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Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit lag in der Synthese und strukturellen Charakterisierung von sandwichartig aufgebauten kupferhaltigen Organosiloxanen. Diese sollten nach Möglichkeit kristalline Eigenschaften aufweisen und ein interessantes magnetisches Verhalten zeigen. Es galt, die Beziehungen zwischen molekularer Struktur und magnetischen Eigenschaften herauszuarbeiten, um auf der Basis experimenteller Daten dem maßgeschneiderten Design neuer molekularer Magnete näher zu kommen. .... Die in der hier vorgelegten Arbeit erzielten Ergebnisse belegen, dass der Weg zur gezielten Erzeugung molekularer Magnete erfolgreich beschritten wurde. Es wird weiteren Arbeiten vorbehalten bleiben, Cluster der nun vorliegenden Art chemisch so zu verknüpfen, dass daraus polymere Ketten oder Netzwerke entstehen. Deren magnetisches Verhalten lässt erwarten, dass damit möglicherweise neue Materialien zugänglich werden, die dem Anspruch eines molekularen Magneten voll gerecht werden.
Metabotropic glutamate receptor subtype 7 (mGluR7) belongs to the family of G-protein coupled receptors. mGluR7 is widely distributed in the brain and primarily localized at presynaptic terminals, where it is thought to regulate neurotransmitter release and synaptic plasticity. Studies have shown that the intracellular C-terminal tail of mGluR7 binds a variety of proteins in addition to trimeric G-proteins. These newly identified protein interactions are believed to play a key role in the synaptic targeting and G-protein dependent signaling of mGluR7. Protein interacting with C kinase 1 (PICK1), a PDZ-domain protein, is a strong interaction partner of mGluR7a. In order to investigate the role of PICK1 in the synaptic trafficking and signaling of mGluR7a, a knock-in mouse line in which the interaction of mGluR7a and PICK1 is disrupted was generated. Analysis of the mutant mice by immunocytochemistry and immunoelectron microscopy showed that the synaptic targeting and clustering of mGluR7a was not altered, indicating that PICK1 is not required for mGluR7a receptor membrane trafficking and synaptic localization. However, when the spontaneous synaptic activity of cerebellar granule cell cultures prepared from both wild-type and knock-in mice was monitored, and L-AP4 (400μm) was found to decrease the frequency, but not the amplitude, of spontaneous excitatory currents in wild-type neurons, while no effect of L-AP4 on spontaneous synaptic activity was observed in knock-in neurons. This indicates that PICK1 binding to the C-terminal region of mGluR7a plays an essential role in mGluR7a mediated G-protein signaling. We examined the threshold sensitivity for the convulsant pentetrazole (PTZ) in knock-in mice. It was found that mGluR7a knock-in mice had a greater sensitivity to PTZ than wild-type mice. Moreover, the surface parietal cortex EEG recordings of the mutant mice revealed spontaneous synchronous oscillation, or "spike-and-wave discharges" (SWD), which displayed similar characteristics to absence-like seizures. It was also observed that the knock-in mice responded to pharmacology as human absence epilepsy. These data suggests that the knock-in mice displayed the phenotype of absencelike epilepsy. Furthermore, the behavioral analysis of the mGluR7a knock-in mice showed no deficits in motor coordination, pain sensation, anxiety as well as spatial learning and memory, thus the interaction of mGluR7a and PICK1 appears not to contribute to these physiological processes. Taken together, our data provides evidence for an important role of PICK1 in Gprotein dependent signaling of mGluR7a, whereas PICK1 is not required for synaptic targeting and clustering of mGluR7a. Our results also provide an animal model of absencelike epilepsy generated by disruption of a single mGluR7a-PDZ interaction, thus creating a novel therapeutic target against this neurological disease.
Die vorliegende Arbeit basiert auf einer Kombination von IR-Messungen und Spektrenberechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie und konnte tiefere Einblicke in die von vielfältigen Überlagerungen geprägten Spektren des Cytochrom bc1-Komplexes aus Paracoccus denitrificans geben. Absorptionsmessungen zu allen 20 natürlich vorkommenden a-Aminosäuren wurden an wässrigen Lösungen im Spektralbereich von 1800 bis 500 cm-1 durchgeführt und stellten eine wichtige Grundlage zur Identifikation von Signalen der Aminosäuren im Proteinspektrum dar. Durch die Berechnung der molaren Absorptionskoeffizienten aus den Aminosäurespektren konnten Beiträge einzelner Aminosäuren zum Proteinspektrum besser eingeordnet bzw. abgeschätzt werden. Eine detaillierte Untersuchung für die wichtige Aminosäure Histidin, auch mittels zitierten Rechnungen an Modellsubstanzen, diente zur tendenziellen Zuordnung einige dieser Banden in zeitabhängig gemessenen Proteinspektren. Um eine qualitativ hochwertige Aufnahme der elektrochemisch induzierten Redox- Differenzspektren zu gewährleisten, wurde eine Potentiostaten-Ansteuerung konzipiert und programmiert. Die damit automatisiert durchgeführten Messungen ergaben reproduzierbare Differenzspektren für die Ubichinone mit und ohne Isoprenseitenkette (UQ2, UQ0) als auch für das Protein, den Cytochrom bc1-Komplex, bis 880 cm-1. Dies bedeutete eine Erweiterung des Spektralbereichs im Vergleich zu vorigen Arbeiten und damit die Möglichkeit, signifikante Moden der Ubichinole zu detektieren. Zur Untersuchung der komplexen IR-Spektren der Ubichinole wurden ab initio - und Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen durchgeführt. Für diese biologisch essentiellen Moleküle waren bislang keine Struktur- oder Normalmodenberechnungen bekannt und wurden in der vorliegenden Studie erstmals erarbeitet. Bei der Analyse der möglichen Geometrien des UQ0H2-Moleküls mittels ab initio - Studien resultierte eine energetisch günstigste Struktur, bei der beide Methoxygruppen aus der Ringebene in verschiedene Raumhälften (vor und hinter dem Ring) wiesen. Dies ergab sich sowohl für Chinole mit als auch ohne Isoprenseitenkette (gezeigt mittels ab initio oder DFT). Diese Anordnung hat zur Folge, dass es als unwahrscheinlich eingestuft werden kann, dass die Ubichinole in übereinander gestapelter Form vorliegen. Die für die Chinole charakteristischen Hydroxygruppen (COH) orientierten sich beim Ubichinol ohne Seitenkette zu den jeweils benachbarten Methoxygruppen hin. Beim UQ2H2 zeigte die C1-OH Gruppe in Richtung der Isoprenseitenkette. Die Strukturen der oxidierten Ubichinone wiesen den aus der Literatur bekannten Mesomerie-Resonanz-Effekt an den Bindungen C4=O, C2=C3 und C-O der Methoxygruppe an C2 auf. Dieser Effekt wurde an diesen Gruppen auch für das Ubichinon mit Isoprenseitenkette gezeigt, zu dem bislang kaum Literaturdaten aus Rechnungen vorlagen. Für biologisch relevante Zwischenstufen im Redox-/Protonierungsprozess der Chinone (Ubichinone ohne Seitenkette) wurden die Strukturen berechnet. Hier erwies sich eine erste Protonierung an der C1O-Gruppe als energetisch günstiger. Zu diesen Zwischenstufen, die teils radikaler oder anionischer Natur sind, wurden die Spektren im Einklang mit bisherigen DFT-Analysen, die meist zu einfacheren Molekülen vorlagen, erstmals berechnet. Da die Spektrenberechnungen von den Strukturen in vacuo ausgingen, waren zusätzliche Modellstudien an Chinonen hilfreich, bei denen ein Wassermolekül benachbart war. Damit konnten die Auswirkungen entsprechender H-Brücken (z.B. zwischen Protein und Chinon- Molekül) anhand der berechneten Spektren der Modelle eingehender beleuchtet werden und ergaben zudem wichtige Hinweise auf mögliche Anordnungen von Wasserstoffbrücken zum (methoxy-substituierten) Chinol. Die Messungen der Ubichinole in wässriger Lösung und gebunden im Protein ergaben charakteristische Banden zwischen 1120 und 1050 cm-1, die mit den Spektrenberechnungen zugeordnet wurden: Diese Banden beinhalteten die für die Bindung der Ubichinole im Protein aussagekräftigen Signale der beiden C-O Gruppen. Damit wurde ein Grundstein gelegt für Interpretationen der Spektren hinsichtlich der Bindungen der Ubichinole an die Proteinumgebung. Für das oxidierte Ubichinon mit Isoprenseitenkette erwiesen sich die Intensitäten der vier str. C=O / C=C Moden im Vergleich zu UQ0 als verändert. Damit lag ein Beitrag einer dieser Moden zu einer Bande im Proteinspektrum nahe. Hier zeigte sich, dass eine Normalmodenanalyse von hoher Qualität, wie die vorliegende mittels Dichtefunktionaltheorie, entscheidende Aussagen über Banden liefern kann, die bei Messungen an Ubichinon-Lösungen nicht unterscheidbar sind, jedoch beim Molekül im Protein sichtbar sein können. Zu den berechneten Spektren der Ubichinole und der oxidierten Formen wurden jeweils Bandenverschiebungen ermittelt, die mit Isotopenmarkierungen einher gingen und die im Einklang mit den gemessenen Verschiebungen im Falle der 13C1- bzw. 13C4-markierten Ubichinone standen. Die Differenzspektren des Cytochrom bc1-Komplexes aus Paracoccus denitrificans zeigten aufgrund des hohen Chinongehalts ausgeprägte Banden der Ubichinole inklusive der erwähnten charakteristischen Moden. Da es in deren Bereich in den Proteinspektren zu Überlagerungen mit Häm- und Aminosäurensignalen kommt, sind weiterführende, experimentelle Studien für ein noch detailliertes Verständnis erforderlich. Die in den Spektren vorhandenen, zahlreichen weiteren Beiträge der verschiedenen Gruppen im Protein wurden anhand von Literaturdaten diskutiert. Dies betraf insbesondere die Schwingungsmoden der Häme und die Amid-Banden, die Signale des Polypeptidrückgrates des Proteins. Für die Spektrendiskussion bzgl. den Aminosäuren im Protein wurden die Ergebnisse aus Kap. 4.1 hinzugezogen. Mit zeitabhängigen IR-Messsungen (alle 30 Sekunden) wurde versucht, Erkenntnisse über weitere Beiträge oder zeitliche Entwicklungen im Proteinspektrum zu gewinnen. Da die Chinone verzögert (zum Anlegen des entsprechenden Potentials) reagierten, waren in Abhängigkeit der Reaktionsrichtung auch Signale anderer Gruppen im Protein messbar. So konnten mehrere Moden der Häme im bc1-Komplex (tendenziell) nachvollzogen werden. Aus diesen Messreihen ergaben sich wichtige Hinweise auf Signale der Histidine am Eisen-Schwefel-Zentrum des Enzyms. Diese Aminosäuren stehen direkt mit den Ubichinolen in der Qo-Bindestelle in Wechselwirkung.
Both practitioners and academics agree about the importance of price and its direct influenceon consumers’ purchase decision as well as the company profit. In the reality, we rarely see a
single price for a given product. One visit in a store already shows that consumers face many various prices. This strategy of differential prices allows to increase profit but also improves consumers’ situation and increases welfare. A wide range of various price differentiation mechanisms exists on the market which makes price differentiation a very interesting phenomenon. Additionally, market developments constantly allow for new price differentiation applications. In this work, I research a fascinating topic of price differentiation, its various forms
and new application possibilities in changing market areas.
Zielsetzung Ziel dieser Studie war es, die diagnostische Sicherheit der hochauflösenden MRT mittels kombinierter Endorektal-Body-Phased-Array-Spule nativ und unter Einsatz von Gadolinium-DTPA bei Patienten mit bioptisch gesichertem oder klinisch hochgradigem Verdacht auf ein Prostatakarzinom vor radikaler Prostatektomie zu überprüfen. Insbesondere sollte die Möglichkeit der Abgrenzung der Stadien pT2 gegen pT3 und die klinische Relevanz der MR-Diagnostik für das therapeutische Konzept aufgezeigt werden. Material und Methodik Insgesamt wurden im Zeitraum von Februar 2000 bis Dezember 2003 58 Patienten einer MRT-Untersuchungen mit kombinierter Endorektal-Body-Phased-Array-Spule an einem 1,5 Tesla-Gerät unterzogen und 45 von Ihnen im Anschluss der radikalen Prostatektomie zugeführt. Das Untersuchungsprotokoll beinhaltete T1- und T2-gewichtete Turbo-Spin-Echo Sequenzen in axialer und koronarer Schichtführung, sowie ein KM-dynamisches Protokoll nach Gabe von 0,2 mmol Gadolinium-DTPA pro kg Körpergewicht. Die Befundung erfolgte durch zwei erfahrene, voneinander unabhängige Radiologen. Die Befunder hatten keinerlei Kenntnis über relevante, klinische Patientendaten. Die Korrelation der MRT-Bilder mit den histopathologischen Befunden erfolgte anhand von Großflächenschnitten der Prostatektomiepräparate. Ergebnisse Gutachter 1 erreichte eine Sensitivität und Spezifität in Bezug auf die Detektion extrakapsulären Wachstums und Samenblaseninfiltration (T1/2 versus T3/4) von 100% respektive 72%. Die Treffsicherheit lag bei 89%, der positive Vorhersagewert bei 84% und der negative Vorhersagewert bei 100%. In fünf Fällen, mit histologischem Stadium pT2a/b, war es zu einer falsch positiven Diagnose (pT3a/b) durch die MRT gekommen. Falsch negative Fälle – histologisches Stadium pT3/4 als pT1/2 gewertet – sind nicht vorgekommen. Insgesamt wurden 32 von 45 Patienten stadiengenau eingestuft, was zu einer Gesamtgenauigkeit von 71% führte. Gutachter 2 zeigte marginal bessere Ergebnisse, da es hier nur drei Mal zu einer Überbewertung gekommen war. Somit lauteten die Werte für Sensitivität und Spezifität 100% und 83%. Die Treffsicherheit lag bei 93%, und positiver sowie negativer Vorhersagewert bei 90% bzw. 100%. Insgesamt stufte Gutachter 2 35 von 45 Fälle stadiengenau ein, was zu einer Gesamtgenauigkeit von 78% führte. In der Begutachtung der dynamischen Sequenzen kamen die Gutachter zu identischen Ergebnissen bei einer Sensitivität von 90%, Spezifität von 63%, sowie einer Treffsicherheit von 78%. Der negative Vorhersagewert lag bei 83%, der positive bei 76%. Die Gesamtgenauigkeit betrug 38%. Schlussfolgerung Die Ergebnisse dieser Studie stehen im Einklang mit vorausgegangenen Untersuchungen ähnlicher Art. Die MRT kann nicht alleine bedingend für die Entscheidung der Therapiemodalität sein. Ihr Ergebnis ist zu integrieren in das Gesamtkollektiv der übrigen Befunde, woraus letztendlich in klinischer Bewertung des individuellen Patienten die Entscheidung für eine operative oder alternative Therapie resultiert. Im Vergleich zu Studien, die ausschließlich eine Endorektalspule verwendeten lässt sich ein moderater Zugewinn bezüglich der Spezifität konstatieren [12, 76]. Insgesamt konnten mit der Kombinationsspule insbesondere die vorderen Drüsenabschnitte und der ventro-laterale, periprostatische Raum mit höherem Signal abgebildet werden. Unsere Ergebnisse zeigen keinen relevanten diagnostischen Zugewinn durch die KM-Applikation. Qualitative Verbesserungen konnten wir bei pT4 und einigen pT3b-Tumoren durch das Enhancement der infiltrierten Nachbarstrukturen erkennen.
Thema der vorliegenden Arbeit ist die systematische Darstellung und methodische Bewertung von wissenschaftlichen Publikationen zu psychosozialen Aspekten von Herzrhythmusstörungen. Thematisch ergaben sich zwei Hauptrichtungen: 1. Das Befinden und die Lebensqualität von Patienten mit Herzrhythmusstörungen. 2. Das Problem der psychischen Beteiligung an der Auslösung von ventrikulären Arrhythmien und dem plötzlichen Herztod. Mit der Eignungsbewertung nach Hermann-Lingen und Buss (2002), mit der der Hauptteil der Studien bewertet wurde, konnten die Studien meist gut eingeteilt werden. Die Klassifizierung erfolgte anhand zweier Aspekte: der Fallzahl und der methodischen Qualität (entsprechend der Fragestellung der vorliegenden Arbeit). Die Gesamt-Eignung einer Studie errechnet sich aus dem Produkt von Fallzahl und dem Mittelwert der methodischen Qualität. Eine Ausnahme von der o.g. Bewertung stellen Studien dar, die Fragen zur Lebensqualität nur als ein weiteres Kriterium zusätzlich zu kardiologischen Parametern untersuchen, welche das größere Gewicht haben. Die Eignung ergibt sich hier als die Summe aus Fallzahl und Nutzung eines validierten Messinstrumentes. Da sie trotzdem meist als „weniger geeignet“ bewertet wurden, haben sie in dieser Arbeit kaum Gewicht. In der vorliegenden Arbeit wurden die gesichteten Originalarbeiten entsprechend ihrem Design in 3 Subgruppen unterteilt und bewertet: Querschnitts-, Verlaufs- und Prädiktorstudien. Die Verlaufsstudien befassen sich hauptsächlich mit Fragen der Lebensqualität und dem Befinden, die Prädiktorstudien ausschließlich mit dem Problem der psychischen Beteiligung an der Auslösung von ventrikulären Arrhythmien und dem plötzlichen Herztod, die Querschnittstudien bearbeiten beide Schwerpunkte. Die methodische Qualität der Studien war bei den o.g. Hauptthemen sehr unterschiedlich. Dabei ist das Niveau der Studien zur eher jungen Forschungsrichtung Lebensqualität bei den Verlaufsstudien mit 10 von 17 oder 59% Studien mit guter Bewertung eher mäßig, bei den Querschnittstudien mit 6 von 7 oder 86% gut. Bei den Studien die eher andere, einzelne Parameter zum Befinden von Patienten abfragen wie Distress, Angst, Depression, Schmerz, Anpassung an die Krankheit, Sorge um die Krankheit oder Unsicherheit wegen der Krankheit und sie mit der Lebensqualität in Beziehung setzen, ist das Niveau schlechter mit formal 11 von 11 als „weniger geeignet“ bewerteten Studien bei den Querschnittstudien und 4 von 4 bei den Verlaufsstudien, was hauptsächlich an kleinen Fallzahlen lag. Beim schon älteren Thema der psychischen Beteiligung an der Auslösung von ventrikulären Arrhythmien und dem plötzlichen Herztod ist das Niveau wesentlich besser. Das Niveau der 13 Prädiktorstudien ist hier formal hoch mit 9 von 12 also 75% als „gut“ oder „besonders gut“ geeignet bewerteten Studien. 7 Querschnittstudien befassen sich ebenfalls mit dem Thema. Davon sind 6, also 86% als „gut“ oder „besonders gut geeignet“ bewertet worden. Probleme ergaben sich durch die Änderung der Forschungsmeinung im Laufe der Zeit, was eine relevante Arrhythmie darstellt und was behandelt wird. So maß man noch 1990 Herzrhythmusstörungen ab Lown Klasse III so viel Bedeutung zu, dass man bei Symptomen eine Behandlungsindikation sah. Insbesondere die CAST-Studie von 1987 bis 1991 führte zu Veränderungen in der Sicht von Arrhythmien. Ab 1993 wird der Wandel dann auch in Lehrbüchern ersichtlich. 2004 werden unter ventrikulären Herzrhythmusstörungen nur noch Tachykardien mit einer Herzfrequenz von > 120/min. mit breitem QRS-Komplex angesehen. Vereinzelten VES wird keine Bedeutung mehr zugemessen. Als Risikofaktor für den plötzlichen Herztod wird heutzutage hauptsächlich eine eingeschränkte linksventrikuläre Ejektionsfraktion (EF) angesehen. Man geht heute davon aus, dass komplexe VES eher eine linksventrikuläre Dysfunktion anzeigen und nur für die Prognose von Patienten mit struktureller Herzerkrankung bedeutsam sind. Es wird in der vorliegenden Arbeit die neuere Definition von 2004 gewählt und bei Betrachtung von vereinzelten VES ein relevanter arrhythmischer Endpunkt (z.B. anhaltende Tachykardien, lebensbedrohliche Rhythmusstörungen) gefordert. Zum ersten Schwerpunkt zeigte sich bei den Studien zur Lebensqualität, dass Patienten mit ventrikulären und supraventrikulären Herzrhythmusstörungen eine eingeschränkte Lebensqualität aufweisen. Eine „kurative“ Therapie mit Ablation, die ohne weitere Medikamentengabe auskommt, führt dabei zu einer starken, stabilen Verbesserung der Lebensqualität, der Symptome, des psychologischen Distress und die Lebensqualität nach Ablation gleicht der von Gesunden. Bei Betrachtung der Studien zu nicht-kurativen Therapien von supraventrikulären Herzrhythmusstörungen drängt sich der Verdacht auf, dass sich eine vom Patienten empfundene Verbesserung des Befindens aus verschiedenen Komponenten zusammensetzt. Die Symptomkontrolle ist wichtig, und korrelierte gut mit Verbesserungen im sozialen Bereich und körperlichen Wohlbefinden, aber darüber hinaus scheinen auch psychische Mechanismen beteiligt zu sein. Hier könnte sich die weitere Forschung stärker und mit höheren Fallzahlen mit den psychischen Komponenten beschäftigen und versuchen, sie von den kardiologischen abzutrennen. Die objektiven, kardiologischen Parameter korrelierten nur schlecht mit den erhobenen Parametern der Lebensqualität und der Aktivität des täglichen Lebens bei supraventrikulären Arrhythmien. Die Studien zu ventrikulären Arrhythmien beschränken sich thematisch meist auf den Vergleich der Lebensqualität bei Therapie mit ICD oder Antiarrhythmika. Allgemein gaben jüngere Patienten mit ventrikulären Arrhythmien eine schlechtere Lebensqualität an als ältere. Eine größere Gesundheitsstörung und stärkerer Distress hatten eine geringere Lebensqualität zur Folge, und stärkere Medikamentennebenwirkungen hatten stärkeren Distress zur Folge. Die Sorgen wg. der Krankheit waren bei Baseline für Arrhythmiepatienten erhöht und führten zu einer schlechteren Lebensqualität. Problematisch bei den Originalarbeiten zu ventrikulären Arrhythmien war, dass meist gemischte Kollektive von Patienten nach Reanimation und ohne Reanimation untersucht wurden. Bei Bearbeitung der Originalarbeiten gewann man den Eindruck, dass diese beiden Untergruppen sich zu stark voneinander unterscheiden, als dass eine gemeinsame Betrachtung sinnvoll erscheint. Dies müssten geeignete Studien überprüfen. Zum zweiten Schwerpunkt unterscheidet man akute von chronischen psychischen Auslösern von ventrikulären Arrhythmien und dem plötzlichen Herztod. Von den akuten psychischen Zuständen scheinen 15 min. vor einer Herzrhythmusstörung bei einem hohen Prozentsatz der Patienten Ärger zu bestehen. Oft gingen vielfältige psychische Ausnahmezustände bis 24 Stunden einer ventrikulären Herzrhythmusstörung voraus. Dabei war Wut der Hauptaffekt, andere waren Depression, Angst, ängstliche Erwartung und Trauer. An chronischen Zuständen wurden folgende Konstrukte untersucht: psychischer Distress, Depression, Angst, Typ A/B-Verhalten, unterdrückter Ärger, soziale Unterstützung, der Wunsch nach Kontrolle und vitale Erschöpfung. Dabei ist die Depression am besten untersucht. Nach der Datenlage scheint es eine Korrelation mit arrhythmischen Ereignissen zu geben. Der psychische Distress, ein aus verschiedenen Variablen zusammengesetzter Parameter, ist nach Datenlage ebenfalls von Bedeutung. Für die Konstrukte Angst, unterdrückter Ärger, soziale Unterstützung, Wunsch nach Kontrolle und vitale Erschöpfung kann keine definitive Aussage gemacht werden, da sie zum Teil nur von einer Studie untersucht werden. Sie zeigen jedoch alle eine positive Korrelation zur Auslösung von Herzrhythmusstörungen. Von einer Relevanz des Typ A-Verhaltens kann man eher nicht ausgehen. Bei den Randthemen ist das Verhältnis von funktionellen Herzrhythmusstörungen zu relevanten Herzrhythmusstörungen erwähnenswert. So gibt es Hinweise, dass Patienten mit funktionellen Herzbeschwerden ängstlicher sind und sie erschienen hysterischer und stärker entfremdet im gesellschaftlichen Bereich. Jedoch werden bei Patienten mit relevanten Herzrhythmusstörungen ebenfalls oft die Beschwerden als psychisch abgetan. Als Forschungsdefizit fiel auf, dass die meisten guten Arbeiten zur Lebensqualität das Ziel haben, die Lebensqualität unter bestimmten Therapien zu bewerten. Originalarbeiten, die psychische Aspekte untersuchen, die bei Arrhythmiepatienten Einfluss nehmen auf die Lebensqualität oder das Befinden, gibt es nur wenige und es wird nur mit sehr kleinen Fallzahlen untersucht. Insgesamt fehlen größere, aussagekräftigere Studien dazu. Außerdem entsteht der Eindruck, dass viele Studien zur Lebensqualität Placebo-Effekte, z.B. der stärkeren Hinwendung zum Patienten bei bestimmten Therapien, nicht kontrollieren und schon gar nicht thematisieren. Es fehlen Untersuchungen, wo ausdrücklich geforscht wird, welche Komponenten bei hochsymptomatischen sowie auch mäßig symptomatischen Patienten mit supraventrikulären Rhythmusstörungen zur Besserung der Lebensqualität beitragen. Speziell zu den Arbeiten zu ventrikulären Arrhythmien wäre eine Untersuchung wünschenswert, inwieweit sich Patienten mit lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen nach Reanimation von Patienten mit lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen ohne Reanimation im Befinden, im kognitiven Erleben und in der Lebensqualität voneinander unterscheiden. Es müsste geklärt werden, ob die Reanimation ein so stark dominierender Faktor ist, dass er die kleineren Unterschiede zwischen Gesunden und Arrhythmiepatienten überlagert und verdeckt, wie es bei der vorliegenden Arbeit den Anschein hatte. Die Unterschiede von Frauen und Männern wurden von nur einer hochwertigen Arbeit zum Vorhofflimmern bearbeitet. Hier besteht noch Forschungsbedarf, da in anderen Feldern der Kardiologie durchaus Unterschiede im Erleben der Krankheit festgestellt wurden.
Die Distraktionsosteogenese bietet im Bereich der Zahnmedizin die Möglichkeit, Kieferanteile zu verlängern und zu verlagern. Basierend auf den grundlegenden Arbeiten von Gavrilo Ilizarov seit 1954 ist in den siebziger und achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts diese Methode von mehreren Autoren weiterentwickelt und von Karp 1989 erstmals am menschlichen Unterkiefer angewendet worden. Guerrero entwickelte dann die Möglichkeit, den Unterkiefer median zu distrahieren. Auf kieferorthopädischem Gebiet unterscheiden sich Distraktionsapparaturen zur medianen Unterkieferdistraktion in der aktuellen Anwendung durch ihre Verankerungen. Diese ist ossär fixiert und dental fixiert möglich. Beide Verankerungsarten haben Vor- und Nachteile. Zu den Vorteilen der ossär verankerten Apparatur zählen die direkte Einwirkung auf den Knochen und somit das Wirken der Kraft in der Nähe des Distraktionsspaltes. Nachteilig ist allerdings, dass der ossär verankerte Distraktor erst nach der chirurgischen Durchtrennung der Mandibula inseriert werden kann, dass es zu gingivalen Entzündungen an den Verankerungsschrauben oder zu parodontalen Schäden an Zähnen kommt, um die eine Verankerungsligatur geschlungen ist. Hauptsächlich treten jedoch schmerzhafte Dekubitalgeschwüre auf. Im Gegensatz zur ossär verankerten Apparatur ist bei der dental verankerten von Nachteil, dass ihre Kraft direkt nur auf Verankerungszähne wirkt und diese nach bukkal kippt. In der Regel handelt es sich bei den Verankerungszähnen um die ersten Prämolaren und Molaren des Unterkiefers. Dieser Nachteil kann durch eine leichte Überkorrektur kompensiert werden. Die vom Distraktor dental wirkende Kraft bewirkt eine Distraktion des Kallus im Osteotomiespalt und gleichzeitig eine bukkale Kippung der Verankerungszähne. Die vorliegende Studie untersuchte, wie hoch dieser dentale Anteil bei einer medianen Unterkieferdistraktion mittels einer dental fixierten Distraktionsapparatur war, am Beispiel von sechzehn Patienten. Messungen wurden im Mund vorgenommen, und zwar an der Distraktionsschraube sowie an speziell inserierten Messimplantaten, die als feste Referenzpunkte fungierten. Die gewonnenen Messwerte wurden in Messprotokollen festgehalten. Die Modelle der Patienten von Beginn der Distraktion und am Ende der Distraktion wurden vermessen. Alle Messungen wurden mit einer digitalen Schieblehre durchgeführt. Die Auswertung der Messergebnisse ergab im Durchschnitt einen dentalen Anteil der wirkenden Kraft von 29% und einen skelettalen Anteil von 71%. Die Vermessung der Modelle zeigte, dass bei einer durchschnittlichen Erweiterung der Distraktionsapparatur von 7,15 mm eine transversale Erweiterung des Zahnbogens im Bereich der ersten Prämolaren um 6,46 mm und im Bereich der ersten Molaren um durchschnittlich 4,74 mm erzielt worden war. Die vorliegende Untersuchung konnte zeigen, dass der dental verankerte Distraktor im Unterkiefer trotz dental wirkender Effekte gute Distraktionsergebnisse erzielte. Die Vorteile des dental verankerten Distraktors gegenüber der ossär verankerten Apparatur liegen in seiner geringeren Invasivität, da kein zweiter chirurgischer Eingriff nötig ist, und bieten dem Chirurgen bei der Trennung der Unterkiefersegmente eine gute Übersicht aufgrund der prächirurgischen Inserierbarkeit. Ebenso entfallen Entzündungen am Knochen und den umgebenden Weichgeweben. Im Vergleich zu früheren Schraubenapparaturen schränkt die zierlich gestaltete Variety®-Schraube den Zungenraum weniger ein und hat einen angenehmen Tragekomfort. Als biologischer Vorteil der Schraube erschien die relativ zu einer Hyrax-Schraube erhöhte Resilienz. Durch ihren Aufbau mit nur einem Führungsstab parallel zur Spindel (im Gegensatz zu zwei Führungsstäben bei der Hyrax-Schraube) waren leichte Bewegungen beider Unterkiefersegmente möglich, was die Knochenbildung günstig beeinflusste. Die mediane Unterkieferdistraktion ist als Behandlungsmöglichkeit bei transversalem Raummangel im Unterkiefer als Alternative zur klassischen Extraktionstherapie zu sehen und dieser zum Teil überlegen. Bei einem Raummangel ausschließlich im Unterkiefer muss zum Beispiel im Vergleich zur Extraktionstherapie keine Ausgleichextraktion im Oberkiefer vorgenommen werden. Es ist möglich, Knochen neu zu gewinnen, was Vorteile in Funktion und Ästhetik birgt. Die Auswahl der Therapieform ist aber immer individuell vom Behandler für den jeweiligen Patientenfall zu treffen.
Die endotheliale NO-Synthase (eNOS) ist im kardiovaskulären System der Hauptproduzent von Stickstoffmonoxid (NO). Studien deuten auf eine Beteiligung der eNOS im Krankheits-verlauf einer Leberzirrhose hin; zirrhotische Tiere zeigen eine reduzierte hepatische eNOS-Aktivität bei unveränderten Proteinmengen. Die reduzierte NO-Menge trägt zu einer Erhöh-ung des intrahepatischen Widerstandes und einer portalen Hypertonie bei. Inhibitoren und posttranslationale Modifikationen der eNOS wurden als auslösende Faktoren postuliert, aber auch am intrazellulären Transport der eNOS beteiligte Proteine könnten eine wichtige Rolle spielen. Ein solches ist das neue Protein NOSTRIN (“eNOS traffic inducer”), das über seine C-terminale SH3-Domäne an eNOS bindet und durch seine N-terminale FCH Domäne an Membranen assoziiert. In vorhergegangenen Studien wurde nur ein translatiertes Protein identifiziert, bezeichnet als NOSTRINalpha. In der vorliegenden Arbeit habe ich eine verkürzte Isoform entdeckt (NOSTRINbeta), die aus einem alternativen Spleißvorgang hervorgeht. Ihr fehlt fast die gesamte FCH Domäne, wodurch keine Membranbindung mehr stattfindet. Diese Isoform konnte nur in pathogenem Lebergewebe nachgewiesen werden. Untersuchun-gen mittels Western Blotting und qRT-PCR mit Proben aus Patienten mit Zirrhose, alkoholischer Hepatitis oder von gesunden Personen, zeigten eine deutliche Erhöhung der Expression beider NOSTRIN-Isoformen von gesundem zu zirrhotischem Gewebe. NOSTRINalpha mRNA-Mengen waren in zirrhotischen vs. gesunden Proben verdoppelt, und in Proben aus Patienten mit zusätzlicher Hepatitis verdreifacht. Dies deutet darauf hin, dass erhöhte Mengen von NOSTRINalpha zu einer Internalisierung und Inaktivierung der eNOS führen könnten. NOSTRINalpha und NOSTRINbeta wurden ebenfalls in Hep3B-Zellen auf Protein und mRNA-Ebene nachgewiesen, ihre Expression war durch Retinsäure zeit- und dosisabhängig stimulierbar. NOSTRINalpha lokalisiert an Plasmamembran und vesikulären Strukturen, NOSTRINbeta hingegen hauptsächlich im Zellkern, eine geringe Fraktion im Zytosol. Über Kartier-ungsstudien wurden zwei nuclear leading sequences (NLS) identifiziert, die den Transport in den Zellkern vermitteln, sowie eine Crm-1-abhängige nuclear export sequence (NES). Im EMSA konnte die Bindung von NOSTRINbeta an die Promotorregion des NOSTRIN-Gens gezeigt werden. Diese Ergebnisse legen eine Funktion von NOSTRINbeta als Transkriptionsfaktor nahe, evtl. innerhalb einer negativen Rückkopplung auf die NOSTRINalpha-Expression. Weiter-führende Studien sollen diesen potentiellen molekularen Mechanismus im Detail klären.
(1) Die genomweite Expressionsanalyse von salzadaptierten Zellen von M. mazei Gö1 identifizierte eine Reihe von salzregulierten Genen. Neben den beiden Operone ota und abl, die für die Akkumulierung von Glycin-Betain und Ne-Azetyl-b-Lysin verantwortlich sind, konnte ein ABC-Transporter (MM0953), der in seiner Genumgebung weitere Transporter sowie Proteine mit konservierten S-Layer-Domänen aufweist, als salzreguliert erkannt werden. Dies deutet auf ein S-Layer-Exportsystem hin, das eine Rolle in salzadaptierten Zellen spielen könnte. (2) Eine genomweite Expressionsanalyse von Zellen von M. mazei Gö1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach einem hyperosmotischen Schock auf 400 mM NaCl ermöglichte Einblicke in den Verlauf der Genexpression. Die Erhöhung der externen Osmolarität resultierte in der erhöhten Expression von Genen, die für die Aufnahme und Biosynthese von kompatiblen Soluten verantwortlich sind sowie von Genen deren Produkte regulatorische Funktion haben könnten. (3) Genomweite Expressionsanalysen von Zellen von M. mazei Gö1 nach einem hypoosmotischen Schock zeigten erhöhte Expression von Genen, die an der Regulation und an der generellen Stressantwort beteiligt sind. Gene, deren Produkte im Stoffwechsel wichtig sind – besonders Gene, die für Methylamin-Corrinoid-Methyltransferasen kodieren – erscheinen stark reprimiert. (4) Die Bestimmung der intrazellulären Ionenkonzentrationen zeigte ein unspezifisches Einströmen von den Ionen, die den osmotischen Schock auslösen sofort nach dem Schock, sowie den Ausstrom derselben Ionen im Verlauf von 5 Minuten. Die Ionenkonzentrationen der Ionen, die den Schock auslösten, blieben intrazellulär erhöht. Das Ein- und Ausströmen der Ionen nach einem hyperosmotischen Stress ist nicht energieabhängig. (5) M. mazei akkumulierte nach einem hyperosmotischen Schock kein K+, zeigte aber eine erhöhte intrazelluläre Konzentration dieses Ions, wenn die Zellen in Medium mit erhöhter Osmolarität angezogen wurden. (6) Durch hyperosmotische Schocks mit verschiedenen Salzen und Zuckern konnte gezeigt werden, dass die kurzzeitige Akkumulation von Ionen keine gerichtete Antwort auf den osmotischen Stress ist. (7) Es konnte weiters gezeigt werden, dass Zellen von M. mazei Gö1, die mit dem kompatiblen Solut Betain inkubiert wurden, nach einem hyperosmotischen Schock K+ akkumulieren. Dies bedeutet möglicherweise eine K+-abhängige Regulation des Glycin-Betain-Transporters. (8) Die Funktion der drei im Genom kodierten Na+/H+-Antiporter konnte auf transkriptioneller Ebene nicht geklärt werden. Trotzdem zeigt ein Hydrophobizitätsplot des Proteins eine mögliche Beteiligung von Nha1 (MM0294) an der Osmoregulation durch eine hydrophile C-terminale Domäne. (9) Nach einem hyperosmotischen Schock von 38,5 auf 400 mM NaCl erhöhte sich die intrazelluläre Konzentration an Glutamat, das in M. mazei als kompatibles Solut fungiert, bereits nach drei Stunden. Zellen, die bereits an die erhöhte Salzkonzentration adaptiert waren, enthielten 1,4 μmol Glutamat/mg Protein. (10) Die Glutamin-Synthetase zeigte eine erhöhte Transkription nach einem hyperosmotischen Schock. Das Protein wird aber nicht salzabhängig produziert und zeigt keine Enzymaktivität. Die Biosynthese des Solutes über eine Glutamat-Dehydrogenase ist die wahrscheinliche Alternative. (11) Aufgrund der generierten Expressionsprofile und der physiologischen Daten konnte ein Modell der Osmoadaptation in Methanosarcina mazei Gö1 erstellt werden.
Das genetische Material der Zellen besteht aus Molekülketten der Desoxyribonukleinsäure (DNA), die ein Träger der Erbinformation ist. In normalen Körperzellen wird die Erbinformation der DNA in eine andere Molekülkette, die sogenannte Ribonukleinsäure (RNA), übersetzt. Die RNA reguliert die Bildung von neuem Protein in der Zelle. Dass die RNA nicht bloß ein „Stempel“ ist, der die Informationen der DNA weitervermittelt, darin sind sich die Experten heute einig. RNA-Moleküle können Informationen speichern, katalytische Aktivitäten entfalten, sich perfekt tarnen, und sie regulieren auch als Produkt ihre eigene Synthese. Manche Viren enthalten ebenfalls RNA (oder DNA) und können so den Produktionsapparat der Zelle täuschen. Erkenntnisse über die Wechselwirkung dieser RNA mit natürlichen und synthetischen Liganden können zur Suche nach potentiellen Wirkstoffen beitragen. Nukleinsäuren sind lineare Biopolymere von grundlegenden Untereinheiten, die Nukleotide genannt werden und aus Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G), Urazil (U), und Thymin (T) zusammengesetzt sind. Sie sind jedoch in der Lage sich zu falten und so eine Doppel-Helixstruktur auszubilden. Diese besteht größtenteils aus den bekannten "Watson-Crick-Basenpaaren" (G-C und A-U oder A-T), die zur Stabilität der Struktur beitragen, sowie aus den weniger stabilen G-U-Paaren. Durch die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Sekundärstrukturelementen entstehen Tertiärstrukturelemente, deren Struktur und Dynamik oft nur schwer experimentell zu bestimmen sind. Fortschritte in der RNA-Strukturanalyse wurden durch Röntgenkristallographie und Kernresonanzspektroskopie (NMR) möglich. Durch die Röntgenkristallographie wurden viele RNA-Eigenschaften festgestellt. Allerdings besteht keine Kristallstruktur für alle mögliche Einzelnfaser-RNA-Haarnadeln, weil diese immer dazu neigen, in eine linearen doppelte Faserform zu kristallisieren, die geringe biologische Bedeutung hat. Außerdem wurde mit Hilfe der NMR-Spektroskopie das dynamische Verhalten von RNA, z.B. Entfaltungsprozesse bei ansteigender Temperatur, beobachtet. Jedoch erlauben diese experimentellen Daten oft keine direkte mikroskopische Beschreibung der molekularen Prozesse. Molekulardynamik (MD)-Simulationen von biologischen Systemen ermöglichen es hingegen, diese Prozesse in atomischem Detail zu untersuchen. Die MD-Simulation beschreibt ein molekulares System auf atomarer Ebene mit Hilfe der klassischen Mechanik. Kräfte werden von empirischen Potentialen abgeleitet. Sie liefern zeitabhängige Trajektorien, die sich aus den Newton'schen Bewegungsgleichungen ergeben. Durch verbesserte Computerleistung, bessere Kraftfelder, und neu entwickelte genauere Methoden stimmen heutzutage MD-Simulationen von RNA mit experimentellen Daten immer besser überein. In meiner Doktorarbeit wurden MD-Simulationen durchgeführt um die Dynamik, die Struktur und insbesondere die Stabilität von RNA-Hairpins theoretisch zu beschreiben, um so ein erweitertes Verständnis für die dynamischen Vorgänge zu erhalten. Auch der SFB 579 der Universität Frankfurt beschäftigt sich mit RNA-Systemen. Erforscht wird unter anderem der D-Loop des Coxsackievirus B3 (CVB3), der Virenmyocarditis verursacht. Die Interpretation dieser experimentellen Daten wird durch MD-Simulation möglich. In dieser Arbeit wurden das GROMACS Software-Paket und das AMBER Kraftfeld verwendet, um das strukturelle, dynamische und thermische Verhalten der RNA-Hairpins mit Hilfe von MD-Simulationen auf atomarer Ebene zu untersuchen. Betrachtet wurden die 14-mer RNA-Hairpins, uCACGg und cUUCGg. Die verfügbaren NMR-Strukturen zeigen, dass das uCACGg-Tetraloop auffallend ähnlich in der gesamten Geometrie und den Wasserstoffbindungen zu der experimentellen Struktur des cUUCGg-Tetraloop ist, obwohl die schließende Basenpaarsequenz der beiden Tetraloops unterschiedlich sind. Trotz beachtlicher struktureller Ähnlichkeit unterscheiden sich allerdings die uCACGg und cUUCGg Tetraloops in Funktionalität und Thermostabilität. Zunächst orientiert sich unser erstes Bemühen an der Frage nach einem guten Modell für RNA-Hairpins und Simulationsbedingungen, um die zu untersuchenden RNA-Hairpins in Wasser möglichst realitätsnah zu simulieren. Erstens werden drei Versionen des biomolekularen AMBER-Kraftfelds geprüft, indem man die 60 ns Simulationen des 14-mer uCACGg-Hairpins durchführt. Die simulierten strukturellen Eigenschaften und Atomfluktuationen zeigen hohe Ähnlichkeiten in den drei Kraftfeldern. Darüber hinaus stimmen die von MD-Simulationen berechneten Atomkernabstände mit den experimentellen NMR-Daten gut überein. Die gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den strukturellen NMR Daten belegt die Fähigkeit des AMBER-Kraftfelds zur Beschreibung der strukturellen Eigenschaft von kleinen RNA-Hairpins. Anschließend werden die Einflüsse der Methoden, welche die langreichweitigen, elektrostatischen Wechselwirkungen beschreiben, auf die strukturellen Eigenschaften untersucht. Insbesondere werden die Ergebnisse der Reaktionfeld-Methode mit denen der Particle Mesh Ewald (PME)-Methode verglichen. Es zeigt sich, dass die PME-Methode die elektrostatischen Wechselwirkungen am besten beschreibt, auch wenn die Simulationen der beiden Methoden Ähnlichkeit in der Struktur-Stabilität und der Atomfluktuation bei niedriger Natriumkonzentration aufweisen. Drittens wird der Kationseffekt auf die RNA-Stabilität untersucht. Betrachtet wurden zwei unterschiedliche Kationen (ein- und zweiwertig) und verschiedene Konzentrationen. Die Simulationen weisen darauf hin, dass sich die Metallionen in der Affinität zum RNA-Hairpin unterscheiden, wenn Na+ und/oder Mg2+ als Gegenionen verwendet werden. Weiterhin wird gezeigt, dass sich die bevorzugten Positionen der Na+-Ionen in der großen Furche (major groove) des RNA-Hairpins befinden. Insbesondere die Anlagerungsort der Na+-Ionen liegen in der Nähe des schließenden Basenpaar U5-G10. Im Vergleich zu Na+-Ionen lagern sich Mg2+-Ionen sowohl an die RNA-Basen U3, A4-U11, und die Phosphat-Gruppe, als auch an das schließenden Basenpaar U5-G10 an. Bestätigt werden die Modelle und Simulationsbedingungen durch den Vergleich von Parametern, die sowohl experimentell als auch durch Simulationen ermittelt werden können. Ferner erlauben MD-Simulationen Einblick in das System, indem sie detallierte Konformations- und andere Verteilungen liefern. In der vorliegenden Arbeit wurden die Einflüsse der Loopsequenz und des schließenden Basenpaares auf die Verteilung der Konformationen, der internen Bewegungen, und auf die Thermostabilität von zwei RNA-Hairpins mit Hilfe dieser Modelle untersucht. Zunächst wurden die strukturellen Eigenschaften bei Raumtemperatur ausgewertet. Die starken strukturellen Ähnlichkeiten und die gute Übereinstimmung mit NMR-Daten bestätigen die Hypothese, dass die zwei Tetraloops zur gleichen “erweiterten” RNA-Familie gehören. Diese zwei Hairpins haben ähnliche Lösemittelzugängliche Oberflächen (solvent accessible surface), wobei deren Lösemittel zugänglichen funktionellen Gruppen unterschiedlich sind. Weiterhin weist das uCACGg-Hairpin eine stärkere Tendenz auf Wasserstoffe abzugeben als das cUUCGg-Hairpin, was in den unterschiedlichen Bindungsaffinitäten zwischen diesen Hairpins und der viralen Protease begründet liegt. Darüber hinaus wurde der Faltungs- und Entfaltungsprozess mit Hilfe der Replica-Exchange-Molekulardynamik-Simulationen untersucht. Diese Untersuchung zielt auf das bessere Verständnis der unterschiedlichen Thermostabilität der Hairpins, indem sie die möglichen Zwischenprodukte im atomaren Detail liefern. Sowohl experimentell als auch von den MD-Simulationen ergibt sich eine Differenz in den Schmelztemperaturen der beiden Hairpins von ungefähr 20 K. Allerdings sind die von MD beobachteten Schmelztemperaturen 20 % höher als die von Experiment zu ansehende Wert. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Schmelztemperaturdifferenz nicht auf die Unterschiede in der Sequenz, in der Struktur, oder in der Dynamik der Loops zurückführen sind, sondern auf die Unterschiede der Basenpaaren in den Stämmen. Weiterhin wird gezeigt, dass sich das uCACGg-Hairpin einerseits kooperativ entfaltet, und die Entfaltung des cCACGg-Hairpins anderseits weniger kooperativ stattfindet. Um die schnelle interne Dynamik der uCACGg- und cUUCGg-Hairpins zu untersuchen, erlauben die Simulationen von 50 ns eine akurate Beschreibung der schnellen internen Bewegung der RNA-Hairpin, obwohl der den Hairpins zugängliche Konformationsraum nicht vollständig abgedeckt wird. Die NMR-Relaxationsparameter, die mit Hilfe der MD-Simulationen zurückgerechnet wurden, bestätigen das Modell und die Simulationsbedingungen der MD-Simulationen. Im Hinblick auf die Übereinstimmung kann man den besten Ansatz zur Berechnung der NMR-Ordnungsparameter bestimmen. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Ansätze angewandt, nämlich das Fitting von 100 ps auf modellfreiem Ansatz nach Lipari-Szabo, equilibrium average, und das Gaussian Axial Fluctuation (GAF)-Modell. Die zwei letzteren können nur qualitativ mit den experimentellen Daten übereinstimmen. Die NMR-Ordnungsparameter können mit Hilfe des Modells von Lipari-Szabo richtig ermittelt werden, wenn sich die interne Bewegung in kleineren Zeitskalen als zur Gesamtbewegung vollzieht. Vorausetzung für die Berechnung dieses Modells ist aber, dass das Fitting der internen Korrelationsfunktionen nur auf den ersten Teil von 100 ps der Korrelationsfunktionen eingesetzt wird. Die berechneten Ordnungsparameter deuten auf ein unterschiedliches Verhalten der beiden Hairpins besonders im Loop-Bereich hin. Die konformationelle Umordnung, die beim UUCG-Loop beobachtet wurde, tritt beim CACG-Loop nicht ein. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es durch den Einsatz von MD Simulationen ermöglicht wird, die strukturellen und dynamischen Eigenschaften der RNA-Systeme auf atomarer Ebene zu untersuchen. Als Schlussfolgerung zeigt diese Doktorarbeit, dass sich die Studie der konformationell Dynamik der RNA-Systeme durch die Kombination aus MD-Simulation und NMR-Spektroskopie sowie der Leistungsfähigkeit der MD-Simulationen, die die interne Bewegungen deutlich beschreiben können, untersuchen lässt.
Lichtsensitive Proteine bzw. Photorezeptoren eignen sich hervorragend für das Studium des Zusammenhangs von Proteinstruktur und –funktion. Lichtrezeptorproteine werden leicht durch Licht angeregt, wodurch eine gute Zeitauflösung für deren Untersuchung erreicht werden kann. Weiterhin sind sie als Signalproteine während der Etablierung des aktiven Zustandes und dessen Zerfalls großen konformationellen und strukturellen Änderungen unterworfen. Ausgehend von diesen Eigenschaften wurde bereits eine große Zahl von Lichtrezeptorproteinen genauer untersucht. Diese vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit lichtinduzierten konformationellen Änderungen in Membranproteinen. Dafür wurden drei verschiedene Systeme herangezogen: das kleine α-helikale Peptid Gramicidin A, der G-Protein gekoppelte Rezeptor Rhodopsin and die BLUF (blue light using FAD) Domäne des hypthetischen Membranproteins Blrp (blue-light regulated phosphodiesterase) aus E. coli. Gramicidin A (gA) ist ein aus dem Bodenbakterium B. brevis isoliertes Antibiotikum, das Transportkanäle für einwertige Kationen wie Lithium, Natrium und Kalium ausbildet. Gelöst in Detergenzmizellen, wurde für gA unerwartet eine Wechselwirkung mit Blaulicht fest gestellt (Abbildung 1). Diese Beobachtung wurde mit statischen und zeitaufgelösten NMRspektroskopischen Methoden genauer untersucht und ist in Kapitel 2 näher beschrieben. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wird postuliert, dass einer der Tryptophanreste (Trp9) eine lichtinduzierte konformationelle Änderung erfährt. Ausgehend von der Konformation in Lösung befindet sich die Seitenkette von Trp9 in einem Gleichgewicht (70:30) mit einer zweiten Konformation. Bei der zweiten Konformation handelt es sich möglicherweise um die Orientierung, die der Tryptophanrest unter Festkörper-NMR Bedingungen einnimmt. Die Lebensdauer der neuen Konformation beträgt in etwa eine Sekunde. Der G-Protein gekoppelte Rezeptor Rhodopsin ist verantwortlich für die Verarbeitung von Lichtsignalen in den Stäbchenzellen der Retina. Die Absorption eines einzelnen Photons führt zur Isomerisierung des kovalent gebundenen Chromophors 11-cis-Retinal, wodurch konformationelle Änderungen im Protein veranlasst werden. Der aktivierte Metarhodopsin II (MetaII) Zustand induziert eine Enzymkaskade und schließlich einen Nervenimpuls, das Säugern das Kontrastsehen ermöglicht. Eine große Bandbreite an hochauflösenden NMRspektroskopischen Methoden, (einschließlich zeitaufgelöster und Festkörper-NMR Methoden) wurde im Laufe dieser Arbeit angewandt, um Konformation und Dynamik von bovinem Rhodopsin näher zu untersuchen. In Kapitel 3.1 sind zu Beginn mehrere Optimierungsschritte im Hinblick auf ein kostengünstiges, isotopenmarkiertes Säugerzellenmedium beschrieben. In diesem Zusammenhang wurden mehrere Rhodopsin NMR-Proben hergestellt, wobei der Gehalt an isotopenmarkierten Aminosäuren ca. 50% betrug. Anhand dieser Proben konnte bewiesen werden dass sich mit Lösungs-NMR-Spektroskopie auch sehr große, in Detergenzmizellen stabilisierte Membranproteine (~150 kD Gesamtmasse) detailliert studieren lassen. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf den C-Terminus, für den nach sequentieller Zuordnung (Abbildung 2a) und heteronuklearern Relaxationsmessungen ein Mobilitätsverhalten bestimmt wurde, das dem mittelgroßer Proteine ähnelt. Des Weiteren konnten keinerlei definierte Strukturelemente innerhalb des C-Terminus identifiziert werden, u.a. durch einen Vergleich mit eines 19mer Peptids, dessen Primärsequenz des Rhodopsin C-Terminus entspricht (Abbildung 2a und 2b). In Kapitel 3.2 wird die nichtinvasive Zuordnung der Rückgratresonanzen aller fünf Trytophane mit Hilfe einer Kombination aus Lösungs- und Festkörper-NMR beschrieben. Dazu wurden verschiedene Rhodopsinproben hergestellt, die alle möglichen 13C’i-1-Carbonyl/15Ni-Tryptophan isotopenmarkierten Amidpaare enthielten. Eine Teilzuordnung der Tryptophanindolsignale konnte in Lösung durch Protonen-/Deuteriumaustausch und heteronukleare Relaxationsmessungen erreicht werden. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Kombination aus Lösungs- und Festkörper-NMR-Spektroskopie sehr gut geeignet ist um komplementäre Informationen zu strukturellen und dynamischen Eigenschaften von Rhodopsin zu liefern. Fehlende Zuordnungen in den Lösungspektren konnten durch den Verglich mit Festkörperspektren ergänzt werden und umgekehrt (Abbildung 3). In Kapitel 3.3 ist die erfolgreiche Adaption der zeitaufgelösten NMR-Spektroskopie für die Untersuchung des Rhodopsin MetaII Zerfalls in vitro beschrieben. Die zeitaufgelösten protonendetektieren NMR-Experimente wurden mit unmarkiertem, in Detergenzmizellen stabilisiertem Protein bei verschiedenen Temperaturen aufgenommen, wobei sich die anschließende Auswertung auf die stark tieffeldverschobene Indolregion konzentrierte (Abbildung 4). Für die berücksichtigten Signale traten nach Induktion des aktivierten Zustandes deutliche chemische Verschiebungsänderungen auf, außerdem zeigten sie unterschiedlich schnellen MetaII Zerfall. Zusätzlich zu der erwarteten Zeitkonstante des MetaII Zerfalls (~6 min bei 298 K) konnte erstmalig eine zweite, ca. zehnmal langsamere Zeitkonstante bestimmt werden. Diese zweite Zeitkonstante ist möglicherweise ein Ausdruck für die langsame Entfaltung von Sekundärstrukturelementen nach dem Zerfall des Proteins in Opsin und Retinal. Die BLUF-Domänen verwenden Flavinadeninnukleotid (FAD) als Chromophor und gehören zu der Familie der Blaulichtrezeptoren. In Kapitel 4 wird die Untersuchung des lichtadaptierten Zustandes der E. coli BLUF Domäne auf Protein- und Ligandenebene mit zeitaufgelösten proton- und phosphordetektierten NMR-Experimenten beschrieben. In Abbildung 5 sind die statischen Licht- und Dunkelspektren (jeweils licht- und dunkeladaptiert) dargestellt. Im Folgenden konnte durch Beobachtung der Dunkeladaption bei verschiedenen Temperaturen die Aktivierungsenergie des Lichtzustandes bestimmt werden. Des Weiteren wurden zum ersten Mal phosphordetektierte NMR-Experimente erfolgreich angewandt, um einen biologisch relevanten Vorgang zeitabhängig näher zu bestimmen.
Viele aerobe Organismen besitzen eine NADH:Ubichinon Oxidoreduktase, ein Enzym, welches der Haupteintrittspunkt für Elektronen in die Atmungskette darstellt. An den Elektronentransfer ist die Protonentranslokation vom Zytosol in den Intermembranenraum der Mitochondrien gekoppelt. Störungen des mitochondrialen Energiestoffwechsels bedingen Mitochondriopathien. Der Befall verschiedener Organsysteme, v.a. denjenigen mit hohem Energiestoffwechsel (Gehirn, Skelettmuskel, Retina, Myokard), verursacht multiple Symptome, was für diese Erkrankungen bezeichnend ist. Die Aufklärung der exakten Funktionsweise eines Enzyms bedarf der Kenntnis über seine räumliche Struktur. Diese lässt sich zur Zeit für ein Protein dieser Größe nur mittels Elektronenmikroskopie an zweidimensionalen Kristallen oder durch Röntgenkristallographie an dreidimensionalen Einkristallen realisieren. Das Ziel und die Herausforderung dieser Arbeit galt der Kristallisation und Strukturanalyse der NADH:Ubichinon Oxidoreduktase, eines der größten Membran-proteinkomplexe. Mit Hilfe der Kristallisation sollten Auskünfte über die Struktur und Rückschlüsse auf seine Funktion, sowie weitere Einblicke in die Bedeutung dieses Proteinkomplexes ermöglicht werden. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen eine L-förmige Struktur des Enzyms mit einem peripheren Arm, der in die mitochondriale Matrix ragt, und einem Membranarm, der in der Lipiddoppelschicht angeordnet ist. In beiden Armen befinden sich insgesamt bis zu 46 Untereinheiten des Enzymkomplexes. Die NADH-Bindungsstelle und alle bekannten Redoxgruppen (FMN, bis zu neun FeS-Zentren) liegen im peripheren Arm. Der Winkel zwischen beiden Armen ist variabel. Mit dem Ziel Komplex I in seiner Gesamtheit zu kristallisieren, wurden Antikörperfragmente zur Ko-Kristallisation eingesetzt. Die Βedeutung der Fv-Fragmente, als kleinste antigenbindende Domäne eines Antikörpers, liegt in der Vergrößerung der hydrophilen Oberfläche. Es wurden Fv-Fragmente gegen die NADH:Ubichinon Oxidoreduktase aus Yarrowia lipolytica erzeugt und ihre Eignung für die Kristallisation überprüft. Die Klonierung und Expression erfolgte in Escherichia coli. Es zeigte sich durchweg nur ein sehr niedriges oder auch vollkommen unbefriedigendes Expressionsniveau der Fv-Fragmente. Nach gezielter Mutation konnte bei dem Klon Y30C12 eine Expressionssteigerung erreicht werden, welche allerdings für Kristallisationsversuche noch immer unzureichend war. Mit dem Klon Y34C10 konnte in Expressionsversuchen eine ausreichende Menge an Fv-Fragmenten gewonnen werden. Mit diesen Fv-Fragmenten gelang auch die Einschrittreinigung an der Streptavidin-Sepharosesäule und es konnten Bindungs- und Kristallisationsversuche mit Komplex I unternommen wurden. Durch eine FPLC-Gelfiltration konnte ein stöchiometrischer 1:1 Komplex aus der NADH:Ubichinon Oxidoreduktase und dem Fv-Fragment Y34C10 gewonnen werden, welcher bei der Suche nach geeigneten Kristallisationsbedingungen eingesetzt wurde. Eine Kristallisation des Komplexes gelang unter den ausgewählten Bedingungen mit diesem Komplex jedoch noch nicht. Dennoch eignen sich die Klone Y34C10 und Y30C12-M für weitere Studien, die eine Expressionssteigerung durch Punktmutationen in der schweren und leichten Kette (siehe unter 4.3) beinhalten sollten. Zum anderen besteht die Wahrscheinlichkeit den Kristallisationserfolg durch breite Variation der Bedingungen zu erhöhen. ...
Plattenepithelkarzinome des oberen Aerodigestivtraktes (SCCHN) sind Karzinome, die in den westlichen Industrienationen mit dem sechsten Rang in den Tumorstatistiken recht häufig sind. Ihre Inzidenz ist positiv mit einem erhöhten Tabak- und Alkoholkonsum und dem männlichen Geschlecht korreliert. Die Standardtherapie besteht in der Regel in einer operativen Sanierung und einer adjuvanten Radio- beziehungsweise Radio-Chemotherapie. Eine Induktionschemotherapie verspricht fortgeschrittene Primärtumoren und Tumoren vor einer operativen Intervention zu verkleinern. Jedoch besteht hierbei immer noch das Problem der hohen Rezidivfreundlichkeit dieser Tumoren, die wahrscheinlich mit der hohen Anzahl an G0-Phase-Zellen korreliert ist. Die vorliegende Arbeit hat die Frage untersucht, ob es möglich ist mit einer vorgeschalteten Stimulation durch Wachstumsfaktoren die Anzahl der G0-Phase-Zellen signifikant zu reduzieren und dadurch die gesamte Population der Tumorzellen sensibler für eine chemotherapeutische Intervention zu machen. Hierbei wurden besonders die Wachstumsfaktoren EGF und Serotonin als Stimulus verwendet. Die untersuchten Chemotherapeutika waren Mab425 und ZD1839, die die Signaltransduktion über einen EGFR-vermittelten Weg blockieren, sowie Docetaxel und Cisplatin, die als zytotoxische Substanzen wirksam sind. Die Untersuchungen wurden in vitro an drei Zelllinien durchgeführt. Detroit-562 und A431 bezogen wir von ATCC. Die Zelllinie UMSCC-10B wurde uns freundlicherweise von Thomas Carey von der University of Michigan zur Verfügung gestellt. Im Rahmen von Sondierungsversuchen stimulierten die Zellen mit IL-6, Serotonin, EGF und GCSF und fanden mit Hilfe der FACS-Analyse heraus, dass eine Kombination von EGF und Serotonin zur am stärksten ausgeprägten Stimulation der von uns untersuchten Zellen führte. In einem dreiphasigen Versuchsablauf wurden vier verschiedene Probengruppen untersucht. Zum einen eine Kontrollgruppe, die weder stimuliert noch chemotherapiert wurde. Eine Gruppe, die vor einer chemotherapeutischen Intervention mit Serotonin und EGF stimuliert wurde. Eine weitere Gruppe, die ausschließlich mit Serotonin und EGF stimuliert wurde und eine Gruppe, die nur eine Chemotherapie erhielt. Nach der Kultivierung der entsprechenden Proben, wurden die Zellen geerntet und zur Weiterverarbeitung vorbereitet. Es wurde mit Hilfe der Western-Blot-Analyse die Aktivität der Proteine untersucht, die an der über EGFR vermittelten Signaltransduktion beteiligt sind. Dazu wurden Antikörper gegen Proteine der Signaltransduktion eingesetzt, die dann mit Hilfe von zweiten Antikörpern erkannt wurden. Zum anderen wurden immunhistochemische Zellausstriche angefertigt mit einer Antikörperfärbung gegen das Kernprotein Ki-67, die uns zwischen proliferierenden und nichtproliferierenden Zellen unterscheiden ließ. Es erfolgte eine Auswertung der Gesamtzellanzahl bezogen auf die Reduktion der G0-Phase-Zellen. Die statistische Auswertung erfolgte mittels des Mann-Withney-U-Tests und des Wilcoxon- Tests. Hierbei lag das Signifikanzniveau bei 5%. Als Ergebnis kann man festhalten, dass eine signifikante Reduktion der Anzahl an G0-Phase-Zellen bei einer Vorstimulation und anschließender Chemotherapie durch Docetaxel oder Cisplatin zu beobachten war. Eine chemotherapeutische Intervention durch Mab425 und ZD1839 führte zwar zu einer Reduktion der Zellanzahl, aber nicht zu vergleichbar signifikanten Ergebnissen wie bei einer Intervention mit Docetaxel oder Cisplatin. Hieraus lässt sich der Schluss ableiten, dass eine chemotherapeutische Intervention auf Basis einer Blockade der durch EGFR vermittelten Signaltransduktion nicht ausreichend ist, es also einer zytotoxischen Komponente bedarf, um die Gesamtzellzahl signifikant zu reduzieren. Trotzdem nicht bei allen untersuchten Chemotherapeutika eine signifikante Reduktion der G0-Phase-Zellen beobachtet werden konnte, zeigten unsere Untersuchungen zum ersten Mal, dass durch eine Stimulation mit Wachstumsfaktoren vor einer chemotherapeutischen Intervention, die Sensibilität der Tumorzellen bei SCCHN für eine Chemotherapie durch eine Reduktion der G0-Phase-Zellen erhöht wird.
Das Hauptrisiko einer transfusionsbedingten Übertragung von Pathogenen fokussiert sich gegenwärtig auf bakterielle Infektionen. Dem gegenüber steht ein um den Faktor 1000 bis 10.000 reduziertes virales Restinfektionsrisiko durch transfusionsmedizinisch relevante Viren (HBV, HCV und HIV-1). Bedingt durch die analytische Sensitivität jeder Nachweismethode, kann die zusätzliche Einführung neuer Nachweismethoden nicht zu einer 100%igen Sicherheit führen. Prinzipiell ist jedoch auf der Basis der vorliegenden Studienergebnisse ein Schnelltest zum Bakteriennachweis einer Kulturmethode vorzuziehen. Schnelltestmethoden bieten die Möglichkeit, Probenvolumina zu einem späteren Zeitpunkt zu entnehmen. Dadurch kann eine Probenfehler (sample error) reduziert werden. Folgende bakterielle Schnelltestmethoden wurden synoptisch miteinander verglichen: Die Real-time PCR-Methode zeichnet sich durch die höchste analytische Sensitivität aus. Die FACS-TM-Methode besticht durch die einfache Anwendung, sowie das schnell verfügbare Testergebnis. Fraglich positive Proben können nach 4 – 8 Stunden erneut getestet werden. Die Scansystem-TM-Methode zeichnet sich dadurch aus, dass Thrombozyten in Mini-Pools (bis zu 3 Proben pro Pool) analysiert werden. Da im europäischen Umland die Anzahl der Länder zunimmt, die eine Sterilitätstestung auf bakterielle Kontaminationen bei Thrombozytenkonzentraten durchführen, wird noch 2007 vom Paul-Ehrlich-Institut (Bundesoberbehörde) ein Stufenplan erwartet. Dieser wird voraussichtlich ein Verfahren zur Reduktion des bakteriellen Kontaminationsrisikos (Testung oder alternativ Pathogeninaktivierung) vorschreiben.
The removal of apoptotic cells (AC) can be regarded as an integral component of the program to terminate inflammation. Clearance of AC by professional phagocytes such as macrophages induces an anti-inflammatory phenotype in the latter ones. Anti-inflammatory or M2 polarization is also observed in macrophages infiltrating certain human tumors. These tumor-associated macrophages (TAM) contribute actively to tumor progression by promoting immune evasion, angiogenesis and tumor cell survival. The aim of my Ph.D. thesis was to approach the mechanisms as well as the characteristics of macrophage phenotype alterations induced by AC, and to elucidate a possible connection between tumor cell apoptosis and TAM generation. In the first part of my studies, I investigated the impact of AC on macrophage viability. I could show that macrophage survival against pro-apoptotic agents increased after the interaction with AC. Protection of macrophages against cell death required activation of phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K), extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) and Ca2+ signaling, and correlated with Bcl-XL and Bcl-2 up-regulation as well as Ser136-Bad phosphorylation. Unexpectedly, neither phagocytosis nor binding of apoptotic debris to the phagocyte was necessary to induce protection. AC released the bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P), dependent on sphingosine kinase (SphK) 2, as a survival messenger. These data indicated an active role of AC in preventing cell destruction in their neighborhood. My next aim was to elucidate the mechanism of S1P production by AC. During cell death, SphK 2 was cleaved at its N-terminus by caspase-1. Thereupon, the truncated but enzymatically active fragment of SphK 2 was released from cells. This release was coupled to phosphatidylserine exposure, a hallmark of apoptosis and a crucial signal for the phagocyte/apoptotic cell interaction. Thus, I observed a link between common signaling events during apoptosis and the extracellular production of S1P, which is known to affect immune cell attraction and polarization as well as angiogenesis in cancer. In the next part of my studies, I asked for a correlation between tumor cell apoptosis and TAM polarization. During co-culture of human macrophages with human breast cancer carcinoma cells (MCF-7), the latter ones were killed, while macrophages acquired an alternatively activated phenotype. This was characterized by decreased tumor necrosis factor (TNF)-α; and interleukin (IL)-12-p70 production, but increased formation of IL-8 and IL-10. Alternative macrophage activation required tumor cell death, because a co-culture with apoptosis-resistant colon carcinoma cells (RKO) or Bcl-2-overexpressing MCF-7 cells failed to induce phenotype alterations. These phenotype alterations were also achieved with conditioned media from apoptotic tumor cells, which again argued for a soluble factor being involved. Knock-down of SphK2, but not SphK1, to attenuate S1P formation in MCF-7 cells, repressed the otherwise observed alternative macrophage polarization during co-culture. Furthermore, macrophage polarization achieved by tumor cell apoptosis or substitution of authentic S1P was characterized by suppression of pro-inflammatory nuclear factor (NF)-κB DNA binding. These findings suggested that tumor cell apoptosis-derived S1P contributes to the macrophage polarization present in human tumors. To validate these in vitro data, I used an in vivo tumor model to clarify the relevance of SphK2 and S1P in tumor development. The growth of, as well as blood vessel infiltration into SphK2 knock-down MCF-7 (MCF-7-siSphK2) xenografts in nude mice was markedly decreased in comparison to control MCF-7 xenografts. In contrast, macrophage infiltration was similar or even more pronounced. These data provided a first hint for an in vivo role of SphK2-derived S1P in macrophage polarization associated with tumor promotion. In summary, these data indicate a new mechanism how AC themselves shape macrophage polarization, which results in the termination of inflammatory responses and macrophage survival. Furthermore, my studies present evidence that human tumors may utilize this mechanism to foster growth via increased angiogenesis.
mRNA-Abbau ist ein essentieller Prozess der Genexpression, der den Zellen ermöglicht, die Qualität und die Quantität der mRNA zu kontrollieren. Besonders unter Stressbedingungen könnte der mRNA-Abbau eine bedeutende Rolle neben der Speicherung von mRNAs sowie der Regulation der Proteinhomöostase zum Schutz vor schädigenden Einflüssen spielen. Studien mit Hefen und Säugerzellen zeigten, dass dem 5'-3'mRNA-Abbau ein wichtige Rolle sowohl unter normalen Bedingungen als auch unter Stressbedingungen zukommt und dieser in zytoplasmatischen Processing bodies (P-bodies) stattfindet. Im Rahmen dieser Arbeit sollten Erkenntnisse über den 5'-3'mRNA-Abbau erhalten werden. Im Vordergrund stand die Frage nach der Existenz von P-bodies in Arabidopsis thaliana und die Identifikation und Charakterisierung deren Komponenten. Weiterhin sollten Erkenntnisse über die Rolle der P-bodies unter Stressbedingungen gewonnen werden. Dabei sollten besonders Informationen über die Beziehungen zwischen den P-bodies und RNA Stressgranula (mRNA Speicherkompartimente) und Hitzestressgranula (Regulation der Proteinhomöostase) erhalten werden. Das komplette sequenzierte Genom von Arabidopsis thaliana eignete sich zur Identifikation von mRNA-Abbauproteine kodierender Gene. Unter Verwendung von Aminosäuresequenzen bereits bekannter mRNA-Abbauproteine aus Hefe und Säugerzellen konnten Homologe für die Decappingproteine Dcp1 und Dcp2 sowie für die Proteine LSm1,2,5,8 als Untereinheiten des LSm1-7 Komplexes, welcher an der Regulation der Decappingreaktion beteiligt ist, identifiziert werden. Über Hefe-Zwei-Hybrid Analysen konnten anschließend Protein-Protein-Interaktionen zwischen den untersuchten Proteinen identifiziert werden. Weiterhin konnte unter Einsatz der BIFC-Analyse gezeigt werden, dass die Interaktionen zwischen den untersuchten Proteinen hauptsächlich in zytoplasmatischen Strukturen stattfanden. Aufbauend auf diesen Befunden wurde ein Antikörper gegen Dcp1 als Marker für die zytoplasmatischen Strukturen erstellt. Dieser ermöglichte erstmals die Detektion der endogenen Strukturen in Arabidopsis thaliana. Die weitere Charakterisierung über Immunofluoreszenzanalysen zeigten, dass diese P-bodies sind. Wie die P-bodies anderer Organismen sind sie hochdynamisch und benötigen untranslatierte mRNA für die Assemblierung. Die Größe und Anzahl der P-bodies hängt dabei vom Verhältniss des Zuflusses von mRNA und der mRNA-Abbaurate ab. Weiterhin konnte beobachtet werden, das die P-bodies besonders groß unter Stressbedingungen sind und deuten eine wichtige Funktion des mRNA-Abbaus unter Stress an. Dies führte zu der Frage nach der Beziehung der P-bodies zu RNA Stressgranula, die der Speicherung von mRNA unter Stressbedingungen dienen, sowie zu Hitzestressgranula, die an der Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase beteiligt sind. Durch Kolokalisationsanalysen mit Markern der RNA Stressgranula, der Hitzestressgranula und der P-bodies konnte erstmals gezeigt werden, dass es sich um voneinander unabhängige Mikrokompartimente handelt, und dass unter Stressbedingungen die zellulären Prozesse mRNA-Abbau, mRNA-Speicherung und Aufrechterhaltung der Proteinhomöostase auf einzelne Mikrkompartimente beschränkt sind. Allerdings konnte zwischen P-bodies und RNA Stressgranula häufig eine räumliche Nähe beobachtet werden. Dies deutet auf einen Austausch von Komponenten zwischen diesen Strukturen hin. Zusammen zeigen die erhaltenen Ergebnisse, dass die identifizierten Proteine Komponenten des 5'-3'mRNA-Abbaus darstellen, und dass der 5'-3'mRNA-Abbau in Pflanzen auch in P-bodies stattfindet. Die Identifizierung und Charakterisierung der pflanzlichen P-bodies bildet eine Grundlage für zukünftige Untersuchungen. Vor allem die massive Bildung von P-bodies unter Stressbedingungen und die Interaktion der P-bodies mit RNA Stressgranula zeigen neue Aspekte der pflanzlichen Hitzestressantwort auf.
Camponotus ist die erfolgreichste Ameisengattung der Welt. Neben Pheidole und Crematogaster weist sie die meisten Arten, die höchste Dispersion und die größte Variabilität in morphologischer, ethologischer und ökologischer Hinsicht auf. Die Ursachen dieses Erfolges zu erkennen, war bisher nicht möglich, da nur fragmentarische Ergebnisse aus Freiland- und Laboruntersuchungen zur Verfügung standen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Biologie und Ökologie ausgewählter Arten und gibt einen Einblick in die Komplexität ihrer Lebensstrategien. Um zu klären, welche ethologischen und ökologischen Anpassungen zur Gesamtfitness der Arten beitragen, wurden acht Arten der Gattung Camponotus in vier unterschiedlichen Habitaten ausgewählt. C. vagus und C. ligniperda in Laubmischwäldern Deutschlands, C. cruentatus und C. truncatus im mediterranen Klima der Pyrenäenausläufer Südfrankreichs, C. gombaki und C. gigas in offenen Park- und Uferregionen Malaysias sowie C. texens und C. gombaki im tropischen Sekundärwald der malaiischen Halbinsel. Das Verhalten dieser Arten wurde in den für das Überleben einer Kolonie zentralen Bereichen, nämlich Nisten, Außenaktivität und Nahrungserwerb untersucht. Als soziale Insekten sind Ameisen auf permanente und effektive Kommunikationssysteme angewiesen. Deshalb wurde die Rekrutierung, die mit Nestumzug und Nahrungserwerb im Zusammenhang steht, in das Untersuchungsprogramm aufgenommen. Unter Einbeziehung bereits publizierter Daten wird es möglich, den Erfolg von Camponotus zu verstehen. ...
Nierentransplantierte Patienten haben im Vergleich zu einer altersgleichen Bevölkerung ein 10-fach erhöhtes Risiko an kardiovaskulären Erkrankungen zu versterben. Graff et al fanden in einer dieser Arbeit vorangegangenen Untersuchung heraus, dass Thrombozyten nierentransplantierter Patienten unter immunsuppressiver Monotherapie voraktiviert sind, verglichen zu einer aus Hypertonikern bestehenden Kontrollgruppe. Des weiteren scheinen „neuere“ Immunsuppressiva wie Tacrolimus (TAC) Thrombozytenaktivierungsmarker weniger stark zu beeinflussen als „ältere“ wie Cyclosporin (CsA). Ziel dieser Arbeit war es den Einfluss einer antithrombozytären Therapie mit Clopidogrel bei nicht antiaggregatorisch vorbehandelten nierentransplantierten Patienten – Gruppe 1 (TAC, n=17) und Gruppe 2 (CsA, n=17) und nierentransplantierten Patienten mit ASS-Dauermedikation – Gruppe 3 (TAC, n=15) und Gruppe 4 (CsA, n=18), welche im Rahmen der Studie auf Clopidogrel umgestellt worden sind, herauszufinden. Alle Patienten wurden vor (V1) und nach einer vierwöchigen Clopidogrel – Therapie (V2) untersucht. Hierzu wurden Parameter, die eine Thrombozytenaktivierung widerspiegeln wie der Degranulationsmarker CD62, der aktivierte GPIIb/IIIa-Rezeptor (PAC1) sowie die Bildung von Plättchen-Leukozyten Aggregaten (CD41) untersucht. Plättchen-Leukozyten Aggregate (PLAs) akkumulieren an Orten mit Gefäßverletzungen und tragen so zu Entzündungsreaktionen und Thrombosen bei. Die Thrombozytenfunktion (CD62, PAC1) und die Formation von PLAs (CD41, CD11b) wurden vor Beginn der Clopidogrel – Therapie (V1, Gruppe 3 und 4 unter ASS – Therapie) sowie nach vierwöchiger Clopidogrel – Behandlung (V2) durchflusszytometrisch und aggregometrisch untersucht. Bei V1 wiesen CsA behandelte Patienten (Gruppe 2) signifikant (p<0,05) höhere Thrombozytenaktivierungsmarker auf als mit TAC behandelte Patienten: CD62 (185 [112-223] vs. 110 [84-173], median [1Q-3Q]), PAC1 (27 [26-38] vs. 15 [12-35]) und PLA (430 [342-769] vs. 237 [177-510]). Nach vierwöchiger Clopidogrel – Therapie (V2) kam es zu einer signifikanten Reduktion der untersuchten Parametern: CD62 (95 [82-123] Gruppe 2, 71 [56-94] Gruppe 1), PAC1 (15 [8-22] Gruppe 2, 12 [3-15] group 1), PLA (269 [225-472] Gruppe 2, 194 [159-275] Gruppe 1). Bei nierentransplantierten Patienten mit vorheriger ASS – Comedikation (Gruppe 3 und 4) konnte hinsichtlich der Thrombozytenaktivierung zwischen CsA und TAC bei V1 kein signifikanter Unterschied festgestellt werden. Es ließ sich allerdings ein Trend zugunsten TAC ablesen: CD62 (165 [96-289] vs. 111 [73-156]), PAC1 (19 [12-39] vs. 14 [8-32]), und PLA (437 [232-852] vs. 282 [164-471]). Die Umstellung von ASS auf Clopidogrel führte bei CsA behandelten Patienten (Gruppe 4) zu einer signifikanten Reduktion von CD62, PAC1 und der Formation von PLAs bei V2. TAC behandelten Patienten zeigten dagegen nur eine signifikante Abnahme des PAC1-Markers; für CD62 und PLAs wurden zwar bei V2 niedrigere Werte als bei V1 gemessen, allerdings erreichten die Unterschiede keine statistische Signifikanz: CD62 (90 [45-139] Gruppe 4, 67 [51-116] Gruppe 3), PAC1 (11 [7-19] Gruppe 4, 10 [5-20] Gruppe 3), PLA (285 [186-470] Gruppe 4, 250 [143-298] Gruppe 3). Zusammenfassend lässt sich ableiten, dass CsA die Thrombozytenaktivierung sowie die Formation von PLAs stärker negativ beeinflusst als TAC. Clopidogrel scheint diesen Vorgang effektiver als Aspirin zu hemmen.
Obwohl für eine Vielzahl von Chemikalien Ergebnisse aus Standardtest vorliegen, gibt es relativ wenige Erkenntnisse über generationsübergreifende Substanzeffekte und die Auswirkungen von Chemikalien auf die genetische Diversität. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden generationsübergreifende Effekte des Modellschadstoffes Tributylzinn (TBT) bei drei subakuten Konzentrationen (4,46; 6,69 und 8,93 mikro g Sn/kg TG) auf Life-Cycle-Parameter und genetische Diversität der Zuckmücke Chironomus riparius untersucht. Dabei wird eine genetisch variable (GEN+) und eine genetisch verarmte (GEN-) Populationen betrachtet. Darüber hinaus wird das Anpassungspotential an den Stressor TBT abgeschätzt. Die genetische Variabilität von C. riparius wird mittels neu entwickelter Mikrosatellitenmarker bestimmt. Dabei werden geringfügige Längenunterschiede zwischen hochvariablen DNA-Fragmenten detektiert. Weiterhin werden Abweichungen vom Hardy-Weinberg-Gleichgewicht bestimmt. Für die Ermittlung von potentiellen Anpassungsprozessen an den Stressor TBT werden nach ausgewählten Generationen akute und chronische Anpassungstest durchgeführt. Um der Fragestellung nachzugehen, ob eine TBT-Vorexposition zu einer veränderten Sensitivität gegenüber einem Zweitstressor führt, werden Experimente mit Cadmium durchgeführt. Auch in den Zweitstressorstudien wird der Multigenerationsansatz gewählt, und es werden Life-Cycle-Experimente über drei weitere Generationen durchgeführt. Für die Experimente werden die mit 4,46 und 8,93 mikro g Sn/kg TG vorexponierten Tiere anschließend nach unterschiedlicher Generationenzahl einer umweltrelevanten Cadmiumkonzentration (1,2 mg/kg TG) ausgesetzt. Im Verlauf der Multigenerationsstudie mit 4,46 mikro g Sn/kg TG werden in beiden Populationen signifikante Effekte auf die Entwicklung und Reproduktion beobachtet. In den ersten Generationen ist der Schlupfzeitpunkt der Larven bei TBT-Exposition signifikant (p < 0,05, t-Test) verzögert. Die Reproduktion scheint ebenso ein sensitiver Parameter zu sein, wobei die Weibchen der genetisch variableren Population signifikant (p < 0,05, t-Test) größere Gelege in den späteren Generationen produzieren. Die niedrige TBT-Konzentration hat in beiden Populationen keinen signifikanten Effekt auf die durchschnittliche Populationswachstumsrate. In den letzten Generationen der Studie wird für die genetisch variablere Population eine Veränderung des Lebenszyklus festgestellt, wobei die Weibchen eine erhöhte Reproduktionsleistung aufweisen. Es werden keine Effekte auf die Heterozygotie festgestellt. Allerdings treten in beiden Populationen zahlreiche Abweichungen vom Hardy-Weinberg-Gleichgewicht auf. Weiterhin werden signifikante (Pearson-Korrelation, p < 0,05) Effekte der genetischen Diversität auf zahlreiche Life-Cycle-Parameter (Gelegeanzahl pro Weibchen, Gelegegröße) ermittelt. In den chronischen und akuten Anpassungsexperimenten gibt es deutliche Hinweise auf Adaptationsprozesse gegenüber dem Stressor TBT. In der TBT-Studie mit 8,93 mikro g Sn/kg TG werden in beiden Populationen signifikante Effekte auf zahlreiche Life-Cycle-Parameter festgestellt, wobei die Entwicklung und Reproduktion der Tiere negativ beeinflusst wird. Darüber hinaus werden in der genetisch variableren Population signifikante (p < 0,05, X2-Test) Effekte von TBT auf die genetische Diversität beobachtet. Diese nimmt im Verlauf der Studie ab. Nach der vierten Generation gibt es in der genetisch variableren Population Hinweise auf Anpassungsprozesse, die allerdings in den letzten Generationen nicht mehr nachzuweisen sind. Ähnlich wie in der ersten Multigenerationsstudie wird auch in dieser Studie ein signifikant (Pearson-Korrelation, p < 0,05) positiver Zusammenhang zwischen der genetischen Diversität und der Populationswachstumsrate bei TBT-Exposition festgestellt. In den Zweitstressorexperimenten wird der Effekt der Vorbelastung bei der genetisch variableren Population deutlich. Die mit 8,93 mikro g Sn/kg TG über neun Generationen exponierte Population reagiert dabei empfindlicher auf den Stressorwechsel als die dazugehörige Referenzpopulation. Innerhalb der Multigenerationsstudien werden zahlreiche Effekte der Organozinnverbindung TBT auf Life-Cycle-Parameter und die genetische Diversität von C. riparius deutlich. Diese Dissertation zeigt die hohe Bedeutung von Mehrgenerationenstudien für die Abschätzung und Bewertung eines Risikopotentials von Schadstoffen.
In der vorliegenden Arbeit wird der Versuch unternommen, die nach einer Herniotomie erforderliche körperliche Schonung Evidenzbasiert zu bewerten. Da die Herniotomie in Deutschland (mit derzeit etwa 200.000-250.000 Operationen pro Jahr) und anderen Ländern zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen zählt, sind die sozioökonomischen Folgen entsprechender Empfehlungen beträchtlich; gleichzeitig hat die Ablösung der direkten Hernienreparation durch Netzplastiken zu einer deutlichen Senkung des Rezidivrisikos geführt, so dass eine Neubewertung der Frage der körperlichen Schonung erforderlich scheint. In Ermangelung aktueller Studien mit der körperlichen Schonung als Hauptfragestellung ist eine Evidenzbasierte Bewertung im engeren Sinne unmöglich; dennoch ist das vorliegende Material ausreichend, um eine Empfehlung zu entwickeln. Nach dem aktuellen Stand der Literatur ist eine chirurgisch korrekt und sachgemäß ausgeführte Netzplastik – unabhängig von der Frage des offenen oder minimal invasiven Zugangs – unmittelbar postoperativ belastungsstabil, so dass der Schmerz den einzigen rationalen limitierenden Faktor der körperlichen Belastung nach Herniotomie darstellt. Wünscht ein Patient eine frühe Rehabilitation, spricht nichts dagegen, ihm diese durch großzügige Verabreichung von Analgetika zu erleichtern; eine Krankschreibung über den Abschluss der Wundheilung hinaus ist weder notwendig noch sinnvoll. Ein Zusammenhang des Rezidivrisikos mit dem Zeitpunkt der Aufnahme körperlicher Aktivitäten oder der Berufstätigkeit ist weder für Netzplastiken noch die früher üblichen direkten Rekonstruktionsverfahren nachgewiesen worden und ist nach der vorliegenden Literatur äußerst unwahrscheinlich; dennoch wird ein Studiendesign vorgeschlagen, mit dem diese Frage abschließend geklärt werden kann. Die praktischen Schonungsfristen und auch die von den Hausärzten gegebenen Empfehlungen sind derzeit noch sehr uneinheitlich und tendenziell viel zu lang, was derzeit in Deutschland geschätzte Mehrkosten von mehreren 100 Millionen € verursacht. Um dem abzuhelfen, ist eine Erarbeitung entsprechender Richtlinien durch die chirurgischwissenschaftlichen Fachgesellschaften und deren breite und intensive Kommunikation bei Hausärzten und Patienten erforderlich.
Die Alzheimer-Demenz (AD) ist gekennzeichnet durch extrazelluläre Ablagerungen bestehend aus dem Amyloidbeta-Peptid (Aß), durch neurofibrilläre Bündel bestehend aus dem Tau-Protein, massiven Neuronenverlust und synaptische Dysfunktion. Weiterhin ist bekannt, dass mitochondriale Dysfunktion eine entscheidende Rolle bei der AD spielt. Mit Hilfe von dissoziierten Hirnzellen von NMRI, Thy1-APP-, P301L Tau- und JNK-Knockout-Mäusen wurden Veränderungen, verursacht durch genetisch, alters- und geschlechtsbedingten Risikofaktoren, auf die mitochondriale Funktion untersucht. Die Abeta-Belastung der untersuchten Thy1-APP Mäuse führte zu einer mitochondrialen Fehlfunktion durch intrazelluläres Abeta und damit zu einem Energiedefizit. Aß hemmte die Atmungskette, vor allem die COX-Aktivität, indem es an die COX-Untereinheit bindet und damit die Anlagerung von Cytochrom C verhindert. Eine zusätzliche Mutation wie PS1M146L verursacht eine größere und früher einsetzende Abeta-Akkumulation im Gehirn der Mäuse und führte zu größerer mitochondrialer Schädigung im Vergleich zu den APP transgenen Mäusen. Der Grad der Abeta-Schädigung ist auch von dem Aggregationszustand von Abeta abhängig. Eine Akkumulation von intra- und extrazellulären Oligomeren reicht aus, um das mitochondriale Membranpotential zu erniedrigen. Die Aß-Belastung nimmt im Alter zu und es bilden sich ab dem 6. Monat Amyloid-Plaques im Gehirn der Thy1-APP Mäuse aus, die zu einem veränderten Verhältnis von Bcl-xL und Bax in Richtung Bax führten. Bax und Bcl-2 sind an der Bildung der mitochondrialen Pore beteiligt. Durch die Öffnung der mitochondrialen Pore sinkt das mitochondriale Membranpotential und die ATP-Spiegel. Bax begünstigt zusätzlich die Freisetzung von Cytochrom C und Smac. Der Abfall des mitochondrialen Membranpotentials, die geringen ATP-Spiegel und die Cytochrom C Freisetzung werden mit der Apoptose in Verbindung gebracht und erklären die erhöhte Empfindlichkeit der Mäuse gegenüber oxidativem Stress. Desweiteren muss die JNK3 berücksichtigt werden. Sie ist der mitochondrialen Fehlfunktion vorgeschaltet und löst eine degenerative Apoptose aus. Abeta und Tau werden bei der Entstehung von AD miteinander in Verbindung gebracht. Dieser Synergismus führt zu einer mitochondrialen Fehlfunktion im Kortex der Mäuse. Aufgrund des unveränderten Transmembranpotentials der dissoziierten Hirnzellen im Gehirn der Thy1APP Mäuse ab dem 6. Monat scheinen nur die aggregierten Polypeptide für die Neurotoxizität bei der AD eine Rolle zu spielen. Die COX-Aktivität wurde im Alter ebenfalls wieder verbessert und stabilisierte dadurch die ATPSpiegel. Die P301L-Taumäuse entwickeln ebenfalls erst im Alter neurofibrilläre Bündel (NFT) durch die Akkumulation von hyperphosphorylierten Tau. Ab dem 2. Lebensjahr der Mäuse wurde ein starker signifikanter Abfall des mitochondrialen Membranpotentials und der ATPSpiegel beobachtet. Der Anstieg der ROS-Spiegel der zwei Jahre alten Mäuse führte direkt zu einer Reduzierung der Komplex-I-Aktivität. Für diese Neurotoxizität scheint die Bildung der NFT verantwortlich zu sein. Die Wirkung von Ginkgo-biloba-Extrakt (EGb 761) und Piracetam auf die mitochondriale Fehlfunktion in jungen und alten NMRI-Mäusen untersucht. Eine Stabilisierung des mitochondrialen Membranpotentials und die Normalisierung der ATP-Spiegel konnte mit Hilfe von EGb 761 und Piracetam festgestellt werden. Besonders bei alten Mäusen konnte die schon angefangene mitochondriale Fehlfunktion fast komplett kompensiert werden. EGb 761 und Piracetam waren in der Lage nach zweiwöchiger Behandlung der APP transgenen Mäusen die löslichen Abeta-Spiegel im Gehirn signifikant zu senken. Durch diese Entlastung wurde die durch Abeta-verursachte Destabilisierung der mitochondrialen Membranen aufgehoben und die Mitochondrien vor oxidativen Schädigungen geschützt. Drei wichtige Angriffspunkte werden aufgrund der Daten für Piracetam vorgeschlagen: 1. die Senkung der Abeta-Spiegel im Gehirn, 2. die Stabilisierung der mitochondrialen Membranen und eine dadurch verbesserte Membranfluidität und 3. die Verbesserung der mitochondrialen Funktion vor altersbedingten Schädigungen. Die drei Punkte sind miteinander verknüpft, aufgrunddessen, dass Abeta die mitochondriale Membranen destabilisiert und dies zu einer mitochondrialen Fehlfunktion führen kann. Die neuroprotektiven Effekte von EGb 761 wurden durch 1. Senkung der Aß-Spiegel, 2. Mitochondrienmembranstabilisierende Wirkungen, 3. antioxidative Effekte, und 4. durch Modulation von Chloridkanälen hervorgerufen. In APP transgenen Mäusen wird trotz gleicher APP Expression in weiblichen Mäuse eine erhöhte Beta-Sekretasespaltung von APP mit verstärkter Bildung von C99 und Abeta (unlösliches und lösliches) im Vergleich zu den männlichen Tieren gebildet. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten zeigen, dass die erhöhten Abeta-Spiegel und der damit verbundene oxidative Stress in transgenen Mäusen zusätzlich die Mitochondrien der weiblichen Tiere besonders schädigen und die Atmungskette beeinträchtigen. Damit bestätigt sich, dass das Geschlecht ein weiterer Risikofaktor der AD ist. Daher unterstützen die im Rahmen dieser Doktorarbeit erhobenen Befunde grundsätzlich die weitere Erforschung pharmakologischer Ansätze besonders von Ginkgo-biloba-Extrakt und Piracetam zur Verbesserung kognitiver Störungen als Therapie oder auch zur Prophylaxe der Alzheimer Krankheit. Der Schutz von EGb 761 und Piracetam auf die Mitochondrien vor oxidativem Stress kann daher zur Vorbeugung vor allgemeinen Alterungsprozessen dienen. Abeta und Tau spielen zusammen beim Untergang der Neurone eine große Rolle. Therapien, welche die Ablagerungen von Abeta im Gehirn verringern, sollten in einem frühen Stadium der Krankheit besonders wirksam sein. In einem späteren Stadium wären hingegen zusätzlich Medikamente nötig, die gegen die neurofibrilläre Bündel gerichtet sind. Damit ließe sich theoretisch der fortschreitende Zelluntergang bei Alzheimerpatienten zu mindestens verlangsamen.
Die vaskuläre Demenz ist eine pathogenetisch und klinisch heterogene Entität. Eine Subtypisierung dieser Erkrankung wird als subkortikal vaskuläre Demenz (SVD) bezeichnet und bietet vergleichsweise gute Voraussetzungen, eine homogenere Untergruppe zu definieren. Die Modulation von Aufmerksamkeit durch emotionale Stimuli ist für die individuelle soziale Funktion von großer Wichtigkeit. Über Veränderungen dieser Funktionen bei Demenzkranken gibt es kaum Untersuchungen. Störungen des emotionalen Prozessierens sind ein unterstützendes Kriterium für die Diagnose einer SVD, weswegen Abweichungen in der Aufmerksamkeitsverteilung anzunehmen sind. Um diese Störungen für eine eventuelle frühe Diagnostik und im Umgang mit SVD-Patienten nutzbar machen zu können, führten wir diese Untersuchung durch. Methoden Zur Untersuchung der Modulation visueller Aufmerksamkeit wurden emotionale (positive, negative und neutrale) Bilder in paarweiser (neutral-neutral, neutral-negativ, neutral-positiv) Anordnung einer Gruppe von 12 Patienten mit SVD sowie 12 gesunden Probanden gleichen Alters und 12 jungen Probanden präsentiert. Während einer Betrachtungsdauer von zehn Sekunden wurden die Augenbewegungen mit Hilfe eines Infrarotsystems aufgezeichnet. Ausgewertet wurden die Richtung der initialen Sakkade (Aufmerksamkeitsorientierung) und die prozentuale Aufteilung der Bildbetrachtungs-dauer (Aufmerksamkeitserhaltung). Ergebnisse Alle drei untersuchten Probandengruppen zeigten bei der neutral-neutralen Bildanordnung eine Linksorientierung für die initiale Sakkade. Visuell-räumliche Aufmerksamkeit konnte durch emotional negativ und positiv getönte Fotografien bei Patienten mit SVD in vergleichbarem Ausmaß wie bei kognitiv gesunden, älteren Kontrollpersonen moduliert werden. Dies galt sowohl für die initiale Sakkade als auch für die prozentuale Verteilung der Bildbetrachtungsdauer. Junge Kontrollpersonen zeigten eine signifikant stärkere Aufmerksamkeitserhaltung bei den negativen Bildern der negativ-neutralen Präsentationspaare.
Die Anthropometrie liefert den direktesten und einfachsten Weg, Dimensionen des Gesichts- und Schädelskeletts zu erfassen. Die Effektivität der herangezogenen Messpunkte ist das Ergebnis einer getesteten und bereits eingeführten Messmethode (Landes et al., 2002). Obwohl diese Methode einfach, kostengünstig und reproduzierbar ist, leidet die Akzeptanz anthropometrischer Messungen im klinischen Alltag am zeitlichen Aufwand. Die Möglichkeit diesen Prozess der anthropometrischen Datenerfassung, herkömmlich vollmanuell durchgeführt, durch ein neuartiges halbautomatisches Messgerät zu ein paar Mausklicks zusammenzufassen, könnte eine weit verbreitete Nutzung enorm beschleunigen, da ohnehin alle notwendigen Normwerte und Messsequenzen schon verfügbar sind. Um dieses halbautomatische Messgerät mit der vollmanuellen Messmethode auf Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messung zu vergleichen wurden 20 Probanden durch einen Behandler wiederholt untersucht, zehn davon ein drittes Mal von einem zweiten Behandler. Messfehler der halbautomatischen Methode: Der intraindividuelle absolute Fehler lag im Mittel bei 1,4mm [+/-1,6mm] was einem relativen Fehler von 1,4% [+/-1,7%] entspricht. Der interindividuelle absolute Fehler liegt im Mittel bei 2,1mm [+/-0,6mm] entsprechend einem relativen Fehler von 2,2% [+/-0,9%]. Messfehler der vollmanuellen Methode: Der Intraindividuelle absolute Fehler lag im Mittel bei 2,1mm [+/-1,9mm] was einem relativen Fehler von 2,1% [+/-1,9%] entspricht. Der interindividuelle absolute Fehler liegt im Mittel bei 3,2mm [+/-2,1mm] entsprechend einem relativen Fehler von 3,2% [+/-2,1%]. Die zur Vermessung der Parameter notwendige Zeit bei der vollmanuellen Methode wurde von 16min [+/-3min] durch zu Hilfenahme des halbauto54 matischen Messinstrumentariums auf die Hälfte reduziert. Gerade einmal 6min[+/-2min] sind noch notwendig alle Daten zu erfassen und als Gittermodell oder in einem Normdiagramm darzustellen. Durch die klinische Erprobung wurden Verbesserungen am Messmittel durchgeführt. Es ist robuster, vielseitiger und besitzt ein gutes Handling. Es besitzt einen geringen Anschaffungswert von rund € 1500,- und spart enorm viel Zeit in der Erfassung unterschiedlichster Daten. Ein anthropometrischer Zirkel kostet im Vergleich etwa € 450,-.
Die akute lymphatische Leukämie (ALL) ist eine aggressive Krankheit des hämatopoetischen Systems. Die Gegenwart des Philadelphia - Chromosoms (Ph), das die Translokation t(9;22) kodiert, oder die t(4,11) definieren Hochrisiko - ALL - Patienten mit einer besonders schlechten Prognose (Hoelzer and Gokbuget 2000; Hoelzer et al. 2002; Hoelzer et al. 2002)]. Das Ph Chromosom führt je nach Bruchpunkt der Translokation zur Expression von p185(BCR-ABL) oder p210(BCR-ABL). Die Fusion der Abl-Tyrosin Kinase an Bcr führt zur konstitutiven Aktivierung der Abl-Kinase, die hauptsächlich für die Transformation der Zellen verantwortlich ist. Die Überlebensrate durch aktuelle zytostatische Therapien der Ph+ ALL liegt bei 0-10%, trotz initialer Komplettremission (CR) von 80%, die ähnlich hoch wie die von Ph– Patienten ist. Imatinib (GleevecTM, GlivecTM, früher STI571) ist ein spezifischer Inhibitor der Abl – Kinase mit hoher Effizienz für die Behandlung der Ph+ ALL. Trotz der effektiven Hemmung von BCR-ABL durch Imatinib kommt es beinahe immer zum Rezidiv. Dies verschlechtert weiter die Prognose (Donato et al. 2004). Die Entstehung von Mutationen ist die häufigste Ursache für Resistenz gegen Imatinib, Nilotinib und/oder Dasatinib - Therapie. In dieser Arbeit wurden alternative Therapiestrategien für die Behandlung der ALL untersucht. Dazu wurden zwei Ansätze gewählt, wobei 1.) Gene identifiziert wurden, die zur Imatinib – Resistenz führen, um der Resistenzentwicklung vorzubeugen oder die Resistenz zu überwinden. Weiterhin wurde 2.) versucht die aberrante Transkription leukämischer Zellen zu verhindern. Dazu wurde die Inhibition der Histon – Deazetylierung, die für die aberrante Remodellierung des Chromatins verantwortlich ist, untersucht. ...
Hauptgegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der Probleme, die bei der Umsetzung des internationalen Vertragsrechts in innerstaatliches Recht der Vertragsstaaten aufgeworfen werden und die sich zu den grundlegenden Fragen der Anwendbarkeit und Wirkungskraft bzw. Effizienz dieses Rechts zusammenfassen lassen. Als Muster für die Behandlung dieser Frage dient die Umsetzung eines Vertragsrechtstextes aus dem Umweltvölkerrecht, konkret des Dritten Protokolls der "Barcelona-Konvention zum Schutz des Mittelmeers gegen die Verschrnutzung", in nationales Recht dreier der Vertragsstaaten, nämlich Frankreich, Griechenland und Tunesien. Das von den Vertragspartnern der Barcelona-Konvention angenommene Dritte Protokoll betrifft den Schutz des Mittelmeeres vor Verschrnutzung durch Festlandsquellen (kurz FLQ). Es wurde 1980 in Athen unterzeichnet und ist somit auch unter der Bezeichnung "Athener Protokoll" (kurz AP) bekannt. ...
Membrane proteins play vital role in a variety of cellular processes, such as signal transduction, transport and recognition. In turn they are involved in numerous human diseases and currently represent one of the most prevalent drug targets. A comprehensive understanding of the mechanisms mediated by membrane proteins requires information about their structures at near-atomic resolution, although structural studies of membrane proteins remain behind those of soluble proteins. A bottleneck in the study of membrane proteins resides in the difficulties that are encountered during their high-level production in cell based systems. However, many toxic effects attributed to the over production of membrane proteins are eliminated by cell-free expression, as viable host cells are no longer required. Therefore, the objective of this study was to obtain adequate amounts of selected membrane transport proteins for their structural studies using a cell-free expression system. For the establishment of the cell-free system for membrane proteins, the transporters YbgR and YiiP from Salmonella typhimurium LT2, PF0558 and PF1373 from Pyrococcus furiosus, from the cation diffusion family (CDF), BetP from Corynebacterium glutamicum from the betaine/carnitine/choline transporter (BCCT) family and Aq-2030 from Aquifex aeolicus VF5 from the monovalent cation/proton antiporter-2 (CPA2) family were selected. An Escherichia coli S-30 extract based cellfree system was established by generating the best expression constructs of the target proteins, preparing T7 RNA polymerase and an S-30 extract with high translation efficiency. The functionality of the S-30 extract was shown by the cell-free expression of correctly folded Green Fluorescent Protein (GFP). Essential factors of the cell-free system such as the Mg2+ concentration, the bacterial S-30 extract proportion in the reaction mixture and the time-course of cell-free reactions have been optimized. For the cell-free production of membrane proteins in soluble form, the possibility to supplement cell-free reactions with detergents was explored. A wide range of non-ionic or zwitterionic detergents, were found to be compatible with cell-free synthesis, while ionic detergents and non-ionic detergents at high concentrations had an inhibitory effect. Moreover, high concentrations of polyoxyethylene-alkyl-ethers (Brij) detergents were found to have enhancing effect on the production levels as well as on the solubility of cell-free produced proteins. As membrane proteins tend to misfold and aggregate in a membrane-free translation system, the possibility to supplement the cell-free reactions with inner membrane vesicles (IMVs) to obtain correctly folded target transport proteins was explored. All the target proteins were successfully produced in the batch cell-free reactions and were found to be incorporated in the IMVs. A continuous exchange cell-free (CECF) system was established, where consumable substrates (amino acids, nucleotides and energy regenerating compounds) were supplied to the cell-free reaction mixture through a dialysis membrane, which in consequence resulted in high-level production of target proteins compared to the batch system. The osmosensing and osmoregulated sodium-coupled symporter BetP from C. glutamicum was chosen for the large scale production in CECF set-up. The protein is easily produced in E. coli and is functional as assayed by its transport activity, after purification and reconstitution in liposomes. It is therefore possible to compare in-vivo and cell-free production. High-level cell-free production of BetP was achieved in CECF mode in different forms: (i) as precipitate, (ii) as soluble form in detergent, and (iii) incorporated in IMVs. Cell-free production of BetP resulted in the yield of about 0.5 mg of purified BetP from 1 ml of CECF reaction. The yield of purified BetP was increased to 1.6 fold by addition of 1% polyoxyethylene-(20)-cetyl-ether (Brij58) detergent in the reaction mixture. Moreover, the high level cell-free production of BetP (0.5 mg purified BetP/ml reaction mixture) incorporated in IMVs was shown for the first time in this work.However, it was observed that oligomerization of BetP was not efficient in the cell-free system. Factors that can promote the folding of membrane proteins such as lipids and chaperones were investigated. Addition of lipids and molecular chaperone GroE facilitated correct folding of BetP resulting in increased yield and stability of cell-free produced BetP. The results obtained indicate that most of the cell-free produced BetP exists in functional oligomeric form. The possibility of obtaining milligram amounts of BetP, a 12 trans-membrane protein from the cell-free reactions holds promise for structural and functional studies of other membrane proteins. In any case, the strategies adapted in this study should prove extremely valuable for the production of membrane proteins in the E. coli cell-free expression system.
Der ubiquitäre Redoxregulator Thioredoxin-1 (Trx-1) hat wichtige Funktionen für den zellulären Redoxstatus, Zellwachstum und Apoptose. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind beteiligt an der Pathogenese kardiovaskulärer Erkrankungen wie der Atherosklerose und werden zunehmend in ihrer Rolle als intra- und extrazelluläre Signalmoleküle charakterisiert. Ein Ungleichgewicht zwischen der Entstehung von ROS und ihrem Abbau durch antioxidative Systeme führt zu oxidativem Stress, zur Oxidation von Proteinen und letztlich zum Zelltod. Daher wurde in dieser Doktorarbeit untersucht, wie reaktive Sauerstoffspezies Trx-1 in Endothelzellen regulieren, welchen Einfluss dies für die Endothelzellapoptose hat und welche Bedeutung Antioxidantien, Stickstoffmonoxid (NO) und Schubspannung haben. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass H2O2 konzentrationsabhängig die Expression von Trx-1 beeinflusst. Geringe Konzentrationen H2O2 wie 10 und 50 µM induzierten Trx-1-mRNA nach 3 Stunden. Auf Proteinebene fand sich dann nach 6 Stunden eine transiente Hochregulation von Trx-1. Diese geringen Konzentrationen von H2O2 wirkten antiapoptotisch. Dieser antiapoptotische Effekt war von der Trx-1 Proteinexpression abhängig. Im Gegensatz dazu kam es bei hohen Konzentrationen H2O2 zu einer Degradierung von Trx-1. Durch das Antioxidans NAC und NO konnte der Abbau von Trx-1 unter höheren H2O2-Konzentrationen verhindert werden. Untersuchungen zum Mechanismus des Degradierungsprozesses ergaben, dass Trx-1 durch die Aspartatprotease Cathepsin D abgebaut wird. Der protektive Effekt von NO auf die Trx-1 Expression konnte auch im Gewebe eNOS-defizienter Mäuse gezeigt werden, da bereits eNOS-defiziente Mäuse in den Nieren weniger Trx-1 Protein aufwiesen im Vergleich zu Wildtyp-Kontrollmäusen. Bei der Entstehung endothelialer Läsionen und der Stabilität atheromatöser Plaques spielt die Endothelzellapoptose vermutlich eine wichtige Rolle. Trx-1 schützt Endothelzellen vor Apoptose, wird jedoch unter oxidativem Stress abgebaut. Faktoren, die Trx-1 unter oxidativem Stress stabilisieren wie NAC und NO, kommt daher eine besondere Bedeutung für die Endothelzellhomöostase zu.
First milestone of this Ph.D. thesis was the successful extension of conventional NTA/His-tag technique to self-assembling, multivalent chelator thiols for high-affinity recognition as well as stable and uniform immobilization of His-tagged proteins on chip surfaces. Bis-NTA was linked via an oligoethylene glycol to alkyl thiols by an efficient modular synthesis strategy yielding a novel, multivalent compound for formation of mixed SAMs with anti-adsorptive matrix thiols on gold. Multivalent chelator chips allow a specific, high-affinity, reversible, long-term immobilization of His-tagged proteins. In AFM studies reversibility of the specific protein immobilization process was visualized at single molecule level. The entire control over the orientation of the immobilized protein promotes this chip surface to an optimal platform for studies focusing on research targets at single molecule level and nanobiotechnology. Based on the constructed protein chip platform above and a novel AFM mode (contact oscillation mode, COM) – developed during the current Ph.D. work – protein nanolithography under physiological conditions enabling fabrication of active biomolecular patterns in countless variety has been established. Reversible COM-mediated nanostructuring is exceptionally suitable for multiplexed patterning of protein assemblies in situ. The first selfassembled protein layer acts as a biocompatible and ductile patterning material. Immobilized proteins can be replaced by the AFM tip applying COM, and the generated structures can be erased and refilled with different proteins, which are immobilized in a uniform and functional manner. Multi-protein arrays can be systematically fabricated by iterative erase-and-write processes, and employed for protein-protein interaction analysis. Fabrication of two-dimensionally arranged nanocatalytic centres with biological activity will establish a versatile tool for nanobiotechnology. As an alternative chip fabrication approach, the combined application of methodologies from surface chemistry, semiconductor technology, and chemical biology demonstrated successfully how pre-patterned templates for micro- and nanoarrays for protein chips are fabricated. The surface physical, as well the biophysical experiments, proved the functionality of this technology. The promises of such process technology are fast and economic fabrication of ready-to-use nanostructured biochips at industrial scale. Membrane proteins are complicated in handling and hence require sophisticated solutions for chip technological application. A silicon-on-insulator (SOI) chip substrate with microcavities and nanopores was employed for first technological investigation to construct a protein chip suitable for membrane proteins. The formation of an artificial lipid bilayer using vesicle fusion on oxidized SOI cavity substrates was verified by CLSM. Future AFM experiments will give further insights into the chip architecture and topography. This will provide last evidence of the sealing of the cavity by the lipid bilayer. Transmembrane proteins will be employed for reconstitution experiments on this membrane protein chip platform. Highly integrated microdevices will find application in basic biomedical and pharmaceutical research, whereas robust and portable point-of-care devices will be used in clinical settings.
Lineare sowie zyklische 3-Alkylpyridinalkaloide sind vor allem in Schwämmen der Ordnung Haplosclerida, zu der auch Haliclona viscosa zählt, weit verbreitet. Die Synthese der zuvor von C. Volk isolierten Haliclamine C und D, des Viscosamins und des Viscosalin C bildete den Ausgangspunkt dieser Arbeit.[1-4] Sie erfolgte ausgehend von den bekannten Synthesen der Cyclostellettamine und Haliclamine[5-7] und gliedert sich in drei Abschnitte: erstens Synthese eines ω-Hydroxyalkylpyridins aus einem Bromalkohol, zweitens Funktionalisierung der Monomere in Abhängigkeit der gewählten Methode zur Di- bzw. Trimerisierung und drittens Verknüpfung und gegebenenfalls Zyklisierung. Durch Anwendung und Weiterentwicklung der bekannten Synthesewege wurden so insgesamt 14 lineare Monomere, zwei zyklische Monomere, 16 Cyclostellettamine, zwei Isocyclostellettamine, sieben Haliclamine, fünf Viscosaline sowie Viscosamin[8] und ein Analogon mit Heptylkette hergestellt. Dieser synthetische Zugang ermöglichte es, sowohl den finalen Strukturbeweis für die zuvor isolierten Verbindungen zu erbringen, als auch durch die Analyse der Fragmentierungs-muster von synthetischen und natürlichen Verbindungen mehr über das Verhalten dieser Verbindungen unter MS-Bedingungen zu erfahren. Die so gewonnenen Erkenntnisse führten dazu, dass drei unbekannte Verbindungen ohne Isolierung der Reinsubstanz mit einer Kombination von MS- und HPLC-Daten identifiziert werden konnten. So konnten das erste monozyklische 3-Alkylpyridinalkaloid marinen Ursprungs und zwei neue Haliclamine identifiziert und synthetisiert werden Des Weiteren gelang es, für die von C. Volk isolierten, jedoch nicht identifizierten Verbindungen Strukturen zu ermitteln bzw. auf Grund der MS-Daten Strukturvorschläge zu machen. Die durch den synthetischen Zugang große Anzahl verfügbarer 3-Alkylpyridinalkaloide ermöglichte außerdem eine systematische Untersuchung über den Zusammenhang von biologischer Aktivität und Struktur. Die Ergebnisse der am Helmholtz Institut für Infektionsforschung durchgeführten Experimente zu den antibakteriellen sowie cytotoxischen Eigenschaften von natürlichen wie auch rein synthetischen 3-Alkylpyridinalkaloiden zeigten, dass die Aktivität sich schon beim Addieren bzw. Subtrahieren einer Methylengruppe in einer Alkylkette signifikant ändert. [1] C. A. Volk, M. Köck, Org. Lett. 2003, 5, 3567-3569. [2] C. A. Volk, M. Köck, Org. Biomol. Chem. 2004, 2, 1827-1830. [3] C. A. Volk, H. Lippert, E. Lichte, M. Köck, Eur. J. Org. Chem. 2004, 3154-3158. [4] C. A. Volk, Dissertation, Johann Wolfgang Goethe Universität (Frankfurt am Main), 2004. [5] A. Grube, C. Timm, M. Köck, Eur. J. Org. Chem. 2006, 1285-1295 und Referenzen darin. [6] J. E. Baldwin, D. R. Spring, C. E. Atkinson, V. Lee, Tetrahedron 1998, 54, 13655-13680. [7] A. Kaiser, X. Billot, A. Gateau-Olesker, C. Marazano, B. C. Das, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8026-8034. [8] C. Timm, M. Köck, Synthesis 2006, 2580-2584.
Nach schwerem Trauma wird häufig eine immunologische Dysregulation beobachtet, die durch das Vorliegen einer überschießenden Inflammationsreaktion bei gleichzeitig bestehender Immunsuppression gekennzeichnet ist. Diese inadäquate Immunreaktion wird für das Auftreten posttraumatischer Komplikationen wie Systemic Inflammatory Response Syndrome (SIRS), Sepsis oder Multiorganversagen mitverantwortlich gemacht. Eine entscheidende Rolle bei den posttraumatisch ablaufenden immunologischen Vorgängen scheint dabei den Monozyten als Teil des unspezifischen Immunsystems zuzukommen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Monozytenaktivität nach Trauma unterschiedlicher Ausprägung und Schwere sowie ihre Korrelation mit an der posttraumatischen immunologischen Dysregulation potentiell beteiligten Mediatoren wie Interleukin-6 und Interleukin-10. Im Rahmen dieser 12-monatigen prospektiven klinischen Studie wurde von insgesamt 57 Patienten bei Eintreffen im Schockraum sowie an fünf Folgetagen Vollblut abgenommen. Bei 18 ausgewählten Patienten erfolgten weitere Blutentnahmen bis Tag 14. Die Patienten wurden nach Verletzungsschwere mittels Injury Severity Score (ISS) in fünf Gruppen eingeteilt und einer Kontrollgruppe gegenübergestellt. Die Blutproben wurden zunächst für 24 Stunden mit bakteriellem Lipopolysaccharid (LPS) inkubiert. Schließlich erfolgte aus den gewonnenen Proben mittels ELISA die Messung der Konzentration von Interleukin-1β als Surrogatparameter für die Aktivierbarkeit der Monozyten. Des Weiteren erfolgte die Bestimmung der Konzentrationen von Interleukin-6, Interleukin-10 und CRP im Patientenserum. Die Monozytenaktivität war bereits bei leicht verletzten Patienten mit einem ISS von eins bis acht Punkten signifikant gegenüber der Kontrollgruppe supprimiert. Diese Suppression setzte sich mit steigender Verletzungsschwere signifikant fort. Des Weiteren zeigte sich bereits bei Eintreffen der Patienten im Schockraum in allen Gruppen eine signifikante Suppression der stimulierten monozytären IL-1β-Produktion gegenüber der Kontrollgruppe. In der Gruppe der Leichtverletzten erreichte die IL-1β-Konzentration im Überstand bereits am zweiten Tag nach Trauma wieder die Werte gesunder Probanden, während in Gruppe II an Tag fünf, in Gruppe IV und V erst an Tag sechs ein partieller, nicht signifikanter Anstieg der Werte beobachtet werden konnte. Der Vergleich zwischen männlichen und weiblichen Patienten zeigte eine signifikante Suppression der stimulierten IL-1β-Produktion im weiblichen Kollektiv. Der Vergleich von Patienten mit posttraumatischer Entwicklung eines SIRS und Patienten ohne SIRS-Nachweis zeigte in der SIRS-Gruppe eine signifikante Reduktion der Monozytenaktivität, wobei die SIRS-Patienten im Durchschnitt allerdings auch schwerer verletzt waren. Der Vergleich der stimulierten Monozytenaktivität mit den Serumkonzentrationen von IL-6 und IL-10 zeigte für IL-6 einen der stimulierten IL-1β-Produktion entgegen- gesetzten, signifikanten Konzentrationsanstieg in Abhängigkeit von der Verletzungsschwere. Die Serumkonzentrationen von IL-10 waren erst bei Schwerstverletzten mit einem ISS ≥ 25 Punkten signifikant erhöht. Die Untersuchung der CRP-Serumkonzentration in Abhängigkeit von der Verletzungsschwere zeigte von Gruppe I bis III einen signifikanten Anstieg. Ab einem ISS von ≥ 16 Punkten war jedoch keine signifikante Konzentrationserhöhung des Serum-CRP mehr zu verzeichnen. Die vorliegende Studie zeigt, dass es bereits bei leichten Verletzungen zu einer Suppression des unspezifischen Immunsystems und hierbei insbesondere der Monozytenaktivität kommt. Diese Immunsuppression lässt sich bereits kurz nach dem Trauma, bei Eintreffen in der Klinik, nachweisen. Die Ursache für die wider Erwarten deutliche Reduktion der Monozytenaktivität bei weiblichen gegenüber männlichen Patienten konnte nicht geklärt werden. Eine mögliche Ursache könnte das fortgeschrittene, postmenopausale Alter zahlreicher Patientinnen sein. Aufgrund seiner geringer ausgeprägten Korrelation mit der Verletzungsschwere erwies sich die Serumkonzentration von CRP im Vergleich mit der stimulierten IL-1β-Produktion und der IL-6-Serumkonzentration als der für diese Untersuchung weniger geeignete Parameter.
Das Funneling-Prinzip ist für Großprojekte wie SNS und IFMIF zur Erzeugung hoher Strahlströme bei hoher Brillanz von großem Interesse und bietet die Möglichkeit der Strahlstromerhöhung bei gleichbleibender Emittanz. Das Frankfurter Funneling-Experiment ist ein skalierter Aufbau einer ersten Funneling-Stufe von HIDIF. Hauptbestandteile des Experimentes sind zwei Multicusp-Ionenquellen, ein Zwei-Strahl-RFQ-Beschleuniger, ein Einzellen- und ein Mehrzellen-Deflektor sowie eine Emittanzmeßanlage. Das Zusammenführen zweier Ionenstrahlen nach dem Funneling-Prinzip konnte am IAP im Jahr 2000 erstmalig realisiert werden. Allerdings war aufgrund der unmodulierten End-Elektroden des RFQ-Beschleunigers der Strahlradius und die Emittanz bereits bei Eintritt in den Deflektor viel zu groß. Die dadurch aufgetretenen Strahlverluste an den Elektroden führten also nicht zu der gewünschten Strahlstromverdoppelung. Daraufhin wurden die letzten Elektrodenstücke der beiden Beschleuniger gegen modulierte Elektroden ausgetauscht. Der Fokus der Ionenstrahlen wird nun mittels eines sogenannten 3D-Matchings in den Strahlkreuzungspunkt gelegt. Experimente mit den neuen RFQ-End-Elektroden und dem überarbeiteten Mehrzellen- Deflektor stehen noch aus. Die vorliegende Arbeit entstand als theoretischer Teil im Rahmen des Frankfurter Funneling-Experimentes. Es sind zahlreiche Simulationsrechnungen zum bestehenden experimentellen Aufbau durchgeführt worden, die in Auszügen in Kapitel 7 dargestellt wurden. Weiterhin wurde die Teilchendynamik und die Raumladung in Deflektoren, das Emittanzwachstums während des Funnelings, der Einfiuß der inhomogenen Felder bei verschiedenen Deflektorgeometrien ausführlich untersucht und ausgewertet (Kapitel 8). Für diese Aufgaben sind einerseits neue Programme für eine dreidimensionale Deflektorsimulation und andererseits Software zur Auswertung mit graphischer Darstellung geschrieben worden. Diese wurden in Kapitel 6 vorgestellt. Die für diese Arbeit entwickelten Programme ermöglichen die Berechnung der Potential- und Feldverteilungen in elektrischen Hochfrequenz-Funneling-Deflektoren sowie die Simulation des Funnelingprozesses zweier Ionenstrahlen. Ferner sind diverse Auswertemethoden in tabellarischer oder graphischer Form wie Strahlverlauf, Emittanzebenen, Dichteverteilungen und Verlustgraphen verfügbar. Damit sind umfangreiche Simulationen und Auswertungen bezüglich des Deflektordesigns und der Strahldynamik sowie Optimierungen solcher Systeme möglich. Der Einfluß der Raumladungskräfte und der inhomogenen Felder auf den Funnelingprozeß konnten in Kapitel 8 gezeigt werden. Für den im Experiment verwendeten Mehrzellen-Deflektor sollten folgende Strahlparameter eingehalten werden: der Strahlradius in der x-y-Ebene sollte vor Eintritt in den Deflektor kleiner als 0.5 cm sein, die Energiebreite deltaW < +- 2% und die Phasenbreite deltaPhi < +- 30° betragen. Ansonsten treten Teilchenverluste durch Elektrodenkontakt auf oder der Bunch wird in longitudinaler Richtung zu groß, so daß die Möglichkeit besteht, das eine Überlappung der Bunche stattfindet. Mit der vorliegenden Arbeit sind Programme zur detaillierten Berechnung und Analyse von Funneling-Systemen entwickelt worden. Zukünftige Aufgaben sind neben der Untersuchung der Randfelder in Deflektoren die Minimierung des Emittanzwachstums durch die inhomogenen Felder. Nach ersten Strahltests und Funnelingergebnissen ist zu entscheiden, ob eine Matching-Sektion zwischen RFQ-Beschleuniger und Funneling-Deflektor zur weiteren Strahlanpassung eingebracht werden muss.
Mesenchymal stem cells (MSC), also referred to as marrow stromal cells, maintain the capacity to differentiate into multiple mesenchymal lineages such as osteoblasts, chondrocytes, adipocytes, myoblasts, stromal, neural and endothelial cells. The use of autologous MSC has generated widespread interest due to their developing application in regenerative medicine and tissue engineering in orthopedic surgery. They have become an indispensable cell source for successful implementation in many bone reconstruction procedures. In addition to their multipotency and selfrenewal capacity, they are easily harvested, have demonstrated a homing mechanism and can be efficiently expanded in vitro, thus providing a safe and costefficient tissue replacement for patients with skeletal injury or disease. Little information is currently available concerning donor characteristics for tissue engineering growth of osseous tissue. This study examines the influences of such donor characteristics, including injury pattern, gender, age, and site of harvest on the quantity, quality and osteogenic differentiation of MSC. The goal is to evaluate whether certain patient groups are practically suitable for an ex vivo expansion and therapeutic reimplantation of MSC. The effect of injury pattern on the reservoir and proliferative capacity of MSC in human bone marrow is clearly demonstrated in this analysis. Age and gender were also shown to influence MSC number and proliferation, as in previous studies. A total of 53 participants (46 patients and 7 healthy volunteers ranging from 18 to 64 years of age), who were scheduled to undergo operative procedures on the pelvis, vertebrae, tibia or hip as well as cancellous bone autografts for reconstruction of various bone defects, were included in the study. Participants were divided into 4 groups for each gender: single fracture, multiple trauma, atrophic nonunion and healthy volunteers. A minimum of 6 ml bone marrow samples were aspirated intraoperatively and processed immediately according to protocol. Following cultivation and expansion for 14 days, the cells were then stained for the colony forming unit-fibroblast (CFU-F) assay and each culture flask was photographed, digitized and converted to an 8 bit grey level TIF-format. Using the digitized CFU-F assay, the mean colony number, mean colony area and mean cell number per microscopic field of view (cell density) could be determined. In addition, confirmation of MSC phenotype was established using fluorescent activated cell sorting (FACS). MSC potential for osteogenic differentiation was quantified by von Kossa, alkaline phosphatase and alizarin staining. Furthermore, serum from a total of 39 randomly chosen participants was collected and tested for hormone levels of 17β-estradiol, testosterone and prolactin as well as the cytokine interleukin-6. These analyses demonstrate several significant trauma-related modifications in MSC reservoir and proliferation, in both male and female patients. In multiple trauma patients, the highest MSC frequency was found, independent of gender and age. Proliferative capacity was also highest in male multiple trauma patients. In the case of atrophic nonunion, the lowest MSC reservoir was detected, independent of gender. Furthermore, MSC frequency in male patients was significantly higher than in female, although analyses of hormone and interleukin-6 levels provided no correlation. Agerelated changes in MSC reservoir could also be observed, whereas the proliferative capacity produced only a tendency toward decreasing values with increasing age. Concerning the site of cell harvest, MSC isolated from the proximal extremity of the tibia, greater trochanter and vertebral body did not proliferate sufficiently enough to be included in statistical analysis, supporting the use of the iliac crest for efficient expansion of MSC. This data suggests the interaction of yet to be identified processes in bone marrow in multiple trauma situations which stimulate the activation and mobilization of MSC. Moreover, in the case of atrophic nonunion, the concentration in bone marrow is depleted and the absence of systemic stimulation present in multiple trauma results in reduced activation of proliferative capacity. Such patients, with severe injury or atrophic nonunion, represent a group of patients with an especially acute necessity for effective and successful bone reconstruction. This data can be used to determine the applicability of MSC from various patient groups for osseous tissue replacement procedures. Especially in such medically challenging situations, further research is essential not only to delineate the factors involved in MSC regulation but also to develop methods to stimulate MSC expansion and proliferation.
Die vorliegende Arbeit präsentiert die Ergebnisse der Erzeugung und Diagnostik eines HF-Plasmas in einem magnetischen Quadrupolfeld. Einen Schwerpunkt bildete dabei der Einfluss des magnetischen Quadrupolfeldes auf die Plasmaparameter Elektronentemperatur Te und Elektronendichte ne. Die Extraktion eines Ionenstrahls bietet die Möglichkeit, Zusammenhänge zwischen den erreichten Strahlparametern und den physikalischen Eigenschaften des HF-Plasmas herzustellen. Zudem wird eine Korrelation zwischen der Geometrie der Entladung, der erreichbaren Plasmaparameter und der eingespeisten HF-Leistung aufgezeigt werden. Zunächst wurde die Elektronentemperatur in Abhängigkeit vom eingestellten Gasdruck und von der Stromstärke in den Feldspulen des magnetischen Quadrupols vermessen. Die Emissionsspektroskopie bot sich hierbei als nicht invasive Diagnostik an. Eine umfangreiche Messreihe ergab schließlich ein Profil der Elektronentemperatur, als Funktion der variablen Parameter Gasdruck und Erregerstromstärke. Die Elektronentemperatur im Plasma lag dabei im Bereich zwischen 3eV ohne Magnetfeld bis maximal 11eV mit magnetischem Einschluss. Hierbei zeigten sich einige, auf den ersten Blick überraschende Ergebnisse. So ergab sich ein lokales Maximum der Elektronentemperatur von 11eV bei einem Gasdruck von 1Pa und einer Flussdichte von 11mT. Als physikalische Ursache konnte die Kombination aus zwei resonanten Heizmechanismen identifiziert werden. Sowohl die stochastische Heizung als auch die lokale Anwesenheit von Zyklotronresonanzbedingungen führten zu einer starken Erhöhung der Elektronentemperatur. Ferner konnte experimentell nachgewiesen werden, dass die charakteristischen Eigenschaften des Quadrupolfeldes, das Entstehen dieser Heizmechanismen in einem engen Parameterbereich begünstigte. In diesem Zusammenhang ist die Ausprägung einer Gyroresonanzzone im HF-Plasma erwähnenswert, deren Ausdehnung mit dem Erregerstrom in den Feldspulen des Quadrupols skaliert und die einen maßgeblichen Einfluss auf die Ausprägung hochenergetischer Elektronen hat. Neben der Diagnostik stand auch die Extraktion eines Ionenstrahls im Vordergrund. Das Potential des Gesamtsystems, als Ionenquelle zu fungieren wurde dabei experimentell verifiziert. Spezifische Strahlstromdichten von 8mA/cm²kW konnten dabei erreicht werden. Es ergab sich hierdurch auch die Möglichkeit, einen Zusammenhang zwischen der Elektronendichte im Plasma und der eingespeisten HF-Leistung herzustellen. Die Ergebnisse dienten anschließen dazu, den Einschluss des Plasmas im magnetischen Quadrupolfeld zu quantifizieren. Beim Betrieb des Plasmagenerators ohne Magnetfeld wurden Elektronendichten von 3 . 1016m-3 erzielt. Mit fokussierendem Quadrupolfeld konnte eine lokale Steigerung der Elektronendichte um den Faktor 10 auf 3 . 1017m-3 dokumentiert werden, was die theoretischen Studien von C. Christiansen und J. Jacoby [Chr99], zu den fokussierenden Eigenschaften eines magnetischen Quadrupols, bestätigte. Große Sorgfalt war bei der Konzeption der HF-Einspeisung erforderlich. Da für Entladungsplasmen ein im hohen Maß nichtlinearer Zusammenhang, zwischen den Plasmaparametern und der eingespeisten HF-Leistung besteht, erwies sich die Entwicklung einer HF-Einkopplung als besondere Herausforderung. Hier zeigte sich die Plasmadiagnostik als unverzichtbares Hilfsmittel, um theoretische Vorhersagen und experimentellen Befund in Einklang zu bringen. Als limitierende Rahmenbedingungen erwiesen sich hier die Abmessungen des Quadrupols. In der vorliegenden Arbeit konnte dokumentiert werden, wie die geometrischen Einschränkungen die Auswahl der HF-Einkopplung bestimmten. Das zur Untersuchung des magnetischen Plasmaeinschlusses verwendete Glasrohr, mit einer verhältnismäßig großen Oberfläche und einem vergleichsweise kleinem Volumen, war für eine kapazitive HF-Einkopplung wesentlich besser geeignet als für die ursprünglich antizipierte induktive Plasmaanregung. Die physikalischen Zusammenhänge zwischen den erreichbaren Plasmaparametern, der verwendeten Koppelmethode, der erzielbaren Stromstärke des Ionenstrahls und den Abmessungen des Entladungsgefäßes, konnten durch eine umfassende Analyse aufgeklärt werden. Zudem wurde auch die Problematik des Zerstäubens von Elektrodenmaterial einer qualitativen Untersuchung unterzogen. Hier kristallisierten sich vor allen Dingen die hohen Randschichtpotentiale bei der verwendeten HF-Einkopplung, als physikalische Ursache für die Sputterrate heraus. Basieren auf den gewonnenen Erkenntnissen wurde eine Maßnahme zur Reduzierung der Sputterproblematik vorgenommen. Die Untersuchung des magnetisch eingeschlossenen Entladungsplasmas brachte Einsichten über die Zusammenhänge zwischen gewählter HF-Einkopplung, den Plasmaparametern und den Rahmenbedingungen der Entladungsgeometrie. Es ergeben sich hierdurch wichtige Erkenntnisse, die eine Aufskalierung des vorliegenden Aufbaus hin zu einer Hochstromionenquelle mit spezifischen Strahlstromdichten von 100mA/cm²kW ermöglichen. Ferner ist auch ein Einsatz der Konfiguration als Plasmatarget möglich, um Wechselwirkungen zwischen hochenergetischen Schwerionen und magnetisch fokussierten Entladungsplasmen zu untersuchen.
In der vorliegenden Studie wurde die nasale Applikation von Sufentanil mit Fentanyl verglichen. Hierbei sollte geklärt werden, welches Medikament besser geeignet und analgetisch wirksamer sei, ob Nebenwirkungen auftreten würden und ob sich die neue Nasensprayflasche als praktikabel erweisen würde. Nach Abschluß und Auswertung der Studie lässt sich festhalten, daß die analgetische Potenz von Sufentanil der von Fentanyl überlegen ist. Die Neigung zur Atemdepression ist jedoch höher als in der Gruppe mit Fentanyl. Sufentanil hingegen führt zu einer starken Sedierung des Patienten und ist nur geeignet, wenn eine intensivere Überwachung gewährleistet ist. Gerade im Hinblick auf die Sicherheit scheint daher Fentanyl in einer höheren Dosierung pro Sprühstoß das sicherere Medikament für die patientenkontrollierte Analgesieanwendung zu sein. Im klinischen Alltag wird daher bereits jetzt in Australien ausschließlich Fentanyl in einer Nasensprayflasche verwendet. Nebenwirkungen, allen voran die postoperative Übelkeit, ließen sich mit handelsüblichen Antiemetika gut kontrollieren und waren nicht größer als bei der üblichen intravenösen Applikation von Analgetika des Opioidtyps. Die Nasensprayflasche als Applikator in Glasform und handlicher Größe rief große Zufriedenheit bei den Anwenderinnen und dem Pflegepersonal hervor. Es war keine Geräteeinweisung nötig, außer der, die im Rahmen der Studie durchgeführt wurde, und es gab keine Probleme in der Handhabung. Allerdings sehen wir es als unverzichtbar an, dass die Patientinnen der Nasensprayflasche sowie dem Verfahren der selbstbestimmten Schmerztherapie gegenüber, ein gewisses Verständnis aufbringen sollten. Ein ausführliches Aufklärungsgespräch, welches der Patientin den Ablauf des Verfahrens und die Wirkweise der Methode verdeutlicht, ihr die Möglichkeit gibt, Vertrauen aufzubauen und bestehende Fragen zu klären, ist unerlässlich. Dieses Gespräch sollte auch dem Anästhesisten dazu dienen, die Patientin in Bezug auf ihre Eignung für diese Form der Schmerztherapie zu beurteilen. Der größte Gewinn und Fortschritt dieser Methode sind die Selbstbestimmung und Unabhängigkeit der Patientinnen. Jede einzelne ist in der Lage, sich jederzeit eine angemessene, für ihre individuelle Situation und ihr subjektives Schmerzempfinden passende Menge an Analgetika zuzuführen. Die Unabhängigkeit vom Pflege- oder ärztlichem Personal ist gewährleistet, womit Wartezeiten und Schmerzspitzen vermieden werden können. Die Einschätzung der Krankenschwestern und Pfleger, dass ein Patient bereits ausreichend Schmerzmittel erhalten hätte, wird umgangen und in die Hand der schmerzempfindenden Person selbst gelegt - dem Patienten.
Bei der Reduktionsmammaplastik entstehen weitgehend unabhängig vom Operationsverfahren große Wundflächen. Diese führen in 1,8 - 6% zur Ausbildung von behandlungspflichtigen Hämatomen [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. In bis zu 6,3% entstehen anhaltende Serome [1, 2, 4, 5, 6, 7]. Flüssigkeitsansammlungen verursachen durch größere Spannungen der Haut und Infektionen Komplikationen im Heilungsverlauf. Bei 7,5 - 24% der Brustverkleinerungen kommt es zu einer verzögerten Wundheilung [1, 2, 3, 4]. Davon werden das Wohlbefinden der Patientinnen und die Dauer des stationären Aufenthalts nachhaltig beeinträchtigt. Der Nutzen von Drainagen zur Vermeidung von Hämatomen und Seromen ist nicht abschließend geklärt [8, 9, 10, 11, 12, 13]. Die Anlage von Nähten zur Verkleinerung der Wundfläche kompromittiert die Perfusion. Dabei ist besonders die Mamille gefährdet, eine Nekrose zu entwickeln. Eine moderne Technik zur Verkleinerung der Wundfläche und folglich auch zur Verringerung der Sekretionsmenge stellt die Versiegelung mit Fibrinklebung dar, die sich seit 1975 für zahlreiche Indikationen etabliert hat [14, 15, 16, 17]. Bisher wurde die spezielle Wirkung der homologen Fibrinklebung auf den Wundheilungsprozess nach Reduktionsmammaplastik nicht untersucht. Das Ziel dieser Studie ist es festzustellen, ob und inwieweit durch das Aufsprühen von Fibrinkleber ein positiver Effekt auf die Wundsekretion, d.h. auf deren korpuskulären bzw. serösen Anteil im einzelnen und auf die Wundheilung insgesamt besteht. Letztendlich geht es darum, Verbesserungen im Sinne der Fast-Track-Chirurgie zu erzielen. Im Rahmen einer prospektiven Studie sollten deshalb die Daten von einhundert konsekutiv rekrutierten Patientinnen ausgewertet werden, die sich zwischen Juli 2004 und August 2006 einer bilateralen Brustverkleinerung in der Klinik für Plastische Chirurgie, Wiederherstellungsund Handchirurgie des Markus-Krankenhauses, Frankfurt am Main unterzogen.
In der klassischen Theorie der formalen Sprachen gehört die Beschreibung von Sprachen durch Grammatiken oder Automaten zu den wichtigen Themen. Im Gegensatz zu diesen Modellen, die aus einer einzelnen Komponente bestehen, beschäftigt sich die Informatik heute aber immer häufiger mit verteilten Systemen, deren Komponenten auf verschiedene Art und Weise zusammenarbeiten. Eine Möglichkeit, dieses Konzept auf die Theorie der formalen Sprachen zu übertragen, ist die Definition von Grammatiksystemen. Ein Grammatiksystem besteht aus mehreren Grammatiken, die nach bestimmten Regeln zusammenarbeiten. Hauptsächlich unterscheidet man dabei zwischen sequentieller und paralleler Kooperation. In dieser Arbeitwerden kontextfreie „cooperating distributed“ (CD) Grammatiksysteme, ein Modell mit sequentieller Kooperation, betrachtet. Zur Erzeugung eines Wortes arbeiten dabei mehrere kontextfreie Grammatiken, die Komponenten, an einer gemeinsamen Satzform. Zu jedem Zeitpunkt ist immer nur eine einzige Komponente aktiv. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Beschreibungskomplexität von CD Grammatiksystemen. Dabei wird zuerst auf die verschiedenen Maße für die Größe oder statische Komplexität eines CD Grammatiksystems eingegangen. Ein wichtiges Ergebnis im ersten Teil der Arbeit ist, daß man für CD Grammatiksysteme und insbesondere hybride CD Grammatiksysteme, eine Verallgemeinerung von kontextfreien CD Grammatiksystemen, einige dieser Maße nach oben beschränken kann. Darunter fallen die Anzahl der Komponenten und die maximale Anzahl von Produktionen in einer Komponente. Hält man einen der beiden Parameter fest, so entsteht eine unendliche Hierarchie über dem anderen Parameter. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich darauf, Ergebnisse für Größenmaße zu erzielen, die nicht nur einzelne Aspekte der Komplexität, sondern die gesamte Größe oder Länge eines CD Grammatiksystems darstellen. Dafür werden CD Grammatiksysteme geeignet eingeschränkt. Man erhält metalineare Systeme und Systeme von endlichem Index. Im Gegensatz zum unbeschränkten Modell kann hier die generative Mächtigkeit sehr genau charakterisiert werden und es können Hilfsmittel wie Pumpinglemmata gezeigt werden.Weitere Resultate sind eine unendliche Hierarchie über der Breite beziehungsweise dem Index solcher Grammatiksysteme. Das wesentliches Resultat im zweiten Teil dieser Arbeit besteht daraus, daß zwischen zwei Klassen von diesen eingeschränkten CD Grammatiksystemen, deren entsprechende Sprachklassen echt ineinander enthalten sind, nichtrekursive Tradeoffs existieren. Das heißt, daß sich der Größenzuwachs beim Wechsel von der stärkeren Klasse von CD Grammatiksystemen in die schwächere durch keine rekursive Funktion beschränken läßt.
Nach einer kurzen Einführung in die Theorie der Volterra-Systeme wurden in dieser Arbeit zunächst Verfahren zur Bestimmung von Volterra-Kernen als Kenngrößen für Volterra-Systeme zur Modellierung nichtlinearer Systeme analysiert. Im Vordergrund stand zunächst ein Verfahren basierend auf der Messung der Kreuzkumulanten-Spektren höherer Ordnung von Ein- und Ausgangssignal eines nichtlinearen Systems, wobei als Systemanregung ein stationärer, mittelwertfreier Gaußscher Zufallsprozeß angenommen wurde. Die Analyse der untersuchten Differenzengleichung zeigt, daß zur präzisen Bestimmung der Kernfunktionen bis zur dritten Systemordnung mehr als eine Million Ein- und Ausgangswerte notwendig sind. Vergleichend dazu wurde der Volterra-RLSAlgorithmus betrachtet, der eine rechenzeiteffiziente Bestimmung der Volterra-Kerne zuläßt und kein bestimmtes Eingangssignal erfordert. Beim Volterra-RLS-Algorithmus wurde zunächst die zur Bestimmung derartiger Systemkenngrößen erforderliche Anzahl der Ein- und Ausgangswerte festgestellt. Hierbei wurde u.a. auch ein gedämpftes Pendel als Modellsystem betrachtet. Die Ergebnisse zeigen, daß eine genaue Bestimmung der Volterra-Kerne mit dem Volterra-RLS-Algorithmus schon anhand von etwa 1500 Ein- und Ausgangswerten möglich ist. Anschließend wurde eine spezielle Klasse von Volterra-Systemen, die in lineare Teilsysteme zerlegbar sind, untersucht. Der Volterra-Kern eines solchen Systems, das ausschließlich aus linearen, zeitinvarianten Systemen aufgebaut ist, kann bei Kenntnis von deren Impulsantworten direkt bestimmt werden. Ihre Struktur führt zu einer deutlich verminderten Rechenkomplexität bei der Berechnung der Systemantwort des dargestellten Volterra-Systems. Wie in der Arbeit gezeigt, reichen für eine präzise Messung der Volterra-Kerne, die mit einem Gradientenverfahren bestimmt wurden, bei diesen Systemen bereits ungefähr 1000 Ausgangswerte aus. Außerdem ist die Realisierung eines Systems höherer Ordnung aus Systemen niedrigerer Ordnung relativ einfach möglich. Bei umfangreichen Untersuchungen wurde eine Identifikation nichtlinearer Systeme mit unterschiedlich ausgeprägten Nichtlinearitäten vorgenommen. Als Beispiel ist in dieser Arbeit der Fall diskutiert, bei dem Lösungen der Duffing-Gleichung herangezogen wurden. Dabei wurden Volterra-Systeme bis zur fünften Ordnung zugrundegelegt; eine präzise Approximation gelang in allen Fällen. Schließlich wurde noch festgestellt, inwieweit die Möglichkeit besteht, nach einer Bestimmung, d.h. anhand eines numerisch vorliegenden Kerns, daraus Systemparameter zu extrahieren. Dazu wurde eine spezielle OTA-C Integratorschaltung betrachtet; als Eingangssignale wurden Ein- und Zweitonsignale verwendet und anschließend die Bestimmung der Kerne homogener Systeme vorgenommen. Anhand dieser Resultate konnten der Widerstand R0 und die Kapazität C des OTA-C Integrators mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß eine Identifikation mit den aus linearen Systemen implementierten Volterra-Systemen zu geringeren relativen, mittleren quadratischen Fehlern führt als bei Verwendung der aus der allgemeinen Definition hervorgehenden Systeme. Neben der Verringerung der Rechenkomplexität konnte somit auch eine erhöhte Approximationsgüte festgestellt werden. Aufgrund dieses Befundes wurden derartige Volterra-Systeme für die besondere Fragestellung zur Epilepsieforschung eingesetzt, zu denen diese Arbeit beitragen sollte. Die Prädiktion von EEG-Signalen bei Epilepsie stand dabei im Vordergrund der Betrachtungen. Als erstes wurde der Prädiktionsgewinn sowohl in Abhängigkeit von der Systemordnung als auch in Abhängigkeit von der System- und Filterlänge ermittelt. Im Hinblick auf eine Realisierung in der Praxis wurde die Filterlänge nur zwischen L = 2 bis L = 10 variiert. Diese Untersuchungen haben gezeigt, daß Messungen dabei mit größerer Filterlänge als L = 4 zu keinen weiteren nennenswerten Verbesserungen der Resultate führten. Nach erfolgter Prädiktion wurde der zeitliche Verlauf des Prädiktionsgewinns auf Veränderungen vor oder zu Beginn eines epileptischen Anfalls untersucht. Die Kurvenverläufe der Prädiktionsgewinne der homogenen Systeme zweiter und dritter Ordnung zeigen keine signifikanten Veränderungen vor einem Anfall. Demgegenüber lassen die Kurvenverläufe der Prädiktionsgewinne der homogenen Systeme erster Ordnung und der inhomogenen Systeme dritter Ordnung zu Beginn eines Anfalls einen deutlichen Anstieg erkennen. Weiterhin deuten diese Ergebnisse daraufhin, daß eine genauere Lokalisierung des fokalen Bereichs basierend auf dem Prädiktionsgewinn möglich erscheint. Zu weiteren Untersuchungen wurden die Kerne der Systeme herangezogen und der zeitliche Verlauf des sogenannten nichtlinearen Anteils dm(i) näher betrachtet. Diese Ergebnisse lassen keine signifikanten Änderungen erkennen. Dementgegen stehen die Resultate für Langzeitregistrierungen von EEG-Signalen. Bei einer Analyse der zu einer längerenMeßreihe gehörigen Daten eines 19-jährigen männlichen Patienten wurde festgestellt, daß der Prädiktionsgewinnmeistens kurz vor den epileptischen Anfällen unter denMittelwert des anfallsfreien Zustands abfällt. Änderungen der Kurvenverläufe des Prädiktionsgewinns kurz vor epileptischen Anfällen weisen erkennbar spezifische Merkmale auf, die möglicherweise als Vorboten eines epileptischen Anfalls angesehen werden könnten
The search for a modification of hadron properties inside nuclear matter at normal and/or high temperature and density is one of the more interesting issues of modern nuclear physics. Dilepton experiments, by providing interesting results, give insight into the properties of strong interaction and the nature of hadron mass generation. One of these research tools is the HADES spectrometer. HADES is a high acceptance dilepton spectrometer installed at the heavy-ion synchrotron (SIS) at GSI, Darmstadt. The main physics motivation of HADES is the measurement of e+e- pairs in the invariant-mass range up to 1 GeV/c2 in pion- and proton-induced reactions, as well as in heavy-ion collisions. The goal is to investigate the properties of the vector mesons rho, omega and of other hadrons reconstructed from e+e- decay pairs. Dileptons are penetrating probes allowing to study the in-medium properties of hadrons. However, the measurement of such dilepton pairs is difficult because of a very large background from other processes in which leptons are created. This thesis presents the analysis of the data provided by the first physic run done with the HADES spectrometer. For the first time e+e- pairs produced in C+C collisions at an incident energy of 2 GeV per nucleon have been collected with sufficient statistics. This experiment is of particular importance since it allows to address the puzzling pair excess measured by the former DLS experiment at 1.04 AGeV. The thesis consists of five chapters. The first chapter presents the physics case which is addressed in the work. In the second chapter the HADES spectrometer is introduced with the characteristic of specific detectors which are part of the spectrometer. Chapter three focusses on the issue of charged-particle identification. The fourth chapter discusses the reconstruction of the di-electron spectra in C+C collisions. In this part of the thesis a comparison with theoretical models is included as well. The conclusion and final remarks are given in chapter five.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei Knockout-Mutanten für die Cyclophiline CypA1 und CypA2 hergestellt. Für die Konstruktion wurde nicht nur das eigentlich Gen verwendet, sondern auch umliegende Bereiche. Im Endeffekt standen der homologen Rekombination an beiden Seiten des Knockout-Konstrukts ca. 1000 bp zur Verfügung. Zunächst wurden die DNA-Abschnitte der Cyclophiline aus der genomischen DNA von Streptomyces lividans mittels PCR isoliert. Aufgrund des hohen GC-Gehalts wurde die Amplifikation in Fragmenten durchgeführt. Es wurden verschiedene PCR-Bedingungen getestet und für jedes Fragment optimale Bedingungen ermittelt. Nach Aufreinigung und A-Tailing folgte eine Ligation mit pGemT-Easy. Die erhaltenen Fragmente wurden sequenziert und anschließend über mehrere Klonierungsschritte in E. coli wieder zusammengefügt. Dabei wurde eine Apramycinresistenz-Kassette so in das Gen eingebaut, dass die eigentliche Information für das Cylophilin-Gen zerstört wurde. Das daraus resultierende Knockout-Konstrukt wurde in den temperatursensitiven pGM160, einem E.coli-Streptomyces-Shuttle Vektor, kloniert und in Streptomyces lividans transformiert. Nach einem Temperaturshift integrierte der temperatursensitive Vektor über homologe Rekombination in das Genom. Die DNA der potenziellen Mutanten wurde auf den zielgerichteten Einbau des Knockout-Konstrukts im gewünschten Cypclophilin-Gen untersucht. Mittels PCR konnten entsprechende Amplifikate hergestellt werden, die den Nachweis für die erfolgreiche homologe Rekombination lieferten. Der physiologische Zustand des Zellstoffwechsels kann durch extreme Umweltbedingungen wie Nährstoffdefizienz oder Hitzeschock in radikaler Weise verändert werden. Bei diesen Prozessen können Peptidyl-Prolyl cis/trans Isomerasen beteiligt sein, indem sie durch Isomerisation der Prolyl-Bindung ein Enzym modulieren oder bei der Expression von neuen Proteinen im Rahmen der Proteinfaltung mitwirken. Experimente unter veränderten Wachstumsbedingungen wie z.B. Nährstoffdefizienz oder Hitzeschock können Aufschluss darüber geben, ob in diesem Fall Peptidyl-Prolyl cis/trans Isomerasen an der Modulation von Enzymen beteiligt sind.
Die Flusssäure stellt in der modernen zahnärztlichen Adhäsivtherapie eine wichtige Substanz dar. Nur sie allein vermag außerhalb der Mundhöhle ein gleichmäßiges Relief in die defektzugewandte Fläche einer vollkeramischen Einlagefüllung (Inlay) zu ätzen, das es ermöglicht, eine mikro-mechanische Verzahnung mit einem Befestigungszement auf Komposit-Basis einzugehen. Ein Silanisierungsvorgang soll zudem die chemische Bindung zwischen Keramik und Zement ermöglichen und die Haftung optimieren. Kommt es trotz sorgfältigster Handhabung der Restauration und Befolgung sämtlicher Präparationsregeln zu Frakturen, stellt sich die Frage nach der Reparaturfähigkeit solcher Defekte in situ. Grundvoraussetzung hierfür bleibt jedoch die Konditionierung der keramischen Verbundflächen mittels Flusssäure. Die Auswirkungen der als höchst ätzend eingestuften Flusssäure bei Hautkontakt sind weitestgehend bekannt: Neben den auftretenden starken Schmerzen kann es zur Überschwemmung des gesamten Körpers mit Fluoriden kommen. Die Vitalfunktionen des menschlichen Körpers sind durch das Ausfällen des Kalziums durch das Fluorid im höchsten Maße bedroht. Infolge dessen kann es zum Herzstillstand kommen. Aus diesen Gründen war die Untersuchung der Auswirkungen der Flusssäure unerlässlich. Ein von SCHMALZ 1988 beschriebenes Verfahren der Agar-Overlay-Methode in Verbindung mit einem von HEIDEMANN 1982 und 1985 erprobten Modell der Primärzellkultur mit humanen Gingivafibroblasten bildete die Grundlage für eigene Untersuchungen. Dentinscheiben 9 verschiedener Stärken von 100 bis 500 μm wurden mit Flusssäure behandelt und mit 10 ml Ringer-Lösung gespült oder ungespült auf den Zellrasen, der mit Agar überschichtet war, zurückgelegt. Das gleiche Verfahren wendete man bei der Prüfung der Zytotoxizität eines Gemisches aus Fluss- und Phosphorsäure an. In den Versuchsreihen wurde das Verhalten der einlagigen Zellpopulation phasenkontrastmikroskopisch hinsichtlich zytotoxischer Erscheinungen beobachtet und fotographisch dokumentiert....
In der vorgelegten Arbeit wurden 50 Mutationen von Aminosäuren im Bereich der Chinoloxidationsbindungsstelle (Qo-Site) des bc1-Komplexes aus Paracoccus denitrificans untersucht. Hierzu wurden die Mutanten erstellt, Kinetiken der Substratbindung bestimmt und EPR Spektren aufgenommen. Mit den gleichen Methoden wurden auch verschiedene Klasse I und Klasse II Inhibitoren der Qo-Site untersucht. Wenngleich der Reaktionsmechanismus auch mit Hilfe dieser Mutationen nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, so konnten doch neue Einsichten in die Funktionsweise des bc1-Komplexes gewonnen werden. Verschiedene Modelle wurden vorgeschlagen, um die energetisch günstige aber thermodynamisch unwahrscheinliche Verzweigung der beiden Elektronen des Ubichinols auf die beiden Redoxketten des bc1-Komplexes der Atmungskette zu beschreiben. Da die Redoxpotentiale der beiden primären Elektronenakzeptoren extrem unterschiedlich sind, scheint es zwingend zu sein, dass beide Elektronen den Hochpotentialzweig (Rieske, Cytochrom c1, Cytochrom c) durchlaufen. Energetisch bietet jedoch die Wiederverwendung eines der beiden Elektronen den immensen Vorteil der realen Verdopplung der Protonenpumpleistung. Die wichtigsten Mutationen der vorliegenden Arbeit betreffen die vermuteten direkten Bindungspartner des Ubichinols, bE295 und fH155. Das Histidin ist Teil der beweglichen Rieske Untereinheit des bc1-Komplexes, das Glutamat ist Teil eines hoch konservierten Abschnitts des Cytochrom b. Aufgrund der gemessenen Wirkungen der untersuchten Mutationen auf die kinetischen Kennzahlen und EPR Parameter der eingesetzten Substrate und Inhibitoren lassen sich folgende Schlüsse ziehen. Die Bindung des Chinol-Substrats in der Qo-Site benötigt die korrekte Ausrichtung und den unveränderten Bindungspartner fH155 der Rieske [2Fe-2S]-Gruppe. Das Fehlen des zweiten vermuteten Bindungspartners bE295, der ein Teil des hochkonservierten PEWY-Loops ist, wird hingegen toleriert. Die Aktivitäten bei Mutationen dieser Aminosäure liegen mit bis zu 56% im Vergleich zum Wildtyp (bE295A) relativ hoch. Auch unter Berücksichtigung von möglichen bypass Reaktionen ist es fraglich, ob das Glutamat des PEWY-Loops ein direkter Bindungspartner des Substrats ist. Der Inhibitor Stigmatellin bindet im bc1-Komplex von Paracoccus denitrificans irreversibel in der Qo-Site, auch wenn einer der beiden vermuteten Bindungspartner (bE295 bzw. fH155) nicht verfügbar oder verändert ist. Daraus kann man schließen, dass die Bindung des Stigmatellins im Wesentlichen von seiner Seitenkette im Bereich des Chinol-Eintrittskanals des bc1-Komplexes stabilisiert wird. Wechselwirkungen der bizyklischen Kopfgruppe mit Aminosäuren der Chinoloxidationsbindungstasche sind hierfür nicht zwingend notwendig. Weitere durchgeführte Mutationen lassen folgende weitere Rückschlüsse zu: Der korrekte Bindungsraum der Qo-Site ist für eine maximale Umsatzgeschwindigkeit des bc1-Komplexes erforderlich. Dies zeigen Mutationen von bG158 und bV161. Die Struktur des hochkonservierten PEWY-Loops ist mitentscheidend für die Aktivität des bc1-Komplexes. Störungen der Konfiguration in diesem Bereich führen zu einer deutlichen Abnahme der Aktivität. Dies lassen Mutationen von bY297, bP294 und bW296 erkennen. Der ef-Loop hat einen Einfluss auf die Bewegungsvorgänge der Rieske-Kopfgruppe. Er ist jedoch nicht sehr flexibel (bL286H). Veränderungen im Wasserstoffbrückennetzwerk der Rieske-Kopfgruppe führen zu einer deutlichen Verminderung der Elektronentransferraten (bY159F, bS157A und bF151H). Die Bindungsregionen von Klasse I Inhibitoren in der Qo-Site überlappen mit denen des natürlichen Substrats. Sie sind jedoch nicht identisch, was sich im unterschiedlichen Verhalten einiger Mutationen auf die Aktivität von Substrat und die Inhibitionswirkung von Klasse I Hemmstoffen ausdrückt. Die Untersuchungen der Auswirkungen von Mutationen auf einen vermuteten Wasserkanal im Bereich des Häm bL und auf eine angenommene Zinkbindungsstelle im gleichen Bereich zeigen keine eindeutig interpretierbaren Ergebnisse. Die Mutationsstudien im Bereich des Cytochrom c1 wurden begonnen. Zusätzliche Mutanten in diesem Bereich könnten weiterführende Aufschlüsse über die Wechselwirkung der Rieske-Kopfgruppe mit Cytochrom c1 bringen. Die vorgelegte Studie lässt erkennen, dass die Vorgänge in der Qo-Site des bc1-Komplexes aus Paracoccus denitrificans höchst komplex sind. Zusätzliche Untersuchungen der erzeugten Mutanten mit Hilfe weiterer Detektionsmethoden, insbesondere CD- und FTIR-Messungen, könnten in Zukunft eine noch bessere Einsicht in die Vorgänge dieses wichtigen Komplexes der Atmungskette geben.
G-protein coupled receptors (GPCRs) comprise the largest superfamily of cell surface receptors and possess a signature motif of seven transmembrane helices. The endothelin B (ETB) receptor is a member of rhodopsin like GPCR family. It plays an important role in vasodilation and is found in the membranes of the endothelial cells enveloping blood vessels. Knowledge of the three-dimensional structure of G-protein coupled receptors in general would significantly add to our understanding of their molecular mechanisms and would be useful in the search for new specific drugs. However, three-dimensional structural analysis will require milligram quantities of pure and homogeneous protein. This dissertation is a study of the production, biochemical characterization and preliminary structural studies of the human ETB G-protein coupled receptor. The present work aimed at elucidating the structure and mechanistic details of function of the receptor by using a combination of X-ray crystallographic and NMR methods for collecting structural data. To obtain homogenous and monodisperse receptor protein preparation for structural and functional studies, we implemented the baculovirus expression system for the production of ETB receptor for the present work. The two step affinity purification ensured capture of full-length receptor. Silver stained SDS-PAGE of the purified receptor-ligand complex indicated greater than 90% protein purity. Based on previous reports, we used the high affinity ligand (endothelin -1) binding to the receptor for co-crystallization of receptor-ligand complex by locking the receptor in the activated conformation. As a prerequisite for 3D crystallization trials, the stability of the detergent solubilized receptor-ligand complex was assessed with respect to pH, temperature and time. Receptor-ligand complex did not show any degradation and aggregation over 6 days at 4°C and 18°C. Interestingly, change of pH suggested that receptor-ligand complex is unstable at lower pH due to possible charge induced conformational changes. In our work, we introduced the idea of using fluorophore labeled ligand for simple visual recognition of the receptor-ligand complex during purification and crystallization. On the other hand, we alternatively used biotinylated endothelin-1 to produce an adequate amount of ligand bound receptor complex, thus ensuring homogeneity of the purified complex for use in structural studies. Thus far, preliminary crystals have been obtained for both the unlabelled ET-1 and fluorophore labeled ET-1 complexed with ETB receptor. Moreover, we performed the systematic investigation of the protein/peptide binding partner for the receptor-ligand complex with the chief aims of stabilizing structure and increasing the possibilities of 3D-crystal contacts. Thus subsequent to formation of receptor-ligand complex, the additional in vitro formation of a ternary arrestin-receptor-ligand complex was also attempted for use in structural studies. We successfully demonstrated that arrestin mutant (R169E) forms a tight complex with ETB receptor regardless of its phosphorylation state. A second approach to get insight into the ETB receptor ligand binding site relied on the use of spin isotope labeled ET-1 ligand peptide by employing solid state MAS NMR method. Preliminary data provided compelling evidence that the C-terminal region of the peptide is immobilized in an ordered environment and presumably bound to the receptor. This indicates that the approach is feasible, although there are difficulties in sample preparation for further spectral measurements and data collection which are currently being discussed in ongoing investigations. At this point of our research work, we initiated a collaborative effort to obtain high yields of pure, active receptor without post translational modifications, from an E. coli cell lysate based in vitro expression system. We successfully optimized the production of homogenous and monodisperse endothelin B receptor in mg amounts. Thus this could potentially provide an alternative source of high quality receptor production in large quantities for immediate crystallization trials. Thus we hope that the results from these investigations can be applied in a more general sense to the production and crystallization of other G protein-coupled receptors.
Die transversale Betatronbewegung eines Ionenstrahls, genannt Tune, stellt neben der Strahlposition die wichtigste zu messende Strahleigenschaft für den stabilen Betrieb eines Kreisbeschleunigers dar. Die Einstellung des Tunes auf einen Arbeitspunkt unterliegt engen Grenzen, da eine Vielzahl resonanter Störungen existiert, die die Teilchenbewegung beeinflussen und somit Emittanzvergrößerung und Strahlverlust hervorrufen. Den gemessenen Tune mit hoher Auflösung in Zeit und Frequenz während der gesamten Beschleunigungsphase auszugeben ermöglicht eine Justierung der ionenoptischen Elemente der Strahlführung. Dadurch läßt sich die Teilchenzahl bis zur theoretischen Raumladungsgrenze erhöhen und darüber hinaus Teilchenverluste minimieren. Die Messungen wurden an Positionssonden (BPM) des Schwerionensynchrotrons SIS18 der "GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH" mit zwei verschiedenen Meßsystemen durchgeführt, was einen Vergleich der Systemauflösungen ermöglicht. Das Direkt Digitalisierende Meßsystem (DDM) wandelt das BPM-Elektrodensignal direkt nach der Verstärkerkette mit einer Rate von 125 MSa/s in digitale Daten um. Der Strahlschwerpunkt eines jeden Einzelbunches wird daraus mittels digitaler Prozessierung berechnet und durch Fouriertransformation dessen Frequenzspektrum bestimmt. Man erhält den fraktionalen Tune dadurch direkt im Basisband. Das am CERN entwickelte und für Parameter des SIS18 adaptierte Direct Diode Detection - System (DDD) zeigt ebenfalls den Tune im Basisband. Um den zu bearbeitenden Frequenzbereich erheblich zu reduzieren, werden bei diesem Verfahren die Bunchpeakwerte, die die Strahlschwingung enthalten, über ein RC-Element analog verzögert ausgegeben. Der erhaltene Tune kann daraus mit hoher Auflösung digitalisiert werden. In der vorliegenden Dissertation werden die Meßaufbauten, die digitale Prozessierung der BPM-Daten mittels neuer Algorithmen sowie die Auswertung und Berechnung des Tunes gezeigt. Es werden typische Tuneverläufe diskutiert und ein Arbeitsbereich definiert, bei dem stabile Tunemessungen mit S/N von 30-50 dB ohne meßbare Vergrößerung der Strahlemittanz möglich sind. Die Auflösung der Tunemessung beträgt δqy = 3.50 · 10−4 und δqx = 7.97 · 10−4 für Anregungskickwinkel im Arbeitsbereich. Darüber hinaus werden physikalische Anwendungen des Systems diskutiert, indem verschiedene Einflüsse von ionenoptischen- und Strahlparametern auf den Tuneverlauf gezeigt und ausgewertet werden.
Die vorliegende Arbeit fasst folgende experimentellen Arbeiten zusammen: • Synthese von amorphem, schwarzem, basischem Silicium Si am,schw,ox und amorphem, schwarzem, nicht basischem Silicium Siam,schw durch Reduktionsreaktion von Siliciumtetrachlorid mit Natrium. • Reaktivität des amorphen Siliciums Si am gegenüber verschiedenen Gasen: Cl2, HCl, CH3Cl • Reaktivität von Si am gegenüber Alkoholen bei Raumtemperatur. • Reaktivität von Si am gegenüber Alkoholen und Essigsäure in einem geschlossenen System, nicht katalysiert/katalysiert durch Cu(I)Cl und Cu(I)O. • Reaktivität von Si am,schw,ox und Si am,schw gegenüber Alkoholen und Essigsäure in einem offenen System (Ofen, „slurry phase“-Reaktor), nicht katalysiert/katalysiert durch Cu(I)Cl und Cu(I)O. • Thermische und katalytische Disproportionierungsreaktionen von Methylmethoxysilanen, katalysiert durch Alkalimetalle (Na), salzartige Verbindungen (Ca(OH)2, MgSO4/C, Na2SO4/C und (NH4)2SO4/C) und Lewis-Säuren (AlCl3). • Komproportionierung zwischen Trimethylmethoxysilan und Methyltrimethoxysilan Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag in Untersuchung der chemischen Reaktivität von amorphem Silicium Si am, synthetisiert durch Na-Reduktion von Siliciumtetrachlorid, gegenüber verschiedenen Gasen, wie z. B. Chlorgas, Chlorwasserstoff und Methylchlorid, gegenüber Alkoholen, wie z. B. Methanol, Ethanol und Phenol und gegenüber Essigsaure unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen. Die Reaktion zwischen amorphem Silicium Si am und Cl2-Gas führt bei 240-250°C zu Tetrachlorsilan SiCl4 als einziges Produkt. Die Reaktion mit HCl-Gas liefert im Temperaturbereich zwischen 360-370°C zwei Produkte: 15% Dichlorsilan, H2SiCl2 und 85% Trichlorsilan, HSiCl3. Im Temperaturbereich zwischen 370-420°C entstehen drei Produkte: 36,4% Dichlorsilan H2SiCl2, 58,5% Trichlorsilan HSiCl3 und 5,1% Tetrachlorsilan SiCl4. Über eine Temperaturführung kann die Produktbildung wesentlich beeinflusst und damit auch gesteuert werden. Durch eine Reaktion mit Methylchlorid bei 560°C entstehen zwei Produkte: 79% Methyltrichlorsilan CH3SiCl3 und 21% Dimetyldichlorsilan (CH3)2SiCl2. Basisches Silicium Siam,schw,ox liefert in den Reaktionen mit Alkoholen und Essigsäure unter Rückfluss-Bedingungen (Temperaturen zwischen 20 und 420°C; offene Reaktionssysteme) jeweils ein einziges Produkt und führt mit den korrespondierenden Partnern selektiv zu Tetramethoxy-, Tetraethoxy-, Tetraphenoxy- und Tetraacetoxysilan. Diese Reaktionen werden durch die im eingesetzten Siam/NaCl-Gemisch vorhandene Base (NaOH, Na2Ox; x = 1, 2) katalysiert. Gemischte Alkylalkoxysilane oder Siloxane entstehen unter den vorgegebenen Bedingungen nicht. Silicium setzt sich dabei in den Reaktionen mit Methanol und Ethanol vollständig um. Werden die Bedingungen modifiziert und die Reaktionen in geschlossenen Systemen (Reaktionsampullen) bei 150°C, katalysiert durch 5 Gew. % Cu(I)Cl im Mol-Verhältnis Si am,schw,ox/CH3OH 1:3 und 1:4 durchgeführt, wird Trimethoxysilan in 91% und 84% Ausbeute gewonnen. Der Produktbildungsweg führt offensichtlich über die Katalyse eines Komplexes Na+[Cu(OH)Cl]-, der in situ aus Cu(I)Cl und NaOH gebildet wird. Nicht basisches Silicium, Siam,schw, reagiert mit Methanol bei Raumtemperatur zu Trimethoxysilan HSi(OCH3)3 (16-18%) und zu Tetramethoxysilan Si(OCH3)4 (84-82%). Die Produktbildung kann durch Änderungen Reaktionsbedingungen in Richtung von Trimethoxysilan verschoben werden. So entsteht Trimethoxysilan in einer geschlossenen Ampulle zu 95% als Hauptprodukt der Reaktion zwischen amorphem Silicium und Methanol im Mol-Verhältnis 1:3 in Anwesenheit von NH4HF2 als Aktivator. 84,5% Trimethoxysilan entstehen in einer Ampulle bei 200°C nach 5 Stunden Reaktionszeit, dann wenn Methanol im stöchiometrischen Verhältnis 8:1 eingesetzt wird. Der Umsatz an Silicium ist praktisch vollständig (100%). Wird die Reaktion zwischen Siam,schw und Methanol in einem „slurry phase“-Reaktor durchgeführt, resultiert eine Abhängigkeit der Produktausbeute vor allem vom Lösungsmittel, dann aber auch von den weiteren Bedingungen. In Dodecylbenzol entsteht das Trimethoxysilan bei 230°C und mit Cu(I)O als Katalysator zu 72% in einer 8-stündigen Reaktion. Unter vergleichbaren Bedingungen, aber in Isoparaffinöl bildet sich Trimethoxysilan zu 61%. In einem modifizierten „slurry phase“-Reaktor, in dem die Produkte mit überschüssigem Methanol sofort aus der Reaktion abgeführt werden, entsteht das Trimethoxysilan nicht. Allerdings bilden sich in diesem Fall methylierte Methoxysilane. Der Umsatz an Silicium hängt auch von der Temperatur des Methanol-Dampfes ab. Wird die Temperatur zwischen 150-200°C gehalten, werden 49% des Siliciums umgesetzt. Ansonsten beträgt die Umsatzrate des Siliciums 20-25%. Amorphes, schwarzes, basenfreies Silicium, Si am,schw, reagiert bei 150°C mit Ethanol im Mol-Verhältnis 1:3 zu 91% und bei 200°C (Mol-Verhältnis Si : EtOH 1:8) zu 86% Triethoxysilan, HSi(OEt)3. Die Reaktion zwischen nicht basischem Silicium Si am,schw und Essigsäure liefert in der Siedehitze kein Tetraacethoxasilan, sondern nur Polyacethoxysilane mit einem Polymerisationsgrad von n = 2, 3, in einer Ampulle bildet sich jedoch ein Gemisch aus Tetraacetoxysilan und verschiedenen Acethoxypolysilanen. Die Polysilanbildung verstärkt sich mit zunehmender Reaktionstemperatur und –dauer. Die Reaktion zwischen Si am,schw und Essigsäure in einem offenen System (Ofen) liefert bei 300°C außer Tetraacetoxysilan ein Gemisch von Acethoxypolysilanen mit n=2-6. Versuche zur Bildung von Phenoxsilanen aus Si am,schw. und Phenol schlugen bei Temperaturen zwischen 150-300°C fehl. Das MALDI-TOF-MS-Spektrum einer bei 225-230°C im Vakuum siedenden Fraktion, die aus Reaktion von Si am,schw mit Phenol bei 420°C im Ofen entstanden ist, zeigt Spuren von Tetraphenoxysilan und organische Polymere mit dem Molekulargewichht bis zu 960 Dalton. Während Umsetzungen von amorphem Silicium mit Methanol in geschlossenen Reaktionsampullen Trimethoxysilan und Tetramethoxysilan als Hauptprodukte liefern, bilden sich in einem offenen System methylierte Methoxysilane MenSi(OMe)4-n (n=1, 2) in unterschiedlichen Ausbeuten. Dimethyldimethoxysilan entsteht aus basischem Silicium Siam,schw,ox nicht; selbst durch Katalysatorzusatz entsteht das gewünschte Produkt nur in Spuren. Die Monomethylierung verläuft dagegen erfolgreicher. Die höchste Ausbeute an Methyltrimethoxysilan (33,7%) wird bei 320°C mit 20 Gew. % Cu(I)Cl als Katalysator erzielt. Völlig anders verhält sich nicht basisches Silicium Si am,schw , denn es reagiert mit Methanol in einem offenen System bei 350°C zu 13% Dimethyldimethoxysilan (CH3)2Si(OCH3)2, und 37% Methyltrimethoxysilan CH3Si(OCH3)3. In Reaktionen mit größeren Silicium-Mengen (Si-Gehalt: 39-60 mmol) entstehen in einem nicht gerührten Reaktionsreaktor nach 20’ Minuten Reaktionszeit bei 300°C 26% Dimethyldimethoxysilan (CH3)2Si(OCH3)2 und nach 45’ Minuten Reaktionszeit 49,5% Methyltrimethoxysilan CH3Si(OCH3)3. In einem nicht gerührten Reaktionsrohr entstehen nach 3 Stunden Reaktionszeit 25-30% Dimethyldimethoxysilan bei 300°C und mit 20 Gew. % Kupfer(I)Chlorid als Katalysator. In einem gerührten Reaktionsrohr bilden sich bei 350°C und mit 20 Gew. % Cu(I)Cl nach 3-stündiger Reaktion 23,5% (CH3)2Si(OCH3)2 und 53,3% CH3Si(OCH3)3. Das Vorhandensein des Katalysators erhöht die Ausbeute an methylierten Methoxysilanen in den Reaktionen zwischen nicht basischem Silicium und Methanol. Aus dem Verlauf der Reaktion im Ofen lässt sich schließen, dass die größte Menge des Dimethyldimethoxysilans, (CH3)2Si(OCH3)2, während der ersten 20-40 Minuten entsteht. Danach sinkt der Anteil mit zunehmender Reaktionszeit, es bilden sich verstärkt die festen Dimethyloligosiloxane. Die Ausbeute an Tetramethoxysilan, Si(OCH3)4, wächst mit der Reaktionszeit kontinuierlich. Dagegen bleibt die Ausbeute an Methyltrimethoxysilan, CH3Si(OCH3)3, während 3-stündiger Reaktion relativ konstant. Die Bildung aller drei Produkte wurde zwischen 300° und 350°C detailliert verfolgt. Nur ca. 20% des Siliciums setzen sich zu den flüchtigen Produkten um, rund 80% Silicium bleiben in fester Form als nicht abreagiertes Silicium und als feste Oligodimethylsiloxane erhalten. Eine nicht katalysierte Reaktion zwischen Si am,schw und Ethanol liefert nach 3h Reaktionszeit in einem nicht rührenden Reaktor etwa 23% HSi(OCH3)3 und etwa 72% Si(OEt)4. Etylenethoxysilane oder -siloxsane bilden sich nicht. Zum Weiteren ist es gelungen, Dimethyldimethoxysilan durch Disproportionierungsreaktion aus Methyltrimethoxysilan und Tetramethoxysilan über metallischem Natrium im Mol-Verhältnis 1:1 in einer Ampulle bei 250°C herzustellen. Aus Disproportionierung von Methyltrimethoxysilan sind 12% Dimethyldimethoxysilan zu erhalten. Die Disproportionierung von Tetramethoxysilan führt zu 27% Dimethyldimethoxysilan, (CH3)2Si(OCH3)2, 34% Methyltrimethoxysilan, CH3Si(OCH3)3, und 11% Trimethylmethoxysilan, (CH3)3SiOCH3. Die Menge des eingesetzten Natriums muss in weiteren Arbeiten noch optimiert werden. Eine Komproportionierungsreaktion zwischen Trimethylmethoxysilan, (CH3)3SiOCH3, und Methyltrimethoxysilan, CH3Si(OCH3)3, zu Dimethyldimethoxysilan, (CH3)2Si(OCH3)2, fand unter den in dieser Arbeit beschriebenen Bedingungen nicht statt. Diese Ergebnisse sind ein im Labormaßstab chlorfreies Verfahren zur Herstellung von methylierten Methoxysilanen. Unter der Voranstellung der Aufskalierbarkeit wird damit eine neue Route eines möglicherweise technisches Prozesses (das Q-Verfahren) zu Darstellung von Siliconen zugänglich; diese führt wie folgt aus: Siliciumtetrachlorid → amorphes Silicium → Tetramethoxysilan/Tetraethoxysilan/Tetraacetoxysilan → Methylmethoxysilane → Silicone. Es gilt nun, die Synthesebedingungen nach erfolgreicher Optimierung in den Pilotmaßstab zu überführen. Die Synthese von Trimethoxysilan, HSi(OCH3)3, erscheint bereits jetzt schon den Bedingungen des technisch durchführenden Cromptonprozesses überlegt zu sein. Diese bietet jedoch den Vorteil, von technisch verfügbarem Silicium anzugehen. Eine exakte und vergleichende Prozess-Analyse wird darüber Aufschluss geben, ob die in dieser Arbeit erworbenen Ergebnisse zu einer technischen Umsetzung führen.