8.5-9 (NPP1 und NPP3), bzw. pH 10 (NPP2) nachgewiesen. Die enzymatische Aktivität von NPP1-3 wurde durch EDTA inhibiert und die Km-Werte für Ap3A lagen mit 5,1 ± 3,6 µM (NPP1), 8,0 ± 0,5 µM (NPP2) und 49,5 ± 17,7 µM (NPP3) im niedrigen mikromolaren Bereich. Untersuchungen zur Hemmbarkeit der NPP-vermittelten Diadenosinpolyphosphathydrolyse (Ap4A) zeigten, dass die Enzyme NPP1, NPP2 und NPP3 nach Koapplikation verschiedener P2-Rezeptorantagonisten in unterschiedlichem Ausmaß inhibiert wurden. Cibacron Blue inhibierte kräftig alle drei Enzyme, während PPADS einen stärkeren inhibitorischen Einfluss auf die katalytsiche Aktivität von NPP1 und NPP3 als auf die katalytische Aktivität von NPP2 zeigte. Suramin inhibierte dagegen nur die NPP1 und NPP2 katalysierte Ap4AHydrolyse und hatte keinen Einfluss auf NPP3. Eine Inhibierung von NPP1-3 durch NaF wurde nicht beobachtet. Eine geringe inhibitorische Wirkung auf NPP1 wurde durch die extrazellulären Matrix-Komponenten Heparin und Heparansulfat, durch ATP und die Nukleotidanaloga, AMP-CP, AMP-CPP und ATP-γ-S beobachtet. NPP2 und NPP3 wurden durch AMP-CP nicht inhibiert. Den schwächsten inhibitorischen Einfluss zeigte ATP auf die durch NPP3-vermittelte Ap4AHydrolyse.
Die hier für NPP1-3 ermittelten katalytischen Eigenschaften zeigten Übereinstimmgen aber auch Unterschiede gegenüber früheren Daten, die für die Hydrolyse von Diadenosinpolyphosphaten auf der Oberfläche von Zellen ermittelt wurden. Insgesamt sprechen die Ergebnisse dafür, dass NPP1-3 die Hauptvertreter der Diadenosinpolyphosphat-hydrolysierenden Enzyme in Säugergewebe darstellen. Möglicherweise gibt es aber auch ApnA-hydrolysierende Enzyme, die nicht zu den bisher charakterisierten Mitgliedern der E-NPP-Familie zugehören.
In einem zweiten Teil der Arbeit wurde die Expression von NPP1-3 im Gehirn der Ratte mittels Western-Blot-Analyse (Entwicklungsstadien P1, P21 und adult) untersucht. Aufgrund der geringen Spezifität der gegen NPP1 und NPP2 zur Verfügung stehenden Antikörper, konnten jedoch keine eindeutigen Aussagen zur Expression von NPP1 und NPP2 im Gehirn getroffen werden. NPP3 konnte im Rattengehirn nachgewiesen werden. Die Expression war entwicklungsabhängig und nahm mit zunehmendem Alter der Tiere deutlich ab. Die Entwicklung spezifischer Antikörper erscheint ein lohnender Ansatz, um die zelluläre Verteilung von NPP1-3 im Nervengewebe zu bestimmen.
In der vorliegenden Arbeit wird die Expression der Nonapetide Oxytocin und Vasopressin im Zentralnervensystem der Ratte, Rattus rattus und des afrikanischen Graumulls, Cryptomys anselli, mit immunhistochemischen Methoden untersucht. Bei Säugetieren allgemein werden Oxytocin (OX) und Vasopressin (VP) in separaten Populationen magnozellulärer Neuronen des Hycleus supraopticus und die weitverstreuten akzessorischen magnozellulären neurosekretorischen Zellen). Über axonalen Transport gelangen die Hormone hauptsächlich in die Neurohypophyse und werden von dort in das Blutgefäßsystem ausgeschüttet. Neben allgemein bekannten peripheren Wirkungen wie beispielsweise der Uteruskontraktion (Oxytocin), der Milchejektion (Oxytocin) und der Homöostase des Wasserhaushalts (Vasopressin) werden den beiden Hormonen auch wichtige zentrale Effekte wie die Beeinflussung von Sozialverhalten, Partnerwahl, Aggression etc. zugeschrieben, wobei sie als hypothalamische Neurotransmitter fungieren.
Als ein subterranes, eusoziales Säugetier zeigt der Graumull eine ungewöhnliche (eusoziale) Familienstruktur: Die Tiere leben in großen Familien, wobei ein einziges Weibchen mit seinem Partner für die gesamte Nachkommenschaft sorgt. Die Jungtiere verweilen ihr gesamtes Leben bei den Eltern, meist ohne selbst zur Reproduktion zu kommen, und kümmern sich u.a. um ihre jüngeren Geschwister. Verhaltensbiologische Analysen konnten zeigen, daß im Gegensatz zum Nacktmull (Heterocephalus glaber) bei Cryptomys anselli weder Pheromone noch dominant-aggressives Verhalten der „Königin“ zu einer sexuellen Suppression der Nachkommen führen.
Parallel zum Graumull wird die Ratte als ein in der Neurobiologie und Verhaltensphysiologie gut erforschter „Standardorganismus“ immunhistochemisch untersucht. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zuerst mit der Frage, ob und inwieweit bei Ratten und Graumullen die jeweilige soziale Organisation mit dem Muster der Transmitterexpression von Oxytocin und Vasopressin korreliert. Desweiteren ist von besonderem Interesse, ob sich die einzelnen Angehörigen der Graumull-Familien mit ihrem jeweiligen individuellen sozialen Status auch bezüglich der Verteilung und Quantität der beiden Transmitter unterscheiden. Auf dieser Grundlage wurden insgesamt vierzehn Graumulle und vier Ratten auf die Oxytocin- und Vasopressin-Expression im Zentralnervensystem hin untersucht.
Die vorgestellten immunhistochemischen Befunde an der Ratte und am
Graumull entsprechen prinzipiell der in der Literatur beschriebenen Expression von Oxytocin und Vasopressin im Nucleus paraventricularis hypothalami, im Nucleus supraopticus sowie in den weit verbreiteten akzessorischen magnozellulären neurosekretorischen Neuronen im Hypothalamus anderer Säugetiere. Bei Cryptomys ergab weder die qualitative noch die quantitative intraspezifische Analyse der immunreaktiven OX- und VP- Neuronen signifikante Unterschiede zwischen Individuen unterschiedlicher sozialer Stellung. Dagegen weist der Graumull im Vergleich mit der Ratte und anderen daraufhin bearbeiteten Säugern bisher nicht bekannte qualitative Unterschiede im oxytocinergen System auf, wobei unsere Befunde an der Ratte weitgehend mit der vorhandenen Literatur übereinstimmen: Eine magnozelluläre Neuronen-population im Corpus mamillare, welche auch in der Routinefärbung (Kresylechtviolett) erkennbar ist, zeigt bei den Graumullen eine Oxytocin-Expression, nicht aber bei den Ratten. In der Literatur ist für diese Neuronenpopulation bis dato nur die Expression von ABA beschrieben worden, nicht aber ihr oxytocinerger Charakter. Darüber hinaus ist eine bei der Ratte auffällige Gruppe akzessorischer magnozellulärer und oxytocinerger Neuronen, der Nucleus commissuralis anterior der Ratte, beim Graumull weder in der Routinefärbung noch immunhistochemisch nachweisbar. Als ein weiterer Unterschied ist die Expression von Oxytocin in der Area hypothalamica lateralis bei der Ratte sehr viel dichter als beim Graumull, ein Merkmal von potentiell qualitativem Charakter.
Der interspezifische Vergleich (Ratte-Graumull) ergab also eine potentiell neue Population Oxytocin-exprimierender Neuronen für den Graumull, nicht aber für die Ratte. Es wäre denkbar, daß über diese neu entdeckte oxytocinerge, aber nicht vasopressinerge Expression/Population mamillärer Neuronen innerhalb des limbischen Systems Projektionen in den Neokortex das Sozialverhalten der Graumulle beeinflussen können. In der Zukunft gilt es zu prüfen, ob diese Neuronenpopulation mit ihrer Oxytocin-Expression auch in anderen Säugetieren inklusive anderen eusozialen Spezies vorkommt. Das Fehlen des Nucleus commissuralis anterior (CoA) beim Graumull beruht hingegen wahrscheinlich nur auf strukturellen Unterschieden zwischen den Gehirnen von Ratten und Graumullen.