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When skeletal remains are found, professionals try to identify the deceased. Specialists, i.e. forensic osteologists, forensic pathologists and anthropologists, are trained in the identification process and answer questions of human specificity, postmortem interval, individual features such as sex, age, height and ethnic origin, as well as signs of injury. Different imaging techniques can aid in the identification process. Further, there is a widely used computer software, Fordisc®, published by Stephen Ousley and Richard Jantz that uses discriminant function analysis for the classification of unknown skeletal remains regarding sex, ancestry and body height. It uses, among others, information from the Forensic Anthropology Data Bank (FDB), which is a centralized database with contemporary skeletal data from identified forensic cases. However, the applicability of Fordisc® to other populations than North America is questionable. In the past, scientists have expressed a desire for a European equivalent of the FDB or an update with a European reference sample. In order to generate a European reference sample, cranial and postcranial measurements must be collected from identified skeletal remains. This can be done either with an analog measuring technique, formed by anthropologists, or, as research has introduced, digitally. Other studies have already investigated whether classical osteometric measurements can be reconstructed and applied from post-mortem computed tomography scans. Digital osteology could be the key to generating a European reference sample more efficiently and without legal issues.
In this study, the two different methods were used to take craniometric measurements of 25 skulls. An analog and a digital measuring technique were applied to cranial and mandibular measurements, as used by the Forensic Data Bank Forms by Fordisc®. For the digital measuring technique, the skulls were first scanned with a computed tomography scanner and underwent 3D-reconstruction. The data collected from the two independent analog and digital measurements was statistically analyzed by “Comparison of multiple methods” and visualized with Bland & Altman plots. Of all the 39 measurements, 31 measurements showed a mean difference up to ±2 mm, which is the generally accepted error in an anthropological setting. Most of the measurements, which were not within the accepted error, utilized projection points in the 3D reconstructed image to measure landmarks. The statistical analysis showed significant proportional differences in 13 measurements (p<0,05). Further, the percentage errors were determined: most of the measurements had a median percentage error of < 3%, 17 of the 39 measurements had a median of < 1,5%.
This study shows that the following measurements of the Forensic Data Bank could possibly be used to collect digital cranial osseous data with a deviation of ≥- 2 mm to ≤ 2 mm: GOL, XCB, ZYB, BPL, MAB, AUB, UFHT, WFB, UFBR, NLH, NLB, OBB left, OBH right, OBH left, EKB, DKB, FRC, PAC, FOL, FOB, ASB, ZMB, MOW, HMF right, HMF left, TMF left, TMF right, GOG, CDB, WRB right, WRB left. Taking the percentage error into consideration, it is not clear whether all the measurements with an acceptable deviation still fulfill the requirements for digital data collection. Depending on the interpretation of the median percentage error, 24 to 31 accurate measurements were identified, which can possibly be used to generate a necessary reference sample from 3D reconstructed CT images for the Forensic Data Bank. This is something researchers have been asking for, as the quality of the results, when using Fordisc®, is population dependent. Nevertheless, research should continue concerning generally accepted percentage differences or errors in a digital setting, since the meaning of an accepted 2 mm deviation in anthropology, remains unclear.
Die Oberflächenchemie ist mittlerweile in vielen chemischen, biochemischen und anderen Forschungsbereichen präsent und stellt eine interdisziplinäre Forschungsdisziplin dar. Diese Arbeit fokussierte sich auf die Interaktionen von biochemischen Systemen mit Oberflächen, insbesondere auf die Entwicklung von biochemischen Sensoren. Die Optimierung der Sensoroberfläche, insbesondere die Erhöhung der Selektivität durch die Verwendung von Polyglycerol (PG), wurde untersucht. Insgesamt wurden vier Teilprojekte durchgeführt, die sich auf die Unterdrückung unerwünschter Interaktionen, die Einführung von Bioerkennungsstellen, die Stabilisierung von PG-Filmen und die Entwicklung eines leitfähigen Hybridmaterials konzentrierten.
Teilprojekt 1: Stabilisierung von PG-Filmen durch Quervernetzung
Im ersten Abschnitt wurde die Stabilisierung von PG-Filmen durch eine oberflächeninitiierte ringöffnende Polymerisationsreaktion auf SiOx-Substrate realisiert. Dabei wurde die Dicke der Filme (10, 50 und 100 nm) über die Reaktionszeit kontrolliert. Die Quervernetzung erfolgte mit Ethylenglycoldiglycidylether (EGDGE), Divinylsulfon (DVS), Glutaraldehyd (GA), 1,11-Di(mesyl-oxy)-3,6,9-trioxaundecan (TEG-Ms2) und 1,11-Dibrom-3,6,9-trioxaundecan (TEG-Br2). Die Wahl des Quervernetzungsmittels zeigte signifikante Auswirkungen auf die Dicke der Filme und deren Biorepulsivität. Insbesondere die Untersuchungen an PG-EGDGE-Filmen waren vielversprechend, da sie nicht nur Biorepulsivität zeigten, sondern auch eine hohe mechanische Stabilität aufwiesen. Die Erkenntnis, dass dünnere Filme mit einem höheren Elastizitätsmodul gewünscht waren, erforderte eine gezielte Auswahl des Quervernetzungsmittels.
Teilprojekt 2: Einführung einer Bioerkennungsstelle auf einem EGDGE-quervernetzten PG-Film
Im nächsten Abschnitt wurde die Einführung einer Bioerkennungsstelle auf einem EGDGE-quervernetzten PG-Film erforscht. Hierbei kam ein Nitrilotriessigsäure (NTA)-Derivat (NTA4-Cyclen) zum Einsatz, um Histidin (His)-Tag-markierte Proteine selektiv zu binden. Die Modifikation erfolgte durch die Polymerisation von Glycidol auf ein amino-terminiertes Disulfid, gefolgt von einer Quervernetzung mit EGDGE. Die optimierte Synthese des NTA-Derivats ermöglichte nicht nur die erfolgreiche Anbindung von His-markierten Proteinen, sondern auch eine quasi-reversible Anbindung. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Möglichkeiten für die Regenerierbarkeit von biochemischen Oberflächen.
Teilprojekt 3: Entwicklung eines leitfähigen und biorepulsiven Hybridmaterials
Das dritte Teilprojekt konzentrierte sich auf die Entwicklung eines leitfähigen und biorepulsiven Hybridmaterials. Ein PG-funktionalisiertes Pyrrol-Derivat (PyPG) wurde elektrochemisch polymerisiert, wodurch Netzwerke aus PG-funktionalisierten Polypyrrol-Strängen (PPG) auf Goldoberflächen entstanden. Die Elektropolymerisation wurde detailliert durch Cyclovoltammetrie (CV) und einer Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) charakterisiert. Dabei konnte ein selbstterminierender Mechanismus identifiziert werden, der von der Anwesenheit der verzweigten PG-Gruppen dominiert wird. Mit Hilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) wurde gezeigt, dass dünnere Schichten mit geringerer Schichtdicke hoch leitfähig sind und dass die Veränderungen der Leitfähigkeit tatsächlich nur durch die äußere Oberflächenschicht bestimmt wird. Die Biorepulsivität des Materials wurde durch Proteinadsorptions- und Bakterienadhäsions-Assays nachgewiesen. Der zweite Abschnitt dieses Projekts konzentrierte sich auf die Einführung einer Erkennungsstelle basierend auf Glycosiden, um nicht nur eine Oberflächenbindung, sondern auch eine Quantifizierung von Biomolekülen zu ermöglichen. Die elektrochemische Charakterisierung der Nanoschichtsysteme zeigte eine sehr gute Linearität der Ladungsübertragungsadmittanz (Sct) in Abhängigkeit von der Anbindung der Bakterienstämme. Dies eröffnet Perspektiven für die selektive Quantifizierung von biologischen Analyten mittels elektrochemischer Methoden.
Bei polytraumatisierten Patienten hat das Thoraxtrauma einen großen Einfluss auf den weiteren Verlauf und die Prognose der schwerverletzten Patienten. In verschiedenen Untersuchungen konnte bereits gezeigt werden, dass Interleukin-6 bei Traumata oder Gewebeschäden durch geplante Operationen vermehrt auftritt und dass vor allem bei Verletzungen des Thorax im Vergleich zu anderen Organen und Geweben ein deutlich höherer IL-6-Wert messbar ist.
In der vorliegenden retrospektiven Studie wurde bei einem Patientenkollektiv mit vergleichbarer Verletzungsschwere untersucht, ob eine Korrelation zwischen der Höhe des initialen IL-6-Wertes und der Komplikationsentwicklung nach schwerem isolierten Thoraxtrauma nachzuweisen ist und dadurch ein höherer IL-6-Wert im Schockraum mit einem erhöhten Risiko für Lungenversagen assoziiert ist.
Hierbei wurden insgesamt 62 Patienten mit einem AISThorax ≥ 3 und einem AIS-Wert <3 bezogen auf alle anderen Organsysteme untersucht, die zwischen dem 01.01.2015 und dem 31.12.2018 über den traumatologischen Schockraum des Universitätsklinikums Frankfurt aufgenommen wurden. Die Datenerhebung über den weiteren Verlauf wurde bis zehn Tage nach Aufnahme über die klinikinterne Dokumentation und das Traumaregister® der DGU ausgewertet. Betrachtet wurden hierbei der Verlauf der IL-6-Werte sowie präklinische und klinische Vitalparameter und klinische Parameter wie die Dauer des Intensivaufenthaltes, die Beatmungspflichtigkeit und Komplikationen wie die Entwicklung einer Pneumonie. Die Patienten wurden retrospektiv nach dem schlechtesten Horovitz-Quotienten in zwei Gruppen eingeteilt. Zehn Patienten zeigten einen Horovitz-Index < 200mmHg und wurden der Gruppe ‚Organversagen Lunge Ja‘ zugeteilt, die übrigen 52 Patienten mit einem Horovitz-Index ≥ 200mg wurden der Gruppe ‚Organversagen Lunge Nein‘ zugewiesen. In den beiden Gruppen zeigte sich vor allem bei Aufnahme in den Schockraum sowie einen Tag danach ein signifikanter Unterschied der IL-6-Werte mit einem IL-6 von 1171,2 ± 2879,7 pg/ml bei Aufnahme sowie 491,3 ± 662,0 pg/ml am ersten Tag nach Aufnahme in die Klinik in der Gruppe ‚Organversagen Lunge Ja‘. Demgegenüber wiesen die Patienten in der Gruppe ‚Organversagen Lunge Nein‘ einen signifikant geringeren IL-6-Wert mit 168,7 ± 279,3 pg/ml bei Aufnahme in den Schockraum sowie 120,0 ± 136,3 pg/ml am ersten Tag nach Aufnahme auf. Der schwerere Verlauf des Thoraxtraumas zeigte sich deutlich in der Gruppe ‚Organversagen Lunge Ja‘: Neben einer initialen Beatmungspflicht von 100 % im Gegensatz zu 36,5 % der Patienten der Gruppe ‚Organversagen Lunge Nein‘ konnte auch hier eine signifikant höhere Rate von Reintubationen, Tracheotomien und Pneumonien bei deutlich längerer Zeit der invasiven Beatmung festgestellt werden. Auch die gesamte Verweildauer auf der Intensivstation war dementsprechend in der Gruppe ‚Organversagen Lunge Ja‘ mit 16,2 ± 9,0 Tagen deutlich länger als in der Gruppe ‚Organversagen Lunge Nein‘ (6,7 ± 6,5 Tage). Insgesamt bestätigen die vorliegenden Daten, dass mit einem initial erhöhten gemessenen IL-6 ein gesteigertes Risiko einhergeht, ein Lungenversagen zu entwickeln.
Was im digitalen Zeitalter nach dem Ende der Hegemonie des Kinosaals noch als »Kino« zu verstehen ist, wird häufig anhand des Ortes und Dispositivs der Projektion verhandelt. Philipp Stadelmaier wagt ausgehend von den Schriften des Filmkritikers Serge Daney und Jean-Luc Godards Videoserie Histoire(s) du cinéma einen Neuansatz. Erstmals führt er zwei einflussreiche Figuren der französischen Filmkultur systematisch zusammen und reinterpretiert sie als Kommentatoren des Kinos und seiner Geschichte. So gelingt es, einen cine-philologischen Impuls für filmwissenschaftliche Debatten zu setzen: Als auszulegender, bedeutungsoffener Primärtext erhält das »Kino« in der Post-Kino-Ära neue Kraft und Schärfe.
Der Dialog ist für die einen das Versprechen gelingender Kommunikation, für die anderen ein überholtes Ideal. Marten Weise zeigt in einer interdisziplinär angelegten Studie, dass sich die Lücke zwischen Lobpreisungen und Abgesängen schließen lässt. Er setzt bei der Unmöglichkeit des Denkens »nach der Shoah« an und erkundet in exemplarischen Untersuchungen der europäischen Literatur-, Theater- und Theoriegeschichte die Spannungen und Widersprüche im Verhältnis zum »Anderen«, ohne die der Dialog nicht zu greifen ist. So macht er zwischenmenschliche, soziale und politische Vorgänge als prinzipiell unabschließbares Sprachgeschehen fassbar und eröffnet einen Spielraum für die Aushandlung und das Aushalten von Dissens und Differenz.
Understanding the functional roles of cells in neuronal circuits and behavior requires the ability to control neuronal activity in an acute and precise way. The field of optogenetics offers a variety of molecular tools to excite or inhibit neurons with light. In the last decade, several strategies have been proposed for reversible silencing of neurotransmission. These tools vary widely in their mechanisms: ranging from opsin-based light-driven ion pumps or anion channels, which are known to hyperpolarize the cell, to alter ionic gradients or cellular biochemistry; over metabotropic receptors, to tools damaging the neurotransmitter release machinery, that allow only long-term silencing as their recovery requires de novo synthesis of targeted proteins. Therefore, the optogenetic toolbox still lacks tools that combine fast activation and fast reversibility with the ability of long-term silencing.
In this study, the optogenetic tool optoSynC (optogenetic synaptic vesicle clustering) was characterized in depth. optoSynC utilizes the light-induced homo-oligomerization of Arabidopsis thaliana cryptochrome 2 (CRY2) for silencing synaptic transmission via clustering of synaptic vesicles (SVs). CRY2 was targeted to the SV membrane by fusion to the SV transmembrane protein synaptogyrin-1 (SNG-1). The silencing kinetics of optoSynC were determined with analyses of swimming and crawling behavior in Caenorhabditis elegans (C. elegans). Pan-neuronally expressed optoSynC reduced swimming locomotion by 80% within 30 s following photo-stimulation (τon ~7.2 s). Locomotion recovered within 15 min in darkness (τoff ~6.5 min). Analysis of crawling behavior indicated even faster activation within 2 s and an almost complete inhibition of the LITE-1-mediated escape response. This escape response occurs at high blue light intensities and results in an increased velocity, which was not detected after optoSynC activation. However, optoSynC can exert its full effect at significantly lower intensities (25 µW/mm²) and is so light-sensitive that it can even be activated at 1.4 µW/mm². optoSynC could be fully recovered and reactivated at least twice without decreased efficiency. With a combination of pharmacological analysis and optogenetics, it has been demonstrated that optoSynC can inhibit neurotransmitter release for several hours. To realize its full potential, optoSynC should be expressed in an sng-1 mutant background. Expression along with endogenous SNG-1 decreases the effectiveness of optoSynC by 50%. Specific expression of optoSynC in cholinergic or GABAergic neurons could robustly inhibit swimming behavior by 55% and 30%, respectively. Moreover, optoSynC can selectively inhibit individual neurons like the nociceptive neuron pair PVD. When PVD is photoactivated by Chrimson, a red-light activatable channelrhodopsin, forward locomotion increases. Activation of optoSynC reduced this behavior by 50%. Besides my experiments in C. elegans, my cooperation partners Dr. Holger Dill and Yilmaz Arda Ateş demonstrated silencing of neurotransmission with optoSynC in zebrafish, and Dr. Shigeki Watanabe and Brady D. Goulden in murine hippocampal neurons.
The clustering of SVs as the mode of action of optoSynC could be confirmed using transmission electron microscopy. Analysis of micrographs of cholinergic synapses stimulated with and without light revealed that distances of neighboring synaptic vesicles in the cytosol were reduced by around 14% after photoactivation. Distances of docked SVs at the plasma membrane remained unaffected. However, near the dense projection, docked SVs accumulated, while other docked SVs were depleted after optoSynC activation. Activation of optoSynC increased the appearances of SVs and dense core vesicles (DCVs) in micrographs. It is unclear whether sizes became physically larger due to lateral pressure by CRY2 aggregates in the SV membrane or if oligomer formation only altered their appearance in micrographs. optoSynC did not accumulate in the plasma membrane to the extent that abnormal structures at the plasma membrane or dense projection were observed. Recycling of SVs remained unaffected by optoSynC as no unusual number of large vesicles was determined. Therefore, optoSynC inhibits neuronal activity mainly by clustering of cytosolic SVs.
To study the precise sequence and timing of events of vesicle mobilization, it is necessary to introduce known stops in the synaptic vesicle cycle which can be achieved by optoSynC. The C. elegans mutation dyn-1(ts-) is a temperature-sensitive dynamin mutation that blocks the recycling of SVs from the plasma membrane and early endosomes at temperatures exceeding 25 °C. By expressing optoSynC in dyn-1(ts-) animals, a novel assay was established, enabling the transfer of SVs between different stages in the SV cycle. Cluster formation of reserve pool SVs blocks the SV cycle before the process of docking and priming begins, while the SV cycle is blocked after the fusion of SVs at high temperatures. It could be demonstrated that behavior returned 15 min after optoSynC activation while animals without optoSynC remained immobile. Unfortunately, the time scale of the recovery from inhibition by optoSynC is too long to effectively study vesicle mobilization.
Die Studie von Bernhard S. Heeb beschäftigt sich mit dem Naturraum und den prähistorischen Hinterlassenschaften im alpinen Rheintal zwischen Bodensee und der Stadt Sargans im Kanton St. Gallen vom Beginn der Besiedlung im Neolithikum bis zum Auftreten der Römer. Mit in die Untersuchung einbezogen werden die Seitentäler Walgau und Seeztal. Das Gebiet umfasst die bis zu 14 km breite Schwemmebene des Rheins und die teils weit über 2.000 m hohen, das Rheintal umgebenden Gebirgszüge. Insgesamt wurden 542 Fundstellen (Siedlungen, Gräber, Depots, Brandopferplätze und Einzelfunde) aus St. Gallen, Vorarlberg und Liechtenstein aufgenommen und in Bezug zu ihrer naturräumlichen Umgebung ausgewertet. Eine besondere Stellung im prähistorischen Siedlungsgefüge nehmen die so genannten Inselberge ein. Dabei handelt es sich um topographisch exponierte Berge inmitten der weiten Ebene des Bodenseerheintals, die zu allen Perioden aufgesucht und besiedelt wurden.
Ein Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der verkehrsgeographischen Bedeutung des Bodenseerheintals. Das Tal öffnet sich wie ein Trichter nach Norden zum Bodensee hin und führt nach Süden über den Verlauf des Vorder- und Hinterrheins mit deren jeweiligen Seitentälern auf verschiedenen Passwegen nach Norditalien, so dass es in allen prähistorischen Perioden seit dem Neolithikum einen wichtigen Durchgang durch die Alpen darstellt.
Ziel dieser Studie war es, zu untersuchen, ob der Ausbildungsstand des Operierenden einen Einfluss auf das Ergebnis der Ileostomarückverlagerung (ILSRV) bei den Patienten hat. Die ILSRV ist eine der ersten Operationen am Darm, die Assistenzärztinnen und Assistenzärzte durchführen. Dennoch können bei dieser Operation potenziell lebensbedrohliche Komplikationen, wie die Undichtigkeit der Naht (Anastomoseninsuffizienz), auftreten. Um eine ausreichende Patientensicherheit zu gewährleisten, sollte daher sichergestellt werden, dass die Durchführung dieser Operation durch Assistenzärztinnen und Assistenzärzte keine erhöhte postoperative Morbidität und Letalität für Patienten verursacht.
Für diese Studie wurden 300 Patienten mit einer Ileostomarückverlegung retrospektiv untersucht. Als primärer Endpunkt wurde die Morbidität, entsprechend der Clavien-Dindo-Klassifikation (CDC), mit besonderem Augenmerk auf den Ausbildungsstand der Operierenden definiert. Als sekundärer Endpunkt wurde die postoperative Darmmotilitätss
Die Dissertation umfasst die Metaanalysen der Sonnentanz-Beschreibungen beider Ethnien von 1865 bis in die Gegenwart. Zu diesem Zweck wurde die historisch-kritische Methode, ethnohistorischer Manier, als eine Form der Metaanalyse verschiedenster Arten von Quellen angewendet. Die ergänzenden Inanspruchnahmen der Matrixanalyse nebst Ritualtheorien verdeutlichen, wie Individuen und Ethnien ihre Wirklichkeit konstruieren. Die Dissertation geht überdies der Hypothese nach, inwiefern die divergierenden Zeremonien als Sonnentänze zu definieren sind. Der Ritualvergleich hat das Ziel, die in diesem Zusammenhang wirkenden dynamischen sowie stabilen Dimensionen aufzuzeigen. Darüber hinaus werden die geschichtlichen Prozesse, die damit einhergingen, entfaltet und Begründungen für diese Entwicklungen herausgearbeitet.
Künstlerisches, schöpferisches Handeln hat vielfältige Dimensionen und kann unter verschiedensten Gesichtspunkten betrachtet und thematisiert werden. In der vorliegenden Arbeit richtet sich das Interesse insbesondere auf die Frage, welche Rolle und Funktion das künstlerische Gestalten – und hier speziell das Zeichnen und Malen – zum einen in der Diagnose und Therapie von psychisch auffälligen Kindern sowie zum anderen in der schulischen Sozialisation und Förderung von Kindern und Jugendlichen im Rahmen der kulturellen Bildung, der Kunstpädagogik und des Kunstunterrichts übernehmen kann.
Als eine der Pionierinnen der psychotherapeutischen Arbeit mit Kinderzeichnungen hat Sophie Morgenstern in den 1920iger Jahren als erste den besonderen Wert der Zeichnungen als Ausdrucksform des Unbewussten entdeckt und sie systematisch sowohl zu diagnostischen als auch zu kurativen Zwecken eingesetzt. An der Klinik Vaugirard in Paris ist Morgenstern ab 1925 bis zu ihrem Tod im Jahr 1940 als Leiterin des Klinik-Annexes für Kinderneuropsychiatrie in der Patronage Rollet tätig und dort verantwortlich für das Beobachtungszentrum und die psychoanalytische Ambulanz. Im Rahmen ihrer Arbeit mit den jungen Patientinnen und Patienten entwickelt sie auf der Grundlage der Freud’schen Psychoanalyse ihre besondere therapeutische Methode, bei der die Interpretation von Zeichnungen der psychotisch erkrankten Kinder im Mittelpunkt der Analyse und Behandlung steht. Eine Schlüsselrolle spielte in diesem Zusammenhang der Fall des kleinen Jacques,
bei dem Morgenstern einen kindlichen psychogenen Mutismus diagnostiziert: Infolge familiärer Konflikte ist der Junge bei seiner Einlieferung in die Patronage schon seit mehreren Monaten verstummt. Sein Fall stellt insofern eine besondere therapeutische Herausforderung dar, als das zu behandelnde Symptom seiner psychischen Probleme, nämlich der Mutismus, zugleich die Behandlung erschwert, denn diese ist in der Regel auf die verbale Kommunikation zwischen Therapeut und Patient angewiesen. Unter diesen erschwerten Behandlungsbedingungen entdeckt Sophie Morgenstern jedoch einen besonderen Ansatzpunkt: Jacques zeichnet gerne, und die Psychoanalytikerin erkennt schon bald das diagnostische und therapeutische Potenzial der von ihm angefertigten Zeichnungen und entwickelt eine Methode, um sie als Kommunikationsmedium zwischen Patient und Therapeutin zu nutzen. So gelingt es ihr über die Deutung der in diesen Zeichnungen auftauchenden Motive und der besonderen Charakteristika des Gezeichneten Aufschluss über die Zusammenhänge und Gründe für die psychischen Nöte des Kindes zu gewinnen.
Anhand von weiteren Fallbeschreibungen, basierend auf Morgensterns eigenen analytischen Aufzeichnungen, zeichnet die vorliegende Arbeit im Detail die kunstfertige empirische Vorgehensweise der Psychoanalytikerin nach: Als „Informant des Seelenlebens“ eröffnen die Zeichnungen ihr einen Zugang zum Unbewussten des Kindes, indem sie gemeinsam mit den kleinen Patient/innen die darin verborgenen symbolischen Bedeutungen herausarbeitet. Neben der Deutung von Träumen, Tagträumen, Fantasiegeschichten und Spielen kristallisiert sich so in der Arbeit Sophie Morgensterns die Kinderzeichnung als eine weitere Zugangsmöglichkeit zur Innen- und Fantasiewelt des Kindes heraus. Überdies wird deutlich, dass das Zeichnen als schöpferischer Akt von den Kindern auch aktiv für die Bewältigung ihrer psychischen Konflikte genutzt werden kann. Selbst wenn das Kind den Sinn seiner eigenen Zeichnungen nicht versteht und auch kein Interesse hat, diesen zu verraten, bietet das Zeichnen ihm eine Möglichkeit, seine zurückgedrängten Gefühle und seinen Kummer – in symbolisch verschlüsselter Form – nach außen zu bringen, ihnen Ausdruck und Gestalt zu geben. Indem das neurotische Kind im Akt des Zeichnens von seinem eigenen, zum Ausdruck drängenden Unbewussten gleichsam überlistet wird, verrät Kinderzeichnung für die psychoanalytische Diagnose und Therapie einerseites und der Förderung und Nutzung kreativer Aktivitäten im Schulunterreicht andererseits: Beide offenbaren das ausgleichende, heilende und entwicklungsfördernde Potenzial, welches im künstlerischen Ausdruck und dessen Reflexion liegt. Es ist auch ein Verdienst Sophie Morgensterns, dieses Potenzial in ihrer psychoanalytischen Arbeit mit ihren jungen Patient/innen sichtbar gemacht und praktisch umgesetzt zu haben.
Die im Rahmen der Pathogenese der Erkrankung und der folgenden Chemotherapie entstehende Neutropenie prädisponiert AML-Patienten für lebensbedrohliche Infektionen. Um diese zu vermeiden, erfolgt während der Induktionschemotherapie eine antiinfektive Prophylaxe mit Antibiotika. Dabei ist zu beachten, dass Antibiotika den größten Risikofaktor für die Entwicklung einer CDI darstellen. C. difficile gilt als der häufigste nachgewiesene Erreger nosokomialer Diarrhoen. Aufgrund dessen führte das Universitätsklinikum Frankfurt eine retrospektive Studie zur Inzidenzentwicklung der CDI und zur klinischen Rolle von CDI bei AML-Patienten unter Induktionschemotherapie durch. Ein besonderer Fokus der Studie lag auf der Identifikation von Risikofaktoren für die Entstehung einer CDI.
Die Studie inkludierte 415 homogen therapierte AML-Patienten, die sich zwischen Januar 2007 und Juni 2019 einer Induktionschemotherapie am Universitätsklinikum Frankfurt am Main unterzogen. AML-Patienten, die Diarrhoen entwickelten und in deren Stuhlproben toxinproduzierende C. difficile-Bakterien nachgewiesen wurden, wurden als AML-Patienten mit CDI definiert. Es erfolgte eine detaillierte Dokumentation aller während des Aufenthalts zur Induktionschemotherapie eingesetzten Antibiotika und Antimykotika. Um die Entwicklung der Inzidenz der CDI im Verlauf zu analysieren, wurde der Beobachtungszeitraum in zwei Abschnitte unterteilt.
Im Studienzeitraum wurde bei 37 (8,9%) von 415 AML-Patienten eine CDI nachgewiesen, wobei die Inzidenz zwischen 2013 und 2019 im Vergleich zu 2007 bis 2012 um 60,9% gesunken ist. Bedingt wird dies am ehesten durch die steigende Sensibilisierung gegenüber den negativen Auswirkungen einer Antibiotikatherapie und der Implementierung des ABS-Programmes. Die Studie bestätigt die etablierten Präventionsmaßnahmen des Universitätsklinikums Frankfurt am Main und spiegelt die Entwicklung in den westlich geprägten Ländern Europas wider.
Die Studie gibt Hinweise, dass die CDI den klinischen Verlauf der AML-Patienten unter Induktionschemotherapie nur geringfügig beeinträchtigt. Zwar wiesen AMLPatienten mit CDI mehr Fiebertage auf, dies resultierte jedoch nicht in erhöhten CrP-Werten, in einer längeren Hospitalisierung oder in einer erhöhten Rate an Intensivaufenthalten. Zwischen den betrachteten Patientenkohorten ergaben sich keine Differenzen bezüglich des Erreichens einer CR und der Gesamtmortalität. AML-Patienten mit CDI wiesen weder mehr MREBesiedelungen auf, noch kam es zu häufigeren Episoden eines ANV in dieser Patientengruppe. Besonders letzteres war unter Berücksichtigung des erheblichen Risikos einer Hypovolämie durch die Diarrhoen nicht zu erwarten, da diese für ein Nierenversagen prärenaler Genese rädisponiert.
Die Analyse bestätigt die Einordnung von Antibiotikatherapien als erheblichen Risikofaktor für eine CDI. Vor allem von den Antibiotikagruppen der Glykopeptid und Carbapenem-Antibiotika ging ein erhöhtes Risiko aus. Durch die Vorgabe des bei therapierefraktären Infektionen einzusetzenden Breitspektrumantibiotikums beeinflussen hausinterne Leitlinien das individuelle Risiko eines Antibiotikums für eine CDI entscheidend. Weiterhin weist die Studie darauf hin, dass Antimykotika nicht als Risikofaktor für eine CDI eingeordnet werden können. Durch das Studiendesign und fehlende Studien zu dieser Thematik kann jedoch keine endgültige Aussage über die Rolle von Antimykotika in der Pathogenese der CDI getroffen werden.
Bezüglich der Therapie der CDI kann die Studie aufgrund der kleinen Patientenkohorte und des inzwischen geänderten Therapieregimes der CDI bei AML-Patienten keine Aussage über die Effektivität der Therapie oder der Überlegenheit eines Medikaments treffen.
Endogenous time of day-dependent modulation of brain activity and visual perception in humans
(2023)
Earth’s rotation and the resulting day-night cycle of solar irradiance causes rhythmic changes in environmental conditions. The circadian system anticipates these predictable challenges and the brain integrates this information with homeostatic cues in order to time behavior accordingly. Humans highly depend on the visual system, which is most drastically affected by planetary rotation, with the most pronounced changes occurring during twilight. Yet, it is still unclear how visual perception and its underlying neural processes are modulated according to the time of day. We thus investigated human brain activity in constant dim light via the fMRI BOLD-signal during resting-state and a close-to-threshold visual detection task over 6 times of the day.
BOLD-variability decreased endogenously at times of twilight in sensory cortices during resting-state and, even more, in the visual cortex during visual perception at these times. Furthermore, the visual cortex BOLD-variability reductions were associated with improved visual detection performance. In contrast, mean BOLD-activations related to visual perception were not significantly modulated by the time of day.
In conclusion, these results imply that the visual cortex BOLD-variability reductions at times of twilight constitute a predictive mechanism facilitating visual perception to compensate for the degraded visual signal quality at these times. Individual chronotype and homeostatic sleep pressure explained part of the BOLD-variability modulation, suggesting a combined circadian and homeostatic regulation. Human activity usually extends into times of twilight, even in preindustrial societies. Therefore, anticipatory optimization of the visual system at twilight may have been crucial for survival and may still be relevant today whenever electric light is not available at these times. Moreover, the findings suggest that endogenous BOLD-variability reductions in sensory cortices constitute a novel general mechanism underlying enhanced close-to-threshold perception, further supporting the biological significance of BOLD-variability.
With the technological advancements over the past years, structure determination and prediction for membrane proteins have become easier. While those approaches give snapshots of one or more conformational states of the protein, complementary techniques are necessary to elucidate the conformational space and transition between states during function. Electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy is a powerful tool for addressing these aspects. In this thesis, site-directed spin labeling and pulsed electron-electron double resonance (PELDOR) spectroscopy combined with various biochemical tools were used to explore the conformational heterogeneity of the β-barrel assembly machinery (BAM) complex under in vitro and in situ conditions. The BAM complex present in the outer membrane (OM) of gram-negative bacteria is responsible for the folding and insertion of the outer membrane proteins (OMPs). As the majority of OMPs depend on the BAM complex for their biogenesis, it is one of the most essential components for the cell and hence a potential target for new antibiotics. BAM is a heterooligomeric complex composed of BamA, BamB, BamC, BamD, and BamE subunits. BamA is the central transmembrane protein directly involved in the folding and insertion process. The periplasmic regions of BamA are scaffolded by BamB-E lipoproteins. Available structures of the BAM complex reveal a highly dynamic behaviour. BAM complex is also highly intertwined with the complex membrane environment and is hypothesized to be dependent on the asymmetric bilayer for its function. The functional relevance of the accessory lipoproteins or how BAM recruits and folds diverse OMPs remains elusive.
The thesis examines the membrane bilayer dependence of the BAM complex and the role of the lipoproteins in the conformational cycling of BamA. By comparing the conformational states of the central component BamA in detergent micelles and isolated native outer membranes, it is demonstrated that the native bilayer helps BamA attain multiple conformational states. In the native outer membrane environment, BamA exhibits greater flexibility than observed in the detergent micelles. Further, the conformational dynamics of BamA were explored in different subcomplexes in detergent micelles. The binding of BamCDE subcomplex creates specific changes in BamA at the lateral gate, periplasmic regions, and extracellular loops leading to a lateral-open state. BamB alone does not induce any changes in BamA, revealing that it might play an accessory role in the function of the complex. The results demonstrate that BamCDE plays a key regulatory role in the lateral gating mechanism of BamA. Additionally, the spin labeling and PELDOR spectroscopy were optimized for the extracellular loops of the full complex in intact E. coli cells. The data validates the conformational states of the complex observed in the detergent micelles. However, the distance distributions show increased dynamics, especially at the lateral gate region in the cellular environments. The increased heterogeneity might be due to the presence of the asymmetric membrane, lipopolysaccharides, or substrate interactions. Overall, the thesis answers key questions on the conformational dynamics of BamA and delineates the role of lipoproteins in the folding mechanism. It also provides new opportunities to study the functional mechanism of BAM under physiologically relevant conditions by performing experiments in native outer membranes and intact E. coli cells.
Die Charakterisierung reaktiver Intermediate ist experimentell äußerst anspruchsvoll und häufig nicht eindeutig möglich. Die chemische Fachliteratur ist daher durchzogen von Arbeiten, in denen Intermediate anhand chemischer Intuition oder aufgrund spekulativer Interpretationen experimenteller Daten postuliert werden. Auch wenn es die Chemie wie kaum eine andere wissenschaftliche Disziplin geschafft hat, naturgegebene Zusammenhänge intuitiv erfassbar zu machen und es Chemikern somit möglich ist, mit Zettel und Stift Moleküle mit gewünschten Eigenschaften zu designen und komplexe Reaktionen zu planen, so ist doch davon auszugehen, dass zahlreiche in der Literatur postulierte Intermediate nicht korrekt zugeordnet wurden. Durch die massive Steigerung der Leistungsfähigkeit von Computern und Software in den vergangenen Jahrzehnten lassen sich quantenchemisch immer größere Systeme mit hinreichender Genauigkeit behandeln, sodass es in vielen Fällen möglich ist, experimentelle Untersuchungen theoretisch zu evaluieren und auch experimentell nicht nachweisbare Moleküle detailliert zu untersuchen. Insbesondere durch kombinierte experimentelle und quantenchemische Studien können komplexe chemische Zusammenhänge detailliert verstanden werden. Dadurch lassen sich neue Konzepte entwickeln, die eine Weiterentwicklung chemischer Intuition ermöglichen. Anhand dieses Leitbilds wurde in dieser Arbeit die Stoffklasse der Metallopniktinidene sowie daraus abgeleitete Verbindungen quantenchemisch untersucht.
The impact of 2-desaza-annomontine on processes of inflammation and its resolution in leukocytes
(2024)
This present study investigated the effects of the b-carboline derivative C81, also called 2-desaza-annomontine, on the inflammatory response and resolution processes in vivo and in vitro. The study focused on leukocytes and on the elucidation of the underlying pharmacological mode of action. C81 potently reduced the inflammatory response in an imiquimod-induced psoriasis mouse model and additionally resolved the inflammation more quickly. In a CNV model, C81 significantly decreased the microglial infiltration in the inflamed laser lesion in vivo. In vitro experiments revealed that C81 inhibits the migration of macrophages and leukocyte-endothelial cell interaction by reducing the activation of integrins on leukocytes, in particular LFA-1, without affecting the total protein level on the cell surface.
Further experiments revealed that C81 inhibited the expression of EPAC-1, required for Rap1 activation. Consequently, C81 reduced the LPS/PMA-induced Rap1 activity, which is responsible for integrin activation. Moreover, C81 potently reduced the LPS-induced formation of pro-inflammatory mediators, including cytokines and eicosanoids, in macrophages. The C81-derived inhibition of eicosanoid release was surprisingly potent, probably due to the C81-evoked inhibition of cPLA2 expression, resulting in less liberated arachidonic acid, the precursor for eicosanoids. At the same time, C81 only delayed COX-2 expression, but completely diminished LPS-induced mPGES-1 expression. In addition to the potent anti-inflammatory effects in vitro, C81-derived impact was complemented with promising pro-resolving effects. Hence, C81 significantly induced neutrophil apoptosis without affecting the cell viability of other leukocytes, such as macrophages. Accordingly, the caspase 3 activity in neutrophils increased upon C81 treatment. The underlying mechanism altered by C81 was the expression of the anti-apoptotic mediator Mcl-1, which is required for the survival of neutrophils, but not macrophages. Furthermore, neutrophils treated with C81 were significantly better efferocytosed by macrophages. Analyzes of the pharmacological mode of action of C81 revealed DYRK1B as the key target kinase in inflammatory processes in leukocytes. Of note, experiments with pharmacological inhibition of DYRK1B by C81 or the ‘selective’ DYRK1B inhibitor AZ-DYRK1B-33, could not completely exclude the involvement of the CLKs and other DYRKs. Therefore, DYRK1B knockdown and overexpression experiments were conducted to elucidate the impact of DYRK1B alone. Pharmacological inhibition of DYRK1B and DYRK1B knockdown phenocopied the inhibitory effect of C81 on leukocyte adhesion. In parallel, DYRK1B overexpression mitigated the C81-evoked effect, supporting the hypothesis that C81 inhibits DYRK1B to mediate its effects on leukocytes. Furthermore, DYRK1B inhibition and DYRK1B knockdown resulted in depletion of STAT3 phosphorylation. In addition, C81-evoked STAT3 inhibition was again mitigated by DYRK1B overexpression, suggesting a link or even an interaction between DYRK1B and STAT3. Indeed, direct interaction between DYRK1B and STAT3 was confirmed by a NanoBRET assay. Importantly, in vitro experiments demonstrated, that C81 did not affect LPS recognition mechanisms, investigated by TLR-4 and CD14 expression, and other important inflammatory signaling pathways. Although C81 inhibited the regeneration of IkBa, this had no effect on the translocation of the NFkB subunit p65. Furthermore, C81 did not alter the activation of MAPK pathways, including p38, JNK and ERK. As a result, the focus was on the potent inhibition of LPS-nduced STAT3 activation mediated by DYRK1B, which was shown to be IL-6 independent. Indeed, direct STAT3 inhibition by Stattic phenocopied all tested C81-derived effects on leukocytes, including migration, adhesion, pro-inflammatory cytokine expression, eicosanoid formation and cell type specific induction of neutrophil apoptosis. The underlying mechanisms altered by Stattic in terms of migration/adhesion and lipid mediator formation were the same as for C81. STAT3 inhibition led to decreased EPAC1 expression and accordingly to reduced Rap1 activation. In addition, inhibited STAT3 phosphorylation resulted in reduced cPLA2 expression and also in attenuated mPGES-1 expression.
Finally, the C81-derived depleted Mcl-1 expression was linked to reduced STAT3 inhibition. As C81 abolished STAT3 phosphorylation, less STAT3 was translocated into the nucleus upon LPS stimulation and less STAT3 enrichment at the MCL1 promoter was observed, leading to reduced gene expression and consequently protein levels.
In summary, using the natural product-derived compound C81, the DYRK1B/STAT3 axis was identified as a novel key regulator of inflammatory processes in human leukocytes. This present study revealed that interfering with the DYRK1B-STAT3 signaling can address essential cell functions including leukocyte extravasation, pro-inflammatory mediator release, neutrophil apoptosis and efferocytosis (Figure 1). Furthermore, two different mouse models demonstrated the in vivo relevance of this signaling axis and highlight DYRK1B as an important kinase modulating inflammation and resolution.
K + is the most abundant cytosolic cation in bacteria, and its homeostasis is vital for bacterial survival, playing roles in many essential processes like pH homeostasis, protein synthesis and osmoregulation. When surrounding K + concentrations become very low, bacteria require an active high-affinity uptake system to ensure sufficient cellular K + levels. In many prokaryotes, this system is the K + pump KdpFABC. Peculiarly, KdpFABC forms a functional chimera between a channel-like subunit (KdpA) and a P-type ATPase (KdpB), and for a long time, the mechanism of how transport and ATP hydrolysis between these subunits are coordinated remained unclear. By applying a combination of cryo-EM, biochemical assays, and MD simulations, we have been able to shed light on a unique transport mechanism that combines both the channel and P-type ATPase subunits.
At high K + levels, KdpFABC needs to be inhibited to prevent excessive K + accumulation. This is achieved by a phosphorylation of the serine residue in the TGES 162 motif in the A domain of the pump subunit KdpB, which was shown to stall the complex in the E1P intermediate. Using cryo-EM studies under turnover conditions, we illuminated how stalling in this high-energy intermediate is possible.
Furthermore, we identify a previously uncharacterized atypical serine kinase domain in the sensor histidine kinase KdpD as the responsible kinase for KdpB phosphorylation, giving it a dual role in transcriptional and post-translational regulation of the Kdp system.
Of mice and men: a semiquantitative analysis of Kv4.3 expression in mouse and human midbrains
(2024)
Idiopathic Parkinson syndrome is one of the most common neurodegenerative diseases and plays a major role in clinical neurological practice. However, the exact pathogenesis has not yet been fully elucidated. It is assumed that a combination of genetic and environmental factors fuels a neurodegenerative process during aging, which result in a selective loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra. In rare instances, Parkinson disease (PD) is caused by single toxic-gain of function mutations for instance a single amino acid exchange (A53T) in the gene coding for a-synuclein (SNCA). A central event in idiopathic and mono-genetic PD is the formation of intracytoplasmic accumulation of α-synuclein in so-called Lewy bodies. On this basis, a mouse model was developed that overexpresses human α-synuclein through an A53T mutation in the SNCA gene. In previous work, this mutation was found to lead to both oxidative dysfunction and enhanced expression of Kv4.3 channels in middle-aged mice. Given the central role of aging in the pathogenesis of neurodegeneration, this study analyzed Kv4.3 protein expression in dopamine midbrain neurons using immunohistochemical methods in aged male transgenic A53T SNCA and wildtype mice.
Using semi-quantitative analysis of confocal images of fluorescent Kv4.3 immunosignals, I found significantly reduced Kv4.3 protein expression in old A53T SNCA animals compared to those in age-matched WT mice.
To improve comparison between mouse models and human brain tissue, I also developed a protocol for identical histological processing of human and murine brain sections and Kv4.3 immunohistochemistry. This protocol will be useful to study Kv4.3 expression in DA neurons of human control brains and in various stages of PD.
Ataxia Telangiectasia (A-T) is a rare monogenetic, autosomal recessive disorder with an incidence of 1 in 40,000-100,000 live births caused by mutations in the ataxia telangiectasia mutated (ATM) gene. The encoded serine/threonine protein kinase (ATM) plays a major role in DNA damage response as well as apoptosis, cell cycle regulation, cell survival, oxidative stress response and genomic stability. Biallelic mutations result in partial or complete loss of ATM expression and/or ATM protein activity. A-T is a disease characterized by progressive cerebellar degeneration, telangiectasia, immunodeficiency (impaired B- and T-cell development), recurrent sinopulmonary infections, radiation sensitivity, premature aging, and a predisposition to cancer. Life expectancy of these patients is highly compromised, with only around 50% expected to reach 20 years of age. Malignancies and pulmonary diseases are the two main causes of death. There is currently no therapy available for A-T patients. There are symptomatic treatments available (e.g. immunoglobulin replacement therapy, therapy with antioxidants, and the administration of growth hormone or glucocorticoids as anti- inflammatory hormones) and in some patients, allogeneic hematopoietic stem cell transplantations from matched donors were performed with improved disease outcome. Unfortunately, suitable donors are not available for most patients. An autologous hematopoietic stem cell (HSC)-directed gene therapy approach is a promising alternative, since no matching donor is needed. The patient’s own cells are used, modified ex-vivo (e.g. delivering a healthy copy of the gene with viral vectors or directly correcting the mutation with gene editing). Afterwards, modified HSCs are given back to the patient thereby repopulating the bone marrow and re-establishing the whole blood system. The aim of this project was to develop a gene transfer tool for Atm.
In the first part of this project, retroviral vectors containing the full-length murine Atm cDNA were generated. Gene transfer of Atm with retroviral vectors is challenging, as the Atm cDNA is 9.1 kb in size reaching the packaging capacity of retroviral vectors. Although the foamy viral vector is described to have superior abilities to transfer large sequences, produced titers of the foamy viral Atm vectors were low and transductions of Atm-deficient fibroblasts were inefficient. In contrast, gene transfer of Atm with gammaretroviral and lentiviral vectors was possible, and because lentiviral vectors harboring the full-length Atm coding sequence were produced with the highest viral titers, this vector was used to transduce Atm-deficient fibroblasts. Following transduction, ATM protein levels were restored (40 - 50% of wild-type level). In addition, transduced cells showed increased levels of phosphorylated ATM downstream substrates (γH2AX, pKap1 and p-p53) after irradiation, demonstrating functional reconstitution. However, efficient transduction of murine lineage marker negative cells, the target cells for an Atm gene therapy approach, was not possible and viability of these cells was highly compromised after transduction.
Therefore, a dual vector system was developed in the second part of the project to circumvent the packaging limit of retroviral vectors. Protein halves were fused with split inteins which catalyze their self-excision followed by the formation of a full-length protein in a process called protein trans-splicing. The split Atm cDNA was delivered with lentiviral vectors and sufficient viral titers were achieved for efficient double transduction of Atm-deficient fibroblasts. Whereas the reconstitution of full-length ATM protein was low in cells transduced with vectors containing Npu split inteins, the use of Rma split inteins showed superior reconstitution. When comparing reconstitution levels with two different split sites within the ATM protein, no major differences were observed. Because a proof of ATM functionality could not be shown with these vector pairs, the F2A site used to co-deliver a marker gene was replaced by an IRES element. After transduction with split intein Atm vectors containing IRES elements, the level of ATM protein reached only 10% of the wild-type level. Nevertheless, an increased amount of pKap1 and p-p53 was detected demonstrating a functional kinase activity of reconstituted ATM protein. Furthermore, a partial repair of cell cycle defects in Atm-deficient fibroblasts was demonstrated.
In parallel to the development of a gene transfer tool for Atm, preliminary experiments were performed in Atm-deficient mice to create optimal transplantation conditions for gene-corrected HSCs that could be performed in the future. Because Atm-deficient mice are highly sensitive to irradiation, conventional conditioning regimes (e.g. total body irradiation or myeloablative conditioning with chemotherapeutics) cannot be used prior to HSC transplantation. Therefore, Atm-deficient mice were pretreated with different conditioning regimens and subsequently received a bone marrow transplantation. Mice that did not receive preconditioning prior to transplantation showed no chimerism in peripheral blood, bone marrow or spleen samples, indicating that preconditioning of mice is required for donor cell engraftment. A non-myeloablative conditioning regimen with cyclophosphamide and immunosuppressive CD4 and CD8 antibodies and the application of a mobilizing agent (Plerixafor) one hour before transplantation showed the highest chimerism in recipient mice. None of the mice developed a thymic tumor, and lymphoid-biased differentiation of the donor cells was observed, as chimerism was highest in T cells in the blood, bone marrow and spleen. In addition, chimerism was higher in lymphoid progenitor cells than in myeloid progenitors. Blood counts (white blood cell and lymphocyte counts) were normal 20 weeks after transplantation (comparable to wild-type mice), making this preconditioning regime suitable for Atm-deficient mice.
Taken together, this data paves the way for using split intein-based lentiviral vectors for Atm delivery in preclinical models and opens new possibilities for developing gene therapy for A-T patients.
Within the FAIR Phase-0 programm at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung the Coulomb dissociation of 16O into 12C and 4He was measured. A 16O primary beam with an energy of 500 AMeV was impinging on lead, carbon, and tin targets at the R3B Cave C, and the fragments were detected. The beam intensity was set to several 10^9 ions per second, which made radical changes to the standard R3B setup necessary. All detectors were produced with holes or variable gaps, in order to let unreacted beam particles pass. New detectors were built to cope with the expected high number of particles that need to be detected. All detectors are based on the detection of scintillating light.
In the Coulomb field of the target atoms the 16O ions can experience an excitation, which may lead to a breakup reaction into lighter fragments. A calorimeter around the target helps with the identification of unwanted contributions to the cross-section from excited states. The fragments pass the first set of fiber detectors and are deflected in a dipole field. The reconstruction of the particle tracks is performed with Runge-Kutta algorithms. Ultimately, this enables the determination of the excitation energy in the center-of-mass of the excited 16O nucleus. The resulting spectrum describes the cross-section of the reaction.
By comparing the experimental data with simulated events new insights into the fusion reaction, as it takes place during the helium-burning phase in stars, is possible. The analysis of the experiment is still ongoing. However, the first results show, that this experiment can provide data in an energy range never measured before. This will help to understand the cross-section and the astrophysical S-factor of this reaction.
Um die muskarinische Modulation der GABAergen Übertragung zu untersuchen, wurden mit Hilfe der Patch- Clamp- Technik an akut isolierten IC Schnitten der Ratte (P4-P14) inhibitorische postsynaptische Ströme aufgezeichnet (IPSCs). Die Aufnahmen erfolgten bei einem Haltepotential von -60mV. In allen Experimenten konnte unter der Anwesenheit von Strychnin (0,5μM, Glycinrezeptor- Antagonist) und Kynurensäure (1mM; Glutamatrezeptoren- Antagonist) spontane GABAerge IPSCs in allen untersuchten IC-Neuronen aufgezeichnet werden. Die Anwesenheit von Kynurenat blockierte auch Ströme, die möglicherweise durch nAChRen mit der Untereinheit α7 vermittelt wurden.
Die Muskarin (1μM) Applikation zeigte, eine deutliche Erhöhung der IPSCs- Frequenz (618% der Kontrolle), was uns beweist, dass die Aktivierung von mAChRen im IC zu einer Steigerung der GABAergen Übertragung führt.
Die durch Muskarin induzierten IPSCs konnten komplett durch den GABAA- Rezeptor- Antagonisten Bicucullin (10μM und 50μM) blockiert werden. Dies zeigte, dass die IPSCS durch GABAA- Rezeptoren vermittelt wurden.
4-DAMP (50nM; M3-Rezeptor Antagonist) blockierte den durch Muskarin ausgelösten Anstieg der IPSC-Frequenz. Die Muscarin-Antagonisten Telenzepin (50nM; M1-präferierend), Methoctramin (10μM; bevorzugt M2) und Himbazin (10μM; bevorzugt M4) sowie der Nikotinrezeptor-Antagonist Mecamylamin (10μM) beeinflussten die Muskarinwirkung nicht signifikant.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die muskarinische Modulation der GABAergen Übertragung hauptsächlich durch den M3-Rezeptor vermittelt wird, während M1-, M2- und M4- sowie Nikotinrezeptoren nicht wesentlich beteiligt sind.
In Gegenwart von Tetrodotoxin (0,5μM) konnte Muscarin die IPSC-Frequenz nicht erhöhen. Dies lässt auf eine über spannungsabhängige Natriumkanäle vermittelte erhöhte Transmitterausschüttung schließen. Zudem spricht dies für eine präterminale Modulation der GABAergen Transmission durch mAChRen.
Muskarin erhöhte die Häufigkeit der GABAergen IPSCs, ohne ihre Amplituden und Zerfallskinetik zu beeinflussen, was auf einen präsynaptischen Mechanismus hindeutet.
Muskarin veränderte den Membranruhestrom und die Leitfähigkeit in den untersuchten IC-Neuronen nicht.
Der Mechanismus der durch Muscarin induzierten Verstärkung der GABAergen Übertragung im IC muss noch abgeklärt werden.
Die Behandlung von akuten und chronischen Knocheninfektionen mit begleitender Weichteilinfektion besteht derzeit in einem radikalen chirurgischen Wunddebridement. Gute Ergebnisse konnten mit der kombinierten Unterdruck-Wundtherapie (NPWT) oder dem vakuumunterstützten Verschluss (VAC) erzielt werden. Zur Behandlung und Vorbeugung von Infektionen in der Chirurgie ist eine Kombination mit einer systemischen antimikrobiellen Behandlung erforderlich, die jedoch zahlreiche Nebenwirkungen mit sich bringt. Die lokale Antibiotikatherapie stellt einen neuen Ansatz zur Verringerung der Nebenwirkungen und zur Verbesserung der Heilung dar. Ziel dieser Studie ist es, die Wirksamkeit der kombinierten Verwendung von Fibrin mit Antibiotika im Vergleich zur Unterdruck-Wundtherapie als etablierte Behandlung von Weichteilinfektionen zu bewerten.
In dieser retrospektiven Studie wurden Patienten mit Weichteilinfektionen mit oder ohne Knochenbeteiligung, die sich einer chirurgischen Behandlung unterzogen, analysiert. Eine Gruppe bestand aus Patienten, die die neuartige Fibrin-Antibiotika-Sprühung (FAS) erhielten (n=62). Die Kontrollgruppe bestand aus Patienten, die mit der etablierten vakuumunterstützten Wundtherapie (VAWT) behandelt wurden (n=57). Hauptergebnisse waren Unterschiede im Heilungserfolg, in der Dauer bis zur Heilung und in der Anzahl der notwendigen Operationen.
In der FAS-Gruppe waren 55 Patienten (98,21%) nach der letzten Operation nicht mehr infiziert, in der VAWT-Gruppe war dies bei 47 Patienten (92,16%) der Fall (p = 0,19). Die Dauer bis zur klinischen Heilung ab der ersten Operation betrug in der FAS-Gruppe 10,65 +/- 10,38 Tage und in der VAWT-Gruppe 22,85 +/- 14,02 Tage (p < 0,001). In der FAS-Gruppe benötigten 41 Patienten eine Operation (66,13%) und 17 Patienten zwei Operationen (27,42%). Die Patienten der VAWT-Gruppe benötigen mindestens zwei (n=19; 33,34%), drei (n=19; 33,34%) oder mehr Operationen.
Im Vergleich zur vakuumunterstützten Wundtherapie bei Weichteilinfektionen zeigt Fibrin-Antibiotika-Spray bessere Ergebnisse. Die Heilung setzt schneller ein und es sind weniger Operationen erforderlich, was zu einer Verkürzung des Krankenhausaufenthalts, einem geringeren Narkoserisiko und einer höheren Patientenzufriedenheit führt. Die Kombination von Fibrin und Antibiotika kann als eine vielversprechende und wirksame Methode angesehen werden.
Generation of an efficient agent-based framework for the simulation of 3D multicellular systems
(2024)
In developmental biology, the focus has shifted from mainly considering genetic and molecular aspects to considering mechanical aspects, as it has become evident in recent years that mechanical forces, tensions, and physical interactions play a significant role alongside molecular mechanisms in developmental biology. Computational models provide a useful tool for the investigation of the complex cell choreography in tissue and organ development. In particular, they allow the identification of principles governing complex behaviours and greatly contribute to understanding self-organising systems. Agent-based models act as a ”virtual laboratory”, facilitating the formulation and testing of biological hypotheses.
In this work, a mathematical model is formulated to describe the dynamics and interactions of multicellular systems. This model formulation results in a large system of coupled stochastic differential equations. Furthermore, a simulation framework is introduced to solve the system of coupled stochastic differential equations numerically. In particular, mechanical processes such as cell-cell interactions, cell growth and division, cell polarity, and active migration are considered. Firstly, a CPU-based version of the simulation framework, implemented in Python and MATLAB, is presented. This version also provides scientists with limited programming experience the abil- ity to simulate systems involving several thousand cells. Additionally, a GPU-based framework version, implemented in CUDA and C++, is introduced. This version primarily targets modellers with advanced programming knowledge. It significantly reduces simulation runtime, allows for the simulation of very large systems, and incorporates additional extensions.
The implemented CPU-based simulation framework was applied to two different biological systems. The first application concerned inner cell mass organoids (ICM organoids), which serve as an experimental model system to study early embryogenesis. In particular, ICM organoids reflect the second cell fate decision, i.e., the differentiation into embryonic tissue and yolk sac, as well as subsequent cell sorting. Using the presented simulation framework, it was demonstrated that the experimentally observed local clustering of cell types can be attributed to mechanical processes, specifically cell growth, cell division, and cell fate inheritance. These results provide evidence that molecular cell fate determination occurs within a short period during the early development of ICM organoids, and that mechanical processes and interactions predominantly characterise subsequent processes. Furthermore, it was shown that differential adhesion and undirected cell movement in a three-dimensional system are sufficient to drive the segregation of different cell types.
The second biological application focused on pancreas-derived organoids, which simulate organ development, in this case, pancreas development. These organoids exhibit high variability in their qualitative behaviour, including volume oscillations, rotation and migration, fusions, and the formation of internal structures. The presented simulation framework was applied to the volume oscillations of the organoids. It was demonstrated that these oscillations depend significantly on the cell division dynamics and size of the organoids, as well as the elasticity and adhesion strength of the cells.
Both biological applications of the framework illustrate its modular structure and, thus, its adaptability to various biological systems. They also emphasise that mechanical processes play a fundamental role in the self-organisation of complex systems. The presented framework en- ables the efficient modelling of multicellular systems and serves as an effective tool for explaining complex behaviour by coupling simple underlying mechanisms.
The study of animal behavior is essential for gaining a better understanding of the behavior, patterns, and needs of animals. A better understanding not only serves scientific progress, but also plays an important role in improving husbandry conditions in zoos, which can help to improve animal welfare (Berger, 2010; Brando and Buchanan-Smith, 2018; Walsh et al., 2019; Rose and Riley, 2021).
The behavior of large herbivores differs significantly between day and night, and most ungulates are diurnal or crepuscular (Bennie et al., 2014; Gravett et al., 2017; Davimes et al., 2018; Wu et al., 2018). In contrast, many studies examine animal behavior during the day, and unfortunately there is little information on nocturnal behavior, including sleep behavior (Berger, 2010; Rose and Robert, 2013). However, sleep behavior, especially the proportion of REM sleep, is of great importance for the well-being of an individual (Hänninen et al., 2008; Fukasawa et al., 2018; Northeast et al., 2020).
To gain more insight into the behavior of ungulates in general, studies based on large samples of different species with a long recording period are useful. This is difficult to achieve with manual data analysis, as data collection and analysis in behavioral biology is time consuming and costly. Therefore, modern methods such as automated analysis are helpful in the field of behavioral biology (Norouzzadeh et al., 2018; Beery et al., 2020; Lürig et al., 2021).
Hence, the development of a software tool for the automated assessment of nocturnal behavior of ungulates in zoos is part of this dissertation. The resulting software tool is called BOVIDS (Behavioral Observations by Videos and Images using Deep-Learning Software) and allows the automatic evaluation of video material in three steps. In the first step, object detection, the individuals on the images are recognized and cut out in order to classify the behavior in the following step, action classification. In the final step, post-processing, errors of the automated analysis are corrected and the data is prepared for further use (Hahn-Klimroth et al., 2021; Gübert et al., 2022). To create such a system, it must first be trained. Typically, two nights per individual were manually annotated, resulting in a total of 594 manually annotated nights. In addition, 224,922 images were used to evaluate whether the system was already correctly recognizing the animals' behavior. Bounding boxes were either manually drawn or evaluated on a total of 201,827 images to train the object detection network.
The software package BOVIDS was used to analyze data from a total of 196 individuals from 19 different ungulate species over a period of 101,629 hours of video material from 9,239 nights. A night is defined as the period from 7 pm to 6 am. The species studied belong to the two orders of odd-toed ungulates (Perissodactyla) and even-toed ungulates (Artiodactyla). The focus is on the behavioral categories of standing, moving, lying – head up, and lying – head down, the latter corresponding to the typical REM sleep position of ungulates. Based on the analyzed data, several biological questions were discussed in this thesis. In addition to the activity budgets and rhythms underlying the night, factors influencing behavior are also investigated. In addition, the enclosure use by the animals is evaluated.
Zebras as representatives of the Perissodactyla spend about 25% of the night lying, while the average for the Artiodactyla studied is 77%. All species studied spend an average of 8.8% of the night in REM sleep (Gübert et al., 2023a), with a typical REM sleep phase lasting between 2.2 and 7.6 minutes (Gübert et al., 2023b). Only 0.7% of time during the night is spent with movement by the animals (Gübert and Dierkes). While the number of lying phases within the Artiodactyla is very constant with an average of five phases, the number of phases in the REM sleep position varies. Age, average species size and taxonomy were found to be influencing factors (Gübert et al., 2023a). With regard to rhythmicity, it is striking that most of the species studied show an increase in lying during the night and that a strong rhythmicity of behavior can be observed. The time between two lying events is very constant and is about two hours for most animals (Gübert et al., 2023b). With regard to enclosure use, it is striking that only a small part of the enclosure is used regularly. All individuals prefer to lie down on the bedding and most individuals prefer one or two different resting places (Gübert and Dierkes).
The data created as part of this thesis can contribute to a better overall understanding of ungulate behavior. The newly developed software package BOVIDS makes it relatively easy to analyze further data on this topic. Long-term studies can now be carried out more cost-effectively, making it easier to answer many questions in the future, such as investigating other influencing factors or responses to changes in husbandry conditions.
Einleitung: Der Abgrenzung zwischen Totgeburt und Fehlgeburt kommt eine erhebliche Bedeutung für die ärztliche Praxis zu: Nur die Totgeburt gilt als Leiche und benötigt demzufolge eine ärztliche Leichenschau. Die Pflicht zur ärztlichen Leichenschau vor der Bestattung eines Verstorbenen ist in Deutschland in den jeweiligen „Bestattungsgesetzen“ der 16 Bundesländer und ggf. ergänzenden Verordnungen geregelt. Nach dem Grundgesetz der Bundesrepublik Deutschland (GG) liegt die Gesetzgebungsbefugnis für Todesfeststellung und Leichenschau bei den Ländern, während das Personenstandswesen in die Legitimation der Bundesgesetzgebung fällt. Die vorliegende Arbeit sollte dazu beitragen, vor dem Hintergrund der komplizierten Gefüge von Landes- und Bundesgesetzgebung sowie der Änderung des § 31 PStV vom 01.11.2018 Rechtssicherheit in der Abgrenzung von Totgeburt und Fehlgeburt für Ärztinnen und Ärzte im Rahmen der Leichenschau sowie bei der Obduktion von verstorbenen Schwangeren und Feten zu schaffen.
Material und Methoden: Alle relevanten Landesgesetze und Bundesgesetze sowie einschlägige juristische Kommentare wurden analysiert. Abfragen bezüglich der Erfordernisse bei der Meldung einer Totgeburt wurden bei Standesämtern durchgeführt, die diese Informationen online zur Verfügung gestellt hatten. Abschließend wurden die auf der aktuellen Gesetzeslage basierenden Erkenntnisse auf einen Fall vor dem Jahr 2018 hypothetisch angewandt.
Ergebnisse: In 12 der 16 Ländergesetze wird das Totgeborene – in Abgrenzung zur Fehlgeburt – nur über das Geburtsgewicht von mindestens 500 g definiert. In Hessen, Bremen und im Saarland wird zusätzlich als alternatives Kriterium die 24. Schwangerschaftswoche (SSW) genannt.
Es wurden 15 Standesämter in vier Bundesländern ermittelt. Davon forderten 10 bei Meldung einer Totgeburt die Vorlage einer ärztlichen Todesbescheinigung, dagegen 4 nicht. 14 Standesämter werteten die Totgeburt als Geburtsfall, eines gab keine Informationen dazu. 5 Standesämter werteten eine Totgeburt nicht als Sterbefall, 6 hingegen schon, und 4 stellten keine Informationen dazu zur Verfügung. 7 Standesämter gaben die aktuelle Definition einer Totgeburt an, wohingegen 5 lediglich die veraltete Definition zugrunde legten, und 3 keine Informationen diesbezüglich bereitstellten.
Diskussion: Nach den vorliegenden Ergebnissen lässt sich eine von den „Bestattungsgesetzen“ der Länder unabhängige Leichenschaupflicht für tote Leibesfrüchte ableiten, für die bezüglich der Leichendefinition die Kriterien des Personenstandsrechts gelten müssten. Demnach wäre in allen Bundesländern, unabhängig von den Kriterien in den jeweiligen „Bestattungsgesetzen“, zur Differenzierung zwischen Totgeburt und Fehlgeburt das alternative Merkmal „Erreichen der 24. SSW“ zu überprüfen, falls die tote Leibesfrucht, die keine Zeichen des Gelebthabens außerhalb des Mutterleibs aufweist, unter 500 g wiegt.
Obwohl die Abfrage bei den Standesämtern nicht als repräsentativ zu bezeichnen ist, waren dennoch die verschiedenen Vorgehensweisen unter den 15 ausgewerteten Standesämtern keine Einzelphänomene. Demzufolge erscheint zumindest die Feststellung der erheblichen Heterogenität von Standesämtern im Umgang mit Totgeburten gerechtfertigt.
Die Ausgangsfrage bei dem Fallbericht war, ob es sich bei einer aus dem Leichnam der Mutter im Rahmen einer Obduktion geborgenen toten Leibesfrucht um einen Leichnam handelt oder nicht. Es wurde damals entschieden, gemäß den gültigen Fassungen des § 31 PStV und des hessischen Friedhofs- und Bestattungsgesetzes (FBG HE), aufgrund des Unterschreitens der Gewichtsgrenze von 500 g von einer Fehlgeburt auszugehen, mit allen rechtlichen Konsequenzen. Nach der aktuellen Version des § 31 PStV wäre das Alternativkriterium „Erreichen der 24. SSW“ anwendbar gewesen.
Patienten/Innen (Pat.) mit Periventrikulärer Nodulärer Heterotopie (PNH) leiden häufig an pharmakoresistenter Epilepsie. Zur Identifizierung epileptogener Strukturen werden in der Forschung verschiedene Parameter als Marker für Epiletogenität untersucht. Der mittels Magnetenzephalographie (MEG) ermittelte Delta-Power-Wert ist nach der Literatur mit ischämischen und strukturellen Hirnläsionen, sowie mit wiederkehrenden epileptischen Anfällen assoziiert. Diese Studie untersuchte die Aussagekraft von durch Sensordatenanalyse ermittelte Delta-Power-Werte bei PNH Pat.. Dazu wurde eine Kohorte von 16 PNH Pat. und 16 nach Alter und Geschlecht gematchten Kontrollen mittels MEG, Magnetresonanztomographie (MRT) und neuropsychologischer Testung untersucht. Es wurden mögliche Unterschiede der Delta-Power-Werte zwischen an PNH erkrankten Epilepsiepatienten/innen und gesunden Kontrollen untersucht. Zudem wurde der Zusammenhang der Delta-Power-Werte einerseits mit Lokalisation und Volumen der Heterotopien und andererseits mit den neuropsychologischen Fähigkeiten (visuomotorischen Verarbeitungsgeschwindigkeit und exekutiven Funktion) untersucht.
Die Untersuchungen zeigten, dass das die Delta-Power-Werte sowohl global als auch lokal keine Aussagekraft über Lokalisation, Volumen oder Epileptogenität der PNHs hatten. Die exekutive Funktion und visuomotorische Verarbeitungsgeschwindigkeit waren bei den PNH Pat. signifikant schlechter als bei den gematchten Kontrollen. Zusammenfassend deuten diese Untersuchungen daraufhin, dass weder Delta-Power-Werte an sich oder Delta-Power-Werte im Sensorraum einen diagnostischen Wert bei PNH Pat. hatten. Die neuropsychologischen Tests hingegen zeigen Unterschiede der Gruppen auf und könnten daher als diagnostisches Kriterium betrachtet werden. Um feststellen zu können, ob Delta-Power-Werte an sich, oder aber Sensordaten nicht aussagekräftig in der Diagnostik von PNHs sind, müssten die MEG-Daten erneut mit veränderter Untersuchungsmethode (Quelldatenanalyse statt Sensordatenanlayse) untersucht werden.
Neuroendocrine neoplasms of the lung account for approximately 20% of all primary lung tumors. The most frequent entity within this group, as well as the most lethal, is small cell lung cancer (SCLC) occurring in around 15% of the cases. For this particular entity, though there have been several breakthroughs in recent years, overall understanding remains insufficient, especially when it comes to new, personalized therapeutic options. The lack of fresh tissue samples is most certainly one of the limiting factors for research. The goal of this study was to utilize archival formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) samples of SCLC and, more precisely, to establish and implement an efficient technique for single-cell isolation of substantial quantity and quality for translational cancer research. To establish this technique representative artificial samples and real-life samples have been carefully chosen. To generate single-cell suspensions, two different methods were suggested by current literature based on mechanical disruption (incellPREP by CellSee) and a combination of enzymatic and mechanical disruption (Miltenyi). The feasibility of these two methods was pre-evaluated by subsequent analytics such us Cytospin-PAP staining and flow cytometry to refine the protocol and apply a final selection of samples for 3′ MACE (massive analysis of cDNA ends) RNA-sequencing (GenXPro). By this, pre-analytical quality and secondary analytical output could be evaluated and implemented as a first standard guideline within the Dr. Senckenberg Institute of Pathology for ongoing projects when using archival FFPE samples. To summarize, FFPE samples are an underestimated and rarely used material for single-cell sequencing studies. Therefore, their utilization opens a possibility to apply this technique to different tumor types, especially when fresh or fresh frozen tissue samples are not available. Conducting the proper analysis of data could lead to a deeper understanding of cancer biology and to find new therapeutic vulnerabilities.
Aufgrund der vielfältigen Vorteile von Biomarkern stehen diese seit einiger Zeit im Fokus der Forschung bei Multipler Sklerose (MS). Bisher existieren vorwiegend Daten zu Markern, die eine Verschlechterung der Krankheit anzeigen – Kenntnisse zu Markern für eine Verbesserung sind begrenzt. Mit dieser Studie sollte der Frage nachgegangen werden, ob veränderte Konzentrationen von Neurofilament Light Chain (NfL) und Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) im Serum (sNfL/sBDNF) und Liquor (cNfL/cBDNF) einer neurologischen und kognitiven Veränderung bei MS vorausgehen. Es wurde vermutet, dass NfL eine Verschlechterung und BDNF eine Verbesserung der Funktionen prognostiziert. Im Rahmen einer monozentrischen prospektiven Kohortenstudie wurden bei insgesamt 50 Patienten mit MS-Phänotyp (klinisch isoliertes Syndrom, schubförmigremittierende MS und primär progrediente MS) zu Studienbeginn (Messzeitpunkt T1) Serum- und Liquorproben abgenommen sowie eine neurologische und kognitive Testung durchgeführt. Nach zwölf Monaten (Messzeitpunkt T2) wurden die neurologische (n = 36) und die kognitive (n = 34) Testung wiederholt. Anhand der Dynamik ihrer Expanded Disability Status Scale (EDSS)- und globalen z-Werte wurden die Patienten vier Gruppenpaaren zugeordnet: Keine neurologische Verschlechterung versus Neurologische Verschlechterung (Anstieg EDSS ≥ 0.5), Keine kognitive Verschlechterung versus Kognitive Verschlechterung (Abfall globales z ≥ 0.5), Keine neurologische Verbesserung versus Neurologische Verbesserung (Abfall EDSS ≥ 0.5) und Keine kognitive Verbesserung versus Kognitive Verbesserung (Anstieg globales z ≥ 0.5). Die NfL- und BDNF-Konzentrationen der Patienten aus den jeweiligen Gruppen wurden anhand von Kovarianzanalysen unter Berücksichtigung von Kovariaten verglichen. Hinsichtlich der Prognose einer Verschlechterung präsentierten sich keine signifikanten Ergebnisse. Zur Prognose einer Verbesserung ergab sich Folgendes: Patienten mit einer neurologischen Verbesserung wiesen einen höheren sBDNF-Spiegel bei Studienbeginn auf im Vergleich zu Probanden mit keiner neurologischen Verbesserung (q = 0.04). Patienten mit einer kognitiven Verbesserung hatten zu Beginn höhere cBDNF-Konzentrationen als Patienten ohne kognitive Verbesserung (q = 0.004). In post-hoc durchgeführten Korrelationsanalysen stellten sich signifikante
Korrelationen zwischen sBDNF und EDSS-Wert-Veränderung (q = 0.036), cBDNF und globaler z-Wert-Veränderung (q = 0.04) und cBDNF und Anzahl an kognitiven Tests mit Verbesserung (q = 0.04) dar. Diese Ergebnisse deuten auf eine mögliche Rolle von BDNF als Biomarker zur Prognose von neurologischen und kognitiven Verbesserungen bei MS hin. Es bedarf jedoch weiterer Studien mit einer größeren Stichprobe und methodischen Anpassungen, um diese Schlussfolgerung zu untermauern.
This thesis is situated in the field of frustrated magnetism, a subfield of condensed matter physics that describes the magnetic degrees of freedom in solids. Extended Kitaev models describe a particular class of materials where spin-orbit coupling, combined with effects from crystal field theory and strong electronic correlations, leads to effective magnetic interactions that are highly anisotropic. Such interactions can give rise to exotic physics, such as the emergence of a quantum spin liquid. In this thesis, extended Kitaev models are studied theoretically, primarily using numerical methods.
A heavily investigated Kitaev candidate material is α-RuCl3, where a key question has been centered on the possible existence of a magnetic-field-induced quantum spin liquid. While numerous experimental studies have uncovered various unconventional phenomena in this material and suggested different interpretations of the underlying physics, this thesis provides a comprehensive comparison and explanation of these phenomena within one consistent theoretical framework. Aside from purely magnetic properties, an additional focus lies on magnetoelastic effects, in which the coupling of the crystal lattice to the anisotropic spin system has to be considered.
Beyond α-RuCl3, a number of more recently introduced Kitaev candidate materials are investigated theoretically. This includes the materials RuBr3 and RuI3, whose layered honeycomb crystal structures resemble α-RuCl3 but heavier ligands lead to different spin-orbit coupling effects, as well as NaRuO2, which realizes a triangular-lattice structure.
Akut- und Mittelzeitergebnisse von Koronar-Stents unterschiedlicher Materialien im Kaninchenmodell
(2005)
In dieser Versuchsreihe wurden drei neuartige Stent-Modelle (a-SiC:H-Stent, PHB-Stent und PTFE-Membran-Stent) mit zwei bereits in der klinischen Praxis eingesetzten Referenz-Stents (TA-Stent und be-StentTM) im Tierversuch (Arteriae femorales von New Zealand White Rabbits) getestet.
Die Studie war so konzipiert, die Stents nach drei unterschiedlichen Zeitspannen (1-10 Wochen, 11-20 Wochen und 21-30 Wochen) zu explantieren und die Parameter „verbleibendes Lumen“, „Elastica-intema-Durchmesser“, „Mediadicke“, „ Anteil elastischer Fasern“ und „Anteil kollagenen Bindegewebes“ zu bestimmen und zu vergleichen, um so indirekt Aussagen über die biomechanischen Eigenschaften, wie Auslösung einer überschiessenden Gewebereaktion oder Thrombogenität treffen zu können.
Der Vergleich der einzelnen Parameter gibt Aufschluss über die durch den Stent ausgelösten Reaktionen und damit über die Bioverträglichkeit, über die mechanischen Wirkungen, die maßgeblich vom Stent-Design abhängen und über die destruktiven Veränderungen (Durchbrechen einzelner Gefäßschichten).
Die Untersuchungen wurden in drei Hauptgruppen unterteilt:
• a-SiC:H-Stent vs. TA-Stent
• PHB-Stent vs. TA-Stent
• PTFE-Membran-Stent vs. be-Stent™
Hierbei zeigte der mit amorphen Siliziumkarbid beschichtete Stent eine designbedingt starke mechanische Gefäßwandschädigung. Dennoch muss für die Siliziumkarbid-Schicht ein protektiver Langzeiteffekt diskutiert werden.
Der bioresorbierbare Polyhydroxybutyriat-Stent (PHB) erfüllte aufgrund einer massiven vaskulären Entzündungsreaktion und der zu geringen Abbaurate bereits in der gesunden Arterie des Kaninchenmodells nicht die theoretischen Erwartungen, sodass weitere Versuche nur mit einem chemisch und technisch überarbeitetem Modell empfohlen werden können.
Die besten Ergebnisse aller Versuchsreihen zeigten sich durch eine geringe Restenoseneigung sowie eine geringe Gefäßwandreaktion für den mit einer Polytetrafluoroethylenmembran ummantelten 316L Edelstahl-Stent (PTFE).
Das Tiermodell (Kaninchen) scheint eine allgemein anerkannt qualitative Vorhersage über die Reaktion am Menschen zu treffen. Eine exakte quantitative Aussage ist jedoch nicht möglich. Eine Verlängerung des Beobachtungszeitraumes von 26 Wochen 275 auf 52 Wochen dürfte zumindest im Einzelfall die Aussagefähigkeit zur Implantat-Verträglichkeit im Tiermodell erhöhen.
Rearrangements des MLL Gens sind für 5-10% aller akuten Leukämien, biphenotypischen Leukämien und myelodysplastischen Syndrome im Kindes- und Erwachsenenalter verantwortlich. 5-10% dieser MLL Aberrationen sind wiederum therapiebedingt.
Die 43 heute schon bekannten Partnergene und die mindestens 36 noch nicht identifizierten Partnergene stellen dabei ein großes Problem für die MLL-Diagnostik dar, denn nach der zytogenetischen Analyse werden nur die am häufigsten auftretenden Partnergene MLLT2, MLLT3, MLLT1, MLLT4, ELL, und MLLT10 über RT-PCR untersucht. Dagegen werden die nicht so häufig auftretenden oder unbekannten Partnergene von einer weiteren Untersuchung ausgeschlossen.
Wenn auch alle MLL Translokationen mit einer Hochrisiko-Leukämie in Verbindung gebracht werden, bestimmt jedoch das Partnergen den Verlauf der Leukämie mit günstiger oder schlechter Prognose. Deshalb ist eine schnelle Identifizierung des Partnergens wichtig, um somit einer optimalen Behandlung beginnen zu können.
Aus diesem Grund ist eine universelle Diagnostik-Methode entwickelt worden, die es ermöglicht, alle MLL Rearrangements innerhalb der MLL Bruchpunktsregion zu ermitteln, auch wenn das Partnergen noch nicht bekannt ist. Diese Methode beruht auf der inversen Long Range PCR (LDI-PCR), einer Methode zur Amplifizierung von unbekannten DNA Sequenzen (Partnergen), die von bekannten DNA Sequenzen (MLL Gen) flankiert werden.
Mit dieser universellen Diagnostik-Methode konnten 340 Patienten aus 15 unterschiedlichen europäischen Diagnostikzentren erfolgreich untersucht werden. Die 340 Patienten setzen sich aus 238 Kindern und 102 Erwachsenen zusammen. Bei 157 Patienten (66 Kinder und 91 Erwachsene) konnte über eine Voruntersuchung ein MLL Rearrangement festgestellt werde. 183 Patienten (172 Kinder und 11 Erwachsene) sind vorher nicht auf eine MLL Aberration hin untersucht worden. Insgesamt konnten mit dieser Methode 144 Patienten mit mindestens einem MLL Rearrangement identifiziert werden. Bei diesen Rearrangements handelte es sich in den meisten Fällen um reziproke balancierte Translokationen, aber es konnten mit dieser Methode auch Deletionen, Inversionen, Insertionen und eine Tandem-Duplikation (MLL-PTD) identifiziert werden. Von den 172 vorher nicht untersuchten pädiatrischen Patienten konnten 11 (ca. 6%) mit einer MLL Aberration identifiziert werden. Dies entspricht in etwa der in der Literatur beschriebenen Häufigkeit von 10%. 12 (8%) der schon voruntersuchten Patienten konnten mit dieser Methode nicht verifiziert werden. Diese Fälle sollten weiter untersucht werden, um die Methode dieser Problematik entsprechend zu optimieren.
Während dieser Arbeit konnten auch die 6 neuen Partnergene ACACA, ARHGEF17, SMAP1, SELB und TIRAP (DCPS) identifiziert werden. Damit steigt die Zahl der charakterisierten Partnergene von 43 auf 49.
Diese Ergebnisse zeigen, dass sich diese Methode sehr gut für die Identifizierung von bekannten und unbekannten Partnergenen des MLL Gens eignet. In Verbindung mit der Split-Signal FISH Technik kann diese Methode sehr gut für eine Routinediagnostik und einen hohen Durchsatz an Proben herangezogen werden. Ein langfristiges Ziel wird die Analyse des MLL Rekombinoms sein, denn mindestens 36 Partnergene (40%) warten noch auf ihre Identifizierung.
Darüber hinaus können die patientenspezifischen chromosomalen Fusionssequenzen für das Monitoren von leukämischen Zellen über quantitative PCR Methoden herangezogen werden. Diese genomischen MRD Marker können dann in den einzelnen Zentren genutzt werden und dazu beitragen, dass in Zukunft die Therapieprotokolle und der Therapieerfolg verbessert werden. Erste Studien sind mit Hilfe der von uns generierten molekularen Marker bereits an zwei Zentren durchgeführt worden.
Dank intensiver Forschung konnte Stickstoffmonoxid (NO) innerhalb der letzten Jahrzehnte als ein gasförmiges Signalmolekül (second messenger) identifiziert werden, das innerhalb der Zelle verschiedene Signalkaskaden beeinflusst. Dabei spielt sowohl der Syntheseort als auch die synthetisierte NO-Menge eine entscheidende Rolle für die Spezifität des über NO vermittelten Signals. Dies spiegelt sich unter Anderem in den zahlreichen regulatorischen Mechanismen, denen die NO-Synthasen unterliegen, wider. In jüngster Vergangenheit konnte gezeigt werden, dass nicht nur der Aktivitätsstatus der NO-Synthasen, sondern ebenfalls deren subzelluläre Lokalisation durch solche Mechanismen entscheidend beeinflusst werden. Von besonderer Bedeutung scheinen dabei mit den NO-Synthasen interagierende Proteine zu sein. So resultiert beispielsweise eine Überexpression von NOSIP – einem eNOS interagierenden Protein – in CHO-NOS-Zellen in einer Umverteilung von eNOS von der Plasmamembran hin zu intrazellulären Kompartimenten. Diese Umverteilung führt zu einem signifikanten Aktivitätsverlust der eNOS. Die physiologische Relevanz dieser Interaktion wird sowohl durch den Interaktionsnachweis der endogenen Proteine in Endothelzellen als auch durch eine weitreichende Co-Expression in Gastro-Intestinaltrakt, Leber und Bauchspeicheldrüse der Ratte gestützt.
Eine nähere Charakterisierung dieser Interaktion war bisher jedoch noch nicht erfolgt. Auch blieben die biochemischen Eigenschaften von endogenem NOSIP bisher unerforscht. Daher war es Ziel dieser Arbeit, endogenes NOSIP näher zu charakterisieren und dadurch die Voraussetzungen für eine physiologische Interaktion zwischen NOSIP und eNOS aufzuklären. Dabei konnte festgestellt werden, dass es sich bei NOSIP um ein überwiegend nukleär lokalisiertes Protein handelt. Diese nukleäre Lokalisation wird über ein zweiteiliges Kernlokalisationssignal (NLS = nuclear localisation signal) vermittelt. Sukzessive Mutation dieses Signals resultiert in einer zytoplasmatischen Akkumulation von NOSIP. Ferner ist das NLS nach Fusion an heterologe Proteine in der Lage, deren Lokalisation in Richtung Zellkern zu verschieben. In Heterokaryon-Assays konnte gezeigt werden, dass NOSIP zusätzlich aus dem Kern exportiert wird und daher ein zwischen Kern und Zytoplasma wanderndes Protein ist. Dieses „trafficking“ wird über ein dynamisches Gleichgewicht aus Kernimport und Kernexport reguliert. Der Kernexport von NOSIP wird durch einen ungewöhnlichen - nicht durch Leptomycin B inhibierbaren - Mechanismus bewerkstelligt. Entsprechend findet sich innerhalb der NOSIP-Sequenz kein typisches, leucinreiches Exportsignal, durch welches gewöhnlich Kernexport über Bindung an Crm1 (chromosome region maintenance 1) vermittelt wird. Das dynamische Gleichgewicht zwischen Kernimport und Kernexport, verschiebt sich in Abhängigkeit vom Zellzyklus in der G2-Phase in Richtung Export, was in einer zytoplasmatischen Akkumulation von NOSIP resultiert. Beeinflusst wird das dynamische Gleichgewicht dabei möglicherweise von einer Interaktion zwischen NOSIP und der Zellzyklus-regulatorischen Kinase CDK1 (cyclin dependent kinase 1).
In Bezug auf eNOS ist diese zytoplasmatische Lokalisation von NOSIP von entscheidender Bedeutung, wie in vergleichenden Transfektionsexperimenten mit zytoplasmatischen NOSIP-Mutanten in CHO-NOS-Zellen gezeigt werden konnte. Danach vermittelt ausschließlich Transfektion dieser Mutanten eine Translokation von eNOS an das Aktin-Zytoskelett, während natives, primär nukleär lokalisiertes NOSIP keinen Einfluss auf die eNOS-Lokalisation hat. Analog dazu resultiert die zytoplasmatische Akkumulation von endogenem NOSIP in der G2-Phase des Zellzyklus ebenfalls in einer Translokation von eNOS an das Aktin-Zytoskelett, welche eine signifikante Aktivitätsminderung der NO-Synthase zur Folge hat. Diese zellzyklusspezifischen, eNOS-regulativen Effekte erfolgen in Abhängigkeit von endogenem zytoplasmatischem NOSIP, wie mittels RNA-Interferenzexperimente belegt werden konnte. Danach können sowohl die Umverteilung von eNOS als auch die daraus resultierende Aktivitätsminderung durch eine Expressionsunterdrückung von NOSIP vollständig inhibiert werden.
Die innerhalb dieser Arbeit erhobenen Daten stellen den ersten Bericht über eine Zellzyklusabhängige Regulation einer NOS-Isoform dar. Diese negative Regulation wird durch eine Umverteilung von eNOS an ein inaktives Kompartiment erreicht, welche wiederum über eine zellzyklusabhängige Lokalisationsänderung von NOSIP bewerkstelligt wird. In der Literatur finden sich zahlreiche Berichte über die Auswirkungen von exogen verabreichtem NO auf Zellzyklus-gesteuerte Ereignisse, wie Apoptose oder Proliferation. In diesem Zusammenhang zeigen die hier erhobenen Daten, dass die endogene NO-Menge tatsächlich zellzyklusspezifisch reguliert wird. Diese Regulation könnte möglicherweise ein Teil eines endogenen, NO-abhängigen Mechanismus darstellen, der die Apoptose und/oder die Proliferation beeinflusst.
The main goal of this work is to contribute to the existing knowledge of soil micro-fungi in Panama and Germany. Studies about soil degradation and its influents in the soil fungi diversity have not been investigated as extensively in these countries. This is an extensive and challenging topic to examine since there is an immense phenotypic and genetic diversity in the soil fungal community and relating this community together with factors of soil degradation is an extensive task. For this reason, the present thesis studies the species identified in the study areas, in other words, the soil fungal diversity in relation to environmental factors in the Taunus Mountain range in Frankfurt, Germany, and in the Majagua valley in Chiriquí, Panama. Two complementary objectives were achieved, the first was the development of a theoretical irrigation model for degraded soils. The second was the development of a mobile application to facilitate laboratory work in the cultivation of soil micro-fungi.
The design of the methodology was based on identifying the species and relating the diversity found to soil factors. Soil samples were taken in both countries: the Taunus Mountain range was sampled eight times from January to November 2012 and the Majagua valley was sampled on three occasions between February and July 2012. In both studies, the areas included three different vegetation types (forest, grassland, and bare soil). Samples were separated for two purposes: the assessment of fungal diversity by molecular and morphological methods and soil characterization.
Soil samples used in the methodology of pyrosequencing were related to global climatic factors. Morphological identification was achieved with identification keys. Micro-fungi were cultivated in different media until obtaining pure cultures. Molecular identification was performed by getting the DNA sequences using the ITS1 and ITS4 primers and comparing the sequences with other reference sequences from GenBank. This was done considering the BLAST algorithm, which considered sequences that matched 98 % or more of maximum identity as reliable identifications.
Soil characterization was carried out to measure the soil's Physico-chemical properties; those abiotic factors were compaction, temperature, pH, moisture, and soil composition.
Species richness was calculated in each study area with the estimators Chao, Jackknife, and Bootstrap. Furthermore, the species accumulation curves were performed to observe the species discovery rate and estimate sample completeness. Estimate linear regression models correlated the influence between the soil factors (temperature, moisture, pH, soil compaction, and soil composition) and the species richness. In the same way, an analysis of ecological distance was undertaken based on the similarity in the species composition, compared across samples, and correlated with soil factors, using non-metric multidimensional scaling (NMDs).
Study of abundance showed differences between the bare soil abundances and the forest abundances in Germany and Panama; the grasslands in both countries work as transitional areas in the fungi abundance. The key stone species in Germany were Penicillium daleae, and Pochonia bulbillosa, whereas in Panama were Purpureocillium lilacinum and Trichoderma harzianum. Based on Pareto analysis, a theoretical irrigation model was developed to counteract the degradation effects on the abundance of micro-fungi in the soil.
Applications for mobile devices dealing with the cultivation of soil micro fungi were sought. Due to the small number of existing applications, a new App called Soil-Fungi-Cultures (SFC) was developed to facilitate data collection of cultivated soil micro fungi. App Inventor was the program used to design, program, test, and publish the application developed. The developed application was compared with other applications used in identifying bacteria cultures. The results showed that the new application needed more time to capture the records because it saves more information, the navigation flow was acceptable, the number of clicks was high, but it is due to the usefulness in data capture, and finally, the users rated it as a good application with an eight out of ten rating.
Pyrosequencing resulted in 204 Operational Taxonomic Units (OTUs) considering the two study areas (the Taunus Mountain range and the Majagua valley). The Pyrosequencing database was used to contribute to the most important study of fungal diversity globally based on OTUs, which surpasses any study of molecular and taxonomic diversity previously conducted. The principal result in this study was that the climatic factor is the best predictor of fungal richness and community composition on a global scale. However, the part of the research that focused on the local scale, that is to say, on the correlation patterns between the distribution of fungal species and abiotic factors, showed that the soil properties and degradation levels were not associated with fungal richness, diversity or soil composition in the study areas in Germany or Panama. The above confirms that there are exceptions to the way relationships between soil factors with fungal diversity are established at the local level.
In the case of soil samples used for morphological identification, 71 fungal species were obtained, 47 from Germany, and 32 from Panama.
Dendritic spines are small membranous protrusions covering the dendritic tree of principal telencephalic neurons, such as the GC or CA2-pc. The CA2-subregion is crucial for social memory. Dendritic spines are a main site of synaptic plasticity, which is a key element of learning and memory. The plasticity-related protein Synaptopodin (SP) is essential to form the spine apparatus (SA), a spine-specific organelle involved in synaptic plasticity. SP stabilizes dendritic spines. This thesis investigated, for the first time, the dendritic SP-distribution and its influence on spine density and spine head size under different conditions in adult mice ex vivo: 1) SP-overexpression (gain-of-function), 2) SP-deficiency (loss-of-function), and 3) wild type-level of SP-expression in male and female mice (sex-differences in dCA2). SP-overexpression in adult male CSPtg-mice led to a ~doubled ratio of SP+ spines in the OML of the DG, while the spine density, the average spine head size and the average SP-puncta size were not affected. Consistently, SP-deficiency in adult male SP-KO animals had no significant effect on average spine head size. Of importance, under SP-overexpression, many small spines and a few large spines become SP+, assumingly assembling a SA. On a functional level, this may indicate an activation of silent synapses. dCA2 showed sex specific differences in spine density and spine morphology in a layer-specific manner: In males, pc-spines of the basal dCA2-compartment showed larger spine heads than females in the diestrus stage of their cycle (females (diestrus), while spine density was not significantly different. In the apical dCA2-compartment (sr), females (diestrus) showed an increased spine density, while spine head size was still shifted towards larger head sizes in males. In addition, dCA2 showed significant layer-specific differences in spine head size, but in a sex-independent manner: In both sexes, average spine head size in the apical sr was significantly smaller than in the basal so. This findings could reflect a yet unknown compartment-specific difference in synaptic plasticity in the basal compartment, which is preferentially targeted by neuromodulatory input from extrahippocampal sources such as the PVN or SUM99,101,170,189-195. In so of dCA2, there was no sex-specific difference in SP-puncta size or in the ratio of SP+ spines, indicating that SP is distributed in a sex-independent manner in dCA2 in adult mice.
RNA modification is a dynamic and complex process that involves the addition of various chemical groups to RNA molecules, contributing to their diversity and functional complexity. Among all the RNA modifications, N6-methyladenosine (m6A) is the most common post-transcriptional modification found in mRNA molecules, particularly in eukaryotic mRNA. It involves methylation of the adenosine base at the nitrogen-6 position. This modification plays a crucial role in many aspects of RNA metabolism, including splicing, stability, translation, and the cellular response to stress. With the development of m6A sequencing technologies, our knowledge of m6A has evolved rapidly over the past two decades. However, one of the most widely used m6A profiling techniques termed “m6A individual-nucleotide resolution UV cross-linking and immunoprecipitation (miCLIP)” suffers from a high unspecific background signal due to the limited antibody binding specificity.
To accurately discriminate m6A sites from the background signal in miCLIP data, in Chapter 4, I first developed different strategies to identify the true miCLIP2 signal changes that are corrected for the underlying transcript abundance changes. I performed this analysis on data that generated with an improved experiment protocol, named miCLIP2. With the best performing strategy, the Bin-based method, I detected more than 10,000 genuine m6A sites. I then used the information embedded in the genuine m6A sites to train a machine learning model - named "m6Aboost" - to enable accurate m6A site detection from the miCLIP2 data without a control dataset from an m6A depletion cell line. To allow an easy access for future users, I packaged the m6Aboost model into an R package that is available on Bioconductor.
Although previous studies have reported that m6A is involved in three different RNA decay pathways, it remains unclear how a pathway is selected for a specific transcript or m6A site. In Chapter 5, I reveal that m6A sites in the coding sequence (CDS) induce a stronger and faster RNA decay than the m6A sites in the 3’ untranslated region (3’UTR). Through an in-depth investigation, I found that m6A sites in CDS trigger a novel mRNA decay pathway, which I termed CDS-m6A decay (CMD). Importantly, CMD is distinct from the three previously reported m6A-mediated decay pathways. In terms of its mechanism, CMD relies on translation, where m6A sites in the CDS lead to ribosome pausing and subsequent destabilization of the transcript. The transcripts targeted by CMD are identified by the m6A reader protein YTHDF2, preferentially localized to processing bodies (P-bodies), and undergo degradation facilitated by the decapping factor DCP2. CMD provides a flexible way to control the expression of CDS m6A-containing transcripts which include many developmental regulators and retrogenes.
In summary, this PhD thesis introduces a novel workflow for identifying m6A sites in miCLIP data through the implementation of the m6Aboost machine learning model. Using the m6A sites identified by m6Aboost and additional data, a newly uncovered m6A-mediated mRNA decay pathway, CMD, is elucidated, providing valuable insights into m6A-mediated decay processes.
Hintergrund: Die NEC ist eine sehr häufige Erkrankung von Frühgeborenen und Kindern mit geringem Geburtsgewicht innerhalb der ersten zwei Lebenswochen. Mit einer Inzidenz von bis zu 11% bei Frühgeborenen7 und einer Letalität von 15-30%, stellt diese einen ernstzunehmenden Notfall auf neonatalen Intensivstationen dar. Die Pathophysiologie und Ätiologie sind bis heute nicht endgültig geklärt. Es besteht jedoch der allgemeine Konsens über eine multifaktorielle Genese. Im Vordergrund steht dabei die Unreife des Frühgeborenendarms. Hinzu kommen eine abnorme bakterielle Kolonisation des Darms und Hypoxien im Splanchnikusgebiet. In der aktuellen Literatur gibt es unterschiedliche Aussagen über einen möglichen Zusammenhang zwischen den histopathologischen Befunden der Resektionspräparate und dem postoperativen Verlauf. Teilweise wird von einem Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Nekrose im Resektionsrand mit einer bakteriellen Besiedlung und dem Outcome berichtet. Das Ziel unserer Studie war es, diesen Zusammenhang weiter zu untersuchen und einen möglichen Unterschied zwischen den Resektionsrändern und den zentralen Segmenten zu beschreiben.
Material und Methoden: In dieser Studie wurden die Operationspräparate von Frühgeborenen, die zwischen 2010 und 2019 in der kinderchirurgischen Abteilung des Universitätsklinikums der Goethe-Universität in Frankfurt am Main mit dem Verdacht auf eine NEC operiert wurden, retrospektiv und doppelt verblindet histologisch untersucht und befundet. Die Befundung der zentralen Segmente und Resektionsränder der Operationspräparate erfolgte von drei Untersucher:innen unabhängig. Der postoperative Verlauf wurde retrospektiv mithilfe der klinikinternen Dokumentationssoftware ermittelt und die Patient:innen wurden in drei Gruppen eingeteilt: komplikationsfrei, Komplikationen und Exitus letalis. Anschließend erfolgte sowohl eine uni- als auch eine multivariate Zusammenhangsanalyse zwischen dem Befund und dem postoperativen Verlauf. Die Durchführung der Studie wurde von dem Ethikkomitee des Universitätsklinikums der Goethe-Universität genehmigt.
Ergebnisse:
Es wurden die Präparate von insgesamt 59 Kindern mit Verdacht auf NEC untersucht. Bei 49 Kindern bestätigte sich der initiale Verdacht. Bei 10 Kindern lagen andere Darmerkrankungen wie eine FIP, ein Volvulus oder ein Mekonium-Ileus vor. 29 der 59 Kinder (49%) blieben postoperativ frei von Komplikationen, 25 (42%) zeigten im Verlauf Komplikationen im Sinne einer gravierenden Allgemeinzustandsverschlechterung, eines Ileus oder einer erneuten NEC und fünf Kinder (9%) verstarben.
Diese Studie zeigte einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Vorliegen einer Einblutung in das Gewebe des Resektionsrandes und dem postoperativen, klinischen Verlauf (p = 0,032). Lag eine Einblutung in die Resektionsränder vor, kam es häufiger zu Komplikationen oder einem Exitus letalis. Dem entgegen konnte kein weiterer Zusammenhang zwischen der Vitalität der Tunica Mucosa oder der Tunica Muscularis im Resektionsrand und dem klinischen Verlauf gefunden werden. Außerdem konnte kein Zusammenhang zwischen den histopathologischen Befunden in den zentralen Anteilen des resezierten Präparates und dem klinischen Verlauf nachgewiesen werden.
Schlussfolgerung: Mit dieser Studie ermittelten wir einen statistisch signifikanten Zusammenhang zwischen dem Vorliegen einer frischen Hämorrhagie in den Resektionsrand und dem postoperativen klinischen Verlauf. Vergleicht man die Ergebnisse mit der aktuellen Literatur, besteht Einigkeit darüber, dass die histologische Vitalität der Resektionsränder alleine für das Outcome nicht maßgeblich zu sein scheint.
Den Kinderchirurg:innen kann an Hand dieser Studie bei gleichbleibender Wahl der Resektionsränder eine möglichst atraumatische Operationstechnik mit Ausräumung makroskopisch sichtbarer Hämatome empfohlen werden. Die Schnellschnittuntersuchung der Resektionsränder im Hinblick auf die Vitalität des Gewebes ist nicht nötig.
Seit Beginn des 20. Jahrhunderts verzeichnete das ärztliche Berufsfeld einen steten Zuwachs von Frauen. Gegenwärtig weist insbesondere die Pädiatrie einen besonders hohen Frauenanteil auf. Es ist jedoch zu beobachten, dass ungeachtet dessen, Führungspositionen weiterhin vorwiegend von Männern besetzt bleiben.
Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Studie Geschlechterdisparitäten in der pädiatrischen Forschung anhand von wissenschaftlichen Autorenschaften für den Zeitraum von 2008 bis 2018 untersucht.
Insgesamt wurden 690 436 Autorenschaften aus 156 642 englischsprachigen Originalartikeln für die Untersuchung herangezogen. Die Analyse umfasste den Anteil weiblicher Autorenschaften (Female Authorship Proportion, FAP), die Verteilung auf Erst-, Co- und Letzt-Autorenschaften, geschlechtsspezifische Zitationsraten, eine Produktivitätsanalyse sowie Untersuchungen zu Journalen, Ländern und pädiatrischen Teildisziplinen.
Insgesamt betrug der Anteil weiblicher Autorenschaften 46,6%. Dabei fanden sich Autorinnen auf 52,0% der Erst-, 47,6% der Co- und 37,5% der Letzt-Autorenschaften. Auch die Odds Ratio weiblicher Autorenschaft (Female Authorship Odds Ratio, FAOR) war jeweils am höchsten für die Erst-Autorenschaft (1,30) und am niedrigsten für die Letzt-Autorenschaft (0,63). Auf prestigeträchtigen Erst- und Letzt-Autorenschaften waren Frauen mit einem Prestige-Index (PI) von -0,13 insgesamt unterrepräsentiert. Der zeitliche Verlauf offenbarte einen Zuwachs weiblicher Autorenschaften, mit Akzentuierung auf Erst- und Letzt-Autorenschaften.
In den Teilanalysen von einzelnen Ländern, Journalen und pädiatrischen Teildisziplinen konnte jeweils eine erhebliche Spannbreite der FAP sowie des PI festgestellt werden. Dabei wiesen beinahe alle Länder und Journale sowie sämtliche pädiatrischen Teildisziplinen eine signifikante Unterrepräsentation von Frauen auf Letztautorenschaften auf. Zwischen dem Einfluss eines Journals und dessen FAP oder PI konnte keine lineare Korrelation nachgewiesen werden.
Die Produktivitätsanalyse ergab, dass männliche Autoren im Schnitt mehr Artikel veröffentlichten als weibliche Autoren. Der Großteil der Autorinnen (64,7%) veröffentlichte während des untersuchten Zeitraums einen einzigen wissenschaftlichen Artikel. Zitationszahlen sowie die Repräsentanz in Multiautorenartikeln zeigten sich jeweils annähernd geschlechterneutral.
Die erzielten Resultate dieser Analyse ließen Rückschlüsse auf die Integration von Frauen in der pädiatrischen Forschung zu. Insgesamt war die weibliche Repräsentanz in der Pädiatrie, insbesondere in Relation zu anderen Wissenschaftsbereichen, hoch. Der sukzessive Anstieg der FAP über den untersuchten Zeitraum spiegelte den zunehmenden Anteil von Frauen in der Pädiatrie wider. In den Bereichen Zitationsraten und Prestige-Index kam eine annähernde Geschlechterparität zum Ausdruck.
Deutliche Disparitäten wurden dahingegen bei Betrachtung der Verteilungsmuster von weiblichen Erst-, Co- und Letzt-Autorenschaften aufgedeckt. Hier zeigte sich eine Karrieredichotomie: Frauen waren auf Erst-Autorenschaften überrepräsentiert, was vornehmlich dem Karrierebeginn entspricht. Männer waren dahingegen auf Letzt-Autorenschaften überrepräsentiert, was wiederum mit leitenden Positionen assoziiert ist.
Interessanterweise konnten auf globaler Ebene hohe Wachstumsraten der FAP für Letzt-Autorenschaften und eine deutlich ansteigende FAOR für eine Letzt-Autorenschaft festgestellt werden. Diese Ergebnisse implizieren, dass Wissenschaftlerinnen vermehrt, Führungspositionen besetzten. Linearen Hochrechnungen zufolge ist in den kommenden Jahren mit verbesserten Karrierechancen für Frauen in der pädiatrischen Forschung zu rechnen
Die kognitive Aktivierung ist eine der drei Basisdimensionen der Unterrichtsqualität (Klieme, 2019) und findet mittlerweile Eingang in international angelegte Modelle der Unterrichtsqualität (Bell et al., 2019; Charalambous & Praetorius, 2020). Die Dimension wurde bereits in einer Vielzahl von Studien, in verschiedenen Schulfächern und über verschiedene Schulformen hinweg empirisch untersucht (Praetorius et al., 2018). Dabei wurde die kognitive Aktivierung im Rahmen von Angebots-Nutzungs-Modellen (Fend, 2019) überwiegend als ein angebotsseitiges Potenzial der Lehrperson für die Schüler*innen operationalisiert (Denn et al., 2019). Hingegen ist bislang wenig darüber bekannt, wie kognitive aktivierende Impulse in der Interaktion zwischen Lehrperson und den Schüler*innen hergestellt und bearbeitet werden (Renkl, 2015; Vieluf, 2022).
In dieser Studie werden mithilfe der wissenssoziologisch fundierten Dokumentarischen Methode (Bohnsack, 2021) und ihrer Spezifizierung für die Analyse von Unterrichtsvideographien (Asbrand & Martens, 2018) die im Unterricht kommunizierten und handlungsleitenden, implizierten Wissensbestände rekonstruiert, die die Hervorbringung von kognitiver Aktivierung in der Interaktion bedingen. Es wird danach gefragt, wie kognitive Aktivierung in der Interaktion zwischen Lernenden und Lehrenden hergestellt und prozessiert wird. Als Datengrundlage dienen überwiegend Videos aus dem Mathematikunterricht der neunten Klasse zum Thema quadratische Gleichung aus der TALIS Videostudie Deutschland (Grünkorn et al., 2020).
Als Ergebnis ließen sich drei unterschiedlichen Formen der Aktivierung rekonstruieren. Typ I: Aktivierung zu Reproduktion ist durch ein instruktivistisches Verständnis der Lehrkraft geprägt, in dem aktivierende Impulse die Schüler*innen überwiegend zur Reproduktion von Wissen anregen. Typ II: Aktivierung zu unsystematischem Probieren wird durch ein vermittelndes Verständnis der Lehrperson bestimmt, bei dem die Impulse nicht an das bestehende Wissen der Schüler*innen anschließen und die Bearbeitung im Rahmen eines unsystematischen Probierens erfolgt. Typ III: Aktivierung zu fachlicher Konstruktion ist durch ein konstruktivistisches Unterrichtsverständnis der Lehrkraft gekennzeichnet und Impulse werden in einem ko-konstruktiven Prozess von den Schülern*innen in Zusammenarbeit mit der Lehrkraft bearbeitet.
Terpene bilden mit mehr als 81.000 Verbindungen die größte Klasse der Naturstoffe. Nichtsdestotrotz wird ihre strukturelle Vielfalt durch die Isoprenregel begrenzt. Diese besagt, dass alle primären Terpensynthaseprodukte aus Bausteinen mit fünf Kohlenstoffatomen hervorgehen. Ihre Produkte sind somit kanonisch, da sie durch ein Vielfaches von fünf Kohlenstoffatomen dargestellt sind. In dieser kumulativen Arbeit wird die mikrobielle Produktion einer Vielzahl neuartiger nicht-kanonischer Terpene beschrieben und somit der chemische Strukturraum von Terpenoiden über die Grenzen der Isoprenregel hinaus erweitert. Um dies zu erreichen, wurden in verschiedenen Ansätzen die Gene des Mevalonatwege, einschließlich einer IPP-Isomerase gemeinsam mit verschiedenen Prenylpyrosphosphat-Methyltransferasen und Terpensynthasen in E. coli exprimiert und die Produktspektren der Biosynthesewege detailliert untersucht.
Ein breites Spektrum neuer C11-Terpene wurde als Nebenprodukt der bakteriellen 2-Methylisoborneol- oder 2-Methylenbornansynthasen entdeckt. Neben elf bekannten konnten 24 neuartige C11-Terpene nachgewiesen werden, die bisher noch nicht als Terpensynthase-Produkte beschrieben wurden. Vier davon, 3,4-Dimethylcumol, 2-Methylborneol und die beiden Diastereomere von 2-Methylcitronellol, konnten identifiziert werden. Außerdem wurde das C16-Terpen 6-Methylfarnesol als Produkt identifiziert.
Die Produktselektivität einer C11-Terpensynthasen, die 2 Methylenbornansynthase aus Pseudomonas fluorescens, wurde durch einen semirationalen Protein-Engineering-Ansatz verändert. Aminosäuren des aktiven Zentrums mit Einfluss auf die Produktselektivität wurden identifiziert. Entsprechende Varianten des Enzyms führen zu gänzlich veränderten Produktspektren. So wurden neue Einblicke in die Struktur-Funktions-Beziehung für C11-Terpensynthasen gewonnen und bisher unzugängliche nicht-kanonische Terpene produziert.
Eine IPP-Methyltranferase wurde identifiziert und charakterisiert, die den C5-Baustein der Terpenbiosynthese in eine Vielzahl von C6- und C7-Prenylpyrophosphate umwandelt. Die heterologe Expression in E. coli gemeinsam mit anderen Genen der Terpenbiosynthese erweitert das potenzielle Terpensynthase-Substratspektrum außerdem um C11-, C12-, C16- und C17 Prenylpyrosphopshate. Darüber hinaus konnten polymethylierte C41-, C42-und C43-Carotinoide synthetisiert werden. So wurde die Terpenbiosynthese durch die Modifikation ihrer Bausteine erweitert und neue ungewöhnliche Terpene produziert.
Die sekretorischen Phospholipasen A2 (sPLA2) sind eine Familie von Enzymen, die von Glycerophospholipiden spezifisch Fettsäuren abspalten. Bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt wurden im Menschen neun verschiedene sPLA2-Subtypen identifiziert, die in zahlreiche physiologische und pathophysiologische Prozesse involviert sind. So sind sPLA2s in der humanen Epidermis maßgeblich am Aufbau der Permeabilitätsbarriere beteiligt. Darüber hinaus kontrollieren sie die Freisetzung von Arachidonsäure für die Produktion von Eicosanoiden, die sowohl für die Proliferation der Keratinozyten als auch für inflammatorische Prozesse und die Entstehung von Tumoren in der Haut von entscheidender Bedeutung sind.
Da bislang weder das detaillierte Expressionsmuster der einzelnen sPLA2-Enzyme noch deren spezifische Funktion in humaner Epidermis bekannt war, wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Analyse an Biopsien gesunder und erkrankter humaner Haut durchgeführt. Zusätzlich zum Nachweis der sPLA2-Expression in vivo wurden humane primäre Keratinozyten in vitro verwendet, um die Auswirkungen der Differenzierung der Keratinozyten auf die Expression der verschiedenen sPLA2-Enzyme zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen sowohl in gesunder Haut als auch in primären Keratinozyten eine starke Expression der sPLA2-IB, -IIF und -X in differenzierten Zellen, während die der sPLA2-IID und -V auf proliferierende Zellen beschränkt war. Die sPLA2-IIA hingegen wurde in gesunder Haut vor allem in der äußersten, verhornten Schicht der Epidermis nachgewiesen. Die Analyse der Haut von Patienten mit Psoriasis oder Atopischer Dermatitis, beides Erkrankungen, die mit einer Störung der Permeabilitätsbarriere assoziiert sind, zeigte im Vergleich zu gesunder Haut ein deutlich verändertes Expressionsmuster. So konnte in Biopsien kranker Haut eine verstärkte Expression der sPLA2-IIA und -IID nachgewiesen werden, während die sPLA2-V nicht detektiert werden konnte. Besonders auffallend war das Verteilungsmuster der sPLA2-X, die, im Gegensatz zu gesunder Haut, in der Epidermis erkrankter Haut nicht zu detektieren war. Dagegen konnte hier eine starke Färbung der Dermis nachgewiesen werden. Die Abwesenheit der sPLA2-X in der Epidermis unter entzündlichen Bedingungen könnte durch die Sekretion des Enzyms erklärt werden. So führte die Behandlung von HaCaT-Zellen, die als in vitro Modellsystem dienten, mit Psoriasistypischen TH-1-Zytokinen wie TNF a und IFN g zur Freisetzung der sPLA2-X ins Kulturmedium. Zudem induzierte die exogene Stimulation der Zellen mit rekombinanter sPLA2-X die Synthese des Eicosanoids Prostaglandin E2 (PGE2), das zu Entzündungsreaktionen in der Haut entscheidend beiträgt. Die weitere Analyse des Signaltransduktionsweges zeigte, dass der Effekt der exogenen sPLA2-X sowohl durch den Einsatz des sPLA2-spezifischen Inhibitors Methyl-Indoxam als auch durch die Hemmung der katalytischen Aktivität der zytosolischen PLA2 a (cPLA2 a) blockiert werden konnte. Da zudem Hydrolyse-Produkte der PLA2s, wie freie Fettsäuren und deren Metabolite, endogene Aktivatoren der Transkriptionsfaktoren PeroxisomProliferator-aktivierte Rezeptoren (PPAR) darstellen, wurde auch deren Rolle bei der PGE2-Produktion untersucht. Experimente mit dem PPAR g Antagonisten GW 9662 und dem PPAR g Aktivator Ciglitazon und die Untersuchung des Bindungsverhaltens der PPARs an ihre DNA-Konsensus-Sequenz nach Stimulation mit exogener sPLA2-X zeigten, dass insbesondere PPAR g (PPAR g) an der Signalweiterleitung beteiligt ist. Zudem hatte die Herunterregulation der sPLA2-X mittels RNA-Interferenz die Suppression von differenzierungsassoziierten Proteinen wie Involucrin und PPAR g zur Folge.
Die unterschiedliche Lokalisation der untersuchten sPLA2-Enzyme in gesunder und erkrankter Haut lässt darauf schließen, dass die einzelnen Subtypen in der humanen Epidermis unterschiedliche Funktionen wahrnehmen. So ist einerseits die sPLA2-IIA mit inflammatorischen Prozessen der Haut verbunden, andererseits korreliert insbesondere der Verlust der sPLA2-X in der Epidermis mit einer Störung der epidermalen Permeabilitätsbarriere, so dass dieses Enzym offenbar zum Aufbau der Permeabilitätsbarriere beiträgt. Unter entzündlichen Bedingungen kommt es allerdings, induziert durch Zytokine, zur Sekretion der sPLA2-X. In großen, nicht-physiologischen Mengen freigesetzt, ist das Enzym in der Lage, die Synthese von Eicosanoiden wie PGE2 zu steigern, und unterstützt dadurch die Entzündungsreaktionen in der Haut.
Für diese retrospektive Studie wurden 157 Sportlerinnen in den Sportarten Fußball, Handball und Basketball über ihre Verletzungen und Fehlbelastungsfolgen in einem Erfassungszeitraum von 4 Jahren befragt. Die Sportlerinnen wurden in die Leistungsklassen Hochleistungssport und Leistungssport eingeteilt.
Die Probandinnen waren im Fußball durchschnittlich 22,2 Jahre alt, hatten im Schnitt 12,7 Trainingsjahre hinter sich und trainierten 7,9 Stunden in der Woche mit einem prozentualen Krafttrainingsanteil von 23%. Die Wettkampfanzahl pro Jahr lag bei durchschnittlich 32,7. Die relativ kleine Anzahl von 7 Hochleistungsfußballerinnen kann diese Werte als zu niedrig verfälscht haben.
Im Handball lag das Durchschnittsalter bei 25,1 Jahren, 16,3 Trainingsjahren und 8,9 Wochenstunden Training mit 16% Krafttrainingsanteil. Die Zahl der Wettkämpfe betrug durchschnittlich 33,4 pro Jahr.
Die Basketballerinnen waren durchschnittlich 23,6 Jahre alt, seit 12,7 Jahren im Training und von 9,7 Stunden Wochentraining zu 18% im Kraftraum. Sie absolvierten 41,6 Wettkämpfe im Jahr.
Im Erfassungszeitraum von 4 Jahren trat bei fast allen Sportlerinnen, bis auf 4 Leistungssportlerinnen im Fußball, mindestens einmal akut eine Verletzung auf, bei allen jedoch mindestens einmal eine Fehlbelastungsfolge. Das heißt, dass 97% der Befragten mindestens einmal akut verletzt waren, in Sportarten aufgeteilt, dass zu 100% im Handball und Basketball jede Sportlerin mindestens einmal verletzt war.
Im Fußball ergab sich eine Verletzungshäufigkeit von 2,18 akuten Verletzungen, bzw. 2,25 Fehlbelastungsfolgen pro Jahr. Auf je 100 Belastungsstunden gab es 0,47 Verletzungen bzw. 0,50 Fehlbelastungsfolgen pro Jahr. Die Handballerinnen hatten eine Verletzungshäufigkeit von 2,55 pro Jahr und 2,12 Fehlbelastungsfolgen. Auf 100 Belastungsstunden entspricht dies einer Verletzungshäufigkeit von 0,53 akuten Verletzungen pro Spielerin und 0,43 Fehlbelastungsfolgen pro Jahr.
Im Basketball lag die Verletzungshäufigkeit bei 1,89 akuten Verletzungen und bei 1,71 Fehlbelastungsfolgen, bzw. bei 0,35 akuten Verletzungen und bei 0,32 Fehlbelastungsfolgen bezogen auf 100 Belastungsstunden.
Hochleistungssportlerinnen waren aufgrund des relativ hohen Trainingsumfanges und der Wettkampfbelastung gegenüber den Leistungssportlerinnen pro Jahr absolut gesehen häufiger verletzt und mussten mit mehr Fehlbelastungsfolgen rechnen.
Pro Belastungsstunde zeigten jedoch die Leistungssportlerinnen mehr
Sportverletzungen und auch Fehlbelastungsfolgen. Ein erhöhtes Trainingspensum bzw. Wettkampfpensum bedeuten also nicht gleichviel mehr Verletzungen.
Rund 52% aller akuten Verletzungen waren leichte Verletzungen ohne notwendige Sportpause oder ärztliche Behandlung, etwa 28% waren mittelschwer, d.h. sie machten eine Sportpause von kürzer als 2 Wochen und/oder eine Behandlung durch einen Arzt notwendig und etwa 19% waren schwerer Art mit ärztlicher Behandlung und einer Sportpause von länger als 2 Wochen.
77% aller Fehlbelastungsfolgen waren leichte, rund 20% mittelschwer und lediglich ca. 3% aller Fehlbelastungsfolgen schwer. Todesfälle oder Invaliditätsfälle konnte diese Studie nicht erfassen.
Die meisten Verletzungen ereigneten sich im Wettkampf mit ca. 52% im Vergleich zu etwa 48% im Training. Da nun aber die Wettkampfzeit deutlich geringer ist als die Trainingszeit, ergab sich in den einzelnen Sportarten folgende Relation: im Fußball liegt der Faktor, der eine Aussage über die erhöhte Verletzungswahrscheinlichkeit im Wettkampf macht, bei 9, im Basketball bei 17 und im Handball ergab sich der Faktor 20. Diese Zahlen verdeutlichen die erhöhte Risikobereitschaft und damit
Verletzungsgefahr im Wettkampf.
Die häufigsten Verletzungen betrafen die Muskeln mit über 30% aller Verletzungen, insbesondere im Fußball und Handball, gefolgt von Gelenkverletzungen wie Supinationstraumata im oberen Sprunggelenk, besonders im Fußball und Basketball, und Distorsionen der Finger, besonders Handball und Basketball. Die meisten Fehlbelastungsfolgen zeigten sich an Gelenken, wie Hüftgelenk und Sprunggelenk im Fußball, Schulter-, Ellenbogen- und Kniegelenk im Handball und Sprung- und Kniegelenk im Basketball.
Die meisten der oben aufgeführten Beschwerden zogen keine weiteren
Konsequenzen wie Trainingsausfall oder Notwendigkeit einer ärztlichen Behandlung nach sich, sie sollten jedoch Anlass dafür sein, diese als erste Warnsymptome des Körpers zu erkennen, um weitere Schäden vermeiden zu können. Rund 3% aller Verletzungen oder Fehlbelastungsfolgen waren Frakturen, insbesondere im Fußball traten Zehen-, Clavicula-, Nasenbein- und Kieferfrakturen auf. 10% aller Frakturen waren Stressfrakturen.
Die meisten akuten Verletzungen ereigneten sich an der unteren Extremität mit über 50, in allen drei Sportarten, am häufigsten im Fußball (66% im Leistungssport und 59% im Hochleistungssport) und Basketball (67% im Hochleistungssport und 55% im Leistungssport). Auch die Fehlbelastungsfolgen waren an der unteren Extremität am häufigsten, im Basketball 67%, im Handball über 50% und im Fußball 48%.
Die obere Extremität war bei allen drei Sportarten (Fußball 18%, Handball und Basketball je 35%) am zweithäufigsten Ort akuter Verletzungen. Nur im Handball waren auch die Fehlbelastungsfolgen am zweithäufigsten betroffen. Dies war der Rumpf mit 36% im Fußball und 20% im Basketball.
Akute Verletzungen in der Kopfregion traten mit 14% im Fußball, mit 12% im Handball und mit knapp 5% im Basketball auf. Fehlbelastungsfolgen waren nur im Fußball mit fast 10% erwähnenswert.
Der Rumpf war in allen drei Sportraten selten akut verletzt, im Fußball mit fast 3% Anteil an allen akuten Verletzungen noch am häufigsten. Fehlbelastungsfolgen in der Rumpfregion traten bei den Handballerinnen mit fast 11% am seltensten auf.
Die meisten akuten Verletzungen pro Spielerin und Jahr zogen sich die Hochleistungsspielerinnen im Vergleich zu den Leistungssportlerinnen zu, im Fußball mit 2,68, im Handball mit 2,55 und Basketball mit 2,42 pro Spielerin und Jahr. Bei den Leistungssportlerinnen verletzten sich akut pro Jahr mit 2,54 Verletzungen die Handballerinnen, mit 2,08 die Fußballerinnen und mit 1,7 Verletzungen die Basketballerinnen.
Auf je 100 Belastungsstunden, Trainings- und Wettkampfstunden addiert, verletzten sich mit 0,58 akuten Verletzungen pro Jahr am häufigsten die Handballerinnen aus dem Leistungsbereich, gefolgt von den Fußballerinnen mit 0,48 Verletzungen im Leistungs- und 0,45 im Hochleistungsbereich. Die Handballerinnen im Spitzenbereich waren 0,34mal im Jahr akut verletzt. Mit 0,31 im Hochleistungsbereich bzw. 0,37 im Leistungsbereich verletzten sich die Basketballerinnen am seltensten.
Insgesamt gesehen verletzten sich am häufigsten pro Jahr und Spielerin die Handballerinnen mit durchschnittlich 2,55 Verletzungen, die Fußballerinnen mit 2,18 und die Basketballerinnen mit 1,89 Verletzungen.
Auf 100 Belastungsstunden ergab sich die gleiche Reihenfolge.
Die meisten Fehlbelastungsfolgen traten mit 2,54 pro Spielerin und Jahr im Hochleistungsbereich der Fußballerinnen auf und mit 2,48 im Handball des Spitzenbereichs. Mit 1,79 im Leistungsbereich bzw. 1,48 im Hochleistungsbereich waren die Basketballerinnen am seltensten verletzt.
Auf 100 Belastungsstunden zeigt sich mit 0,52 pro Spielerin und Jahr bei den Fußballleistungsspielerinnen die größte Verletzungshäufigkeit, gefolgt von den Handballerinnen im gleichen Leistungsniveau. Mit 0,19 Fehlbelastungsfolgen waren die Basketballerinnen im Hochleistungsbereich am seltensten verletzt.
Alle Sportlerinnen in der jeweiligen Sportart, zusammen betrachtet, zeigen, dass die Fußballerinnen mit 2,48 Fehlbelastungsfolgen pro Jahr zu rechnen haben, Handballerinnen mit 2,12 und Basketballerinnen mit 1,71 Fehlbelastungsfolgen.
Der überwiegende Teil aller akuten Verletzungen und Fehlbelastungsfolgen blieb für die Spielerinnen ohne Konsequenzen, d.h. sie hatten keine Sportpause und benötigten keinen Arztbesuch, in dieser Studie als leichte Verletzungen/Fehlbelastungsfolgen definiert.
Etwa jede vierte Verletzung bei den Basketballerinnen war von schwerer Art, d.h. eine Sportpause von länger als 2 Wochen und eine ärztliche Behandlung waren notwendig, darunter z. Bsp. Außenbandrupturen am oberen Sprunggelenk und Meniskusschäden. Etwa jede fünfte akute Verletzung, wie z. Bsp. Commotio cerebri, Nasenbeinfrakturen oder Distorsionen des Schultergelenkes, zwang die Fußballerinnen und Handballerinnen zu einer zweiwöchigen Sportkarenz.
Schwere Fehlbelastungsfolgen, wie z.B. Stressfrakturen der Tibia, hatten in allen drei Sportarten nur einen verschwindend geringen Anteil.
Vor Beginn eines leistungsmäßig-betriebenen Sports sollte eine sportärztliche Untersuchung durchgeführt werden, um Verletzungen und Überlastungsschäden, die aufgrund von anatomischen Varianten oder pathologischen Bewegungsmustern entstehen könnten, zu vermeiden, bzw. zu reduzieren. Pathologische Befunde bei Jugendlichen können Grund dafür sein, dass vom leistungsmäßigen Spiel abzuraten ist, um Sportschäden zu vermeiden.
Am Anfang sollte die Sportlerin für Materialbeschaffung fachkundigen Rat einholen, um mit optimalem Schutz (z. Bsp. Schienbeinschützer, hohe Basketballschuhe) einer Verletzung vorzubeugen.
Anatomische Varianten und Fehlstellungen des Bewegungsapparates sollten durch entsprechendes Material (z. Bsp. Einlagen, Sprunggelenksorthesen, Tape), aber auch durch ein gezieltes, individuelles Kraft-, Koordinations- und Techniktraining ausgeglichen werden. Besonders der Ausgleich einer muskulären Dysbalance im Bereich der Sprunggelenke (z. Bsp. Supinationstraumata) könnte das Verletzungsrisiko in dieser Region reduzieren.
Das Tapen bestimmter Gelenke (z. B. twin-taping an den Fingern) oder das sog. „physiologische Tapen“ sollte fachkundig angeleitet und ausgeführt werden.
Fehlerhafte Technik, mangelnde Kondition und mangelnder Trainingsaufbau sind ebenfalls Ursache für Verletzungen und Überlastungsschäden.
Somit ist die Zusammenarbeit von Ärzten, Trainern, Sportpsychologen und Physiotherapeuten von großer Bedeutung, um auf ausreichende Regenerationszeiten, realistische Zielsetzungen in der Rehabilitation, gesunde und richtige Ernährung sowie auf einen gutstrukturierten Trainingsaufbau achten zu können.
Im leistungsmäßig-betriebenen Sport ist die Risikobereitschaft immer hoch, so dass besonders im Auftreten von weiteren Faktoren wie Konzentrationsschwäche, Müdigkeit, mangelhaften Materials, fehlerhafter Ernährung etc. ein erhöhtes Verletztungspotential vorliegt.
Der überwiegende Anteil aller in dieser Studie erfassten Verletzungen trat während eines Wettkampfes auf, auch durch den Einfluss des Gegners. Um den Anteil an den Verletzungen, die aufgrund von Regelwidrigkeiten entstanden sind, zu reduzieren, sind von den Schiedsrichtern diese Regelverstöße konsequent zu ahnden, bzw. die Spielregeln durch die Sportverbände zu ändern.
Die ethnografische Feldstudie untersucht die Lebenswege von jungen muslimischen Männern, die in einer armutsbetroffenen und stigmatisierten Hochhaussiedlung in der urbanen Peripherie aufwachsen. Sie vergleicht die Lebenswege derjenigen, die ein Hochschulstudium aufnehmen (college boys) mit der Gruppe derjenigen, die sich in der informellen Ökonomie der 'Straße' mit dem Drogenhandel als wichtigstem Zweig betätigen (corner boys). Die Lebensverläufe der jungen Männer, deren Familien meist im Zuge der Anwerbemigration ab den 1960er Jahren aus Marokko oder aus der Türkei eingewandert sind, werden anhand der Lebensverlaufstheorie (life course theory) von Glen Elder und Janet Giele erklärt. Die ethnografischen Beschreibungen werden methodisch um biografische Interviews mit college boys und corner boys und um Expertinneninterviews mit Fachleuten aus Organisationen wie Kitas, Schulen oder einer Moschee ergänzt. Die ethnografischen Beobachtungen werden auch ins Verhältnis zu Befunden aus der interdisziplinären sozialwissenschaftlichen Literatur gesetzt, die wiederum mit den in der Studie erhobenen und sehr persönlichen Lebensgeschichten von corner boys und college boys kombiniert werden. Der Forscher hatte während der Feldarbeit eine Doppelrolle, da er nicht nur als Ethnograf tätig war, sondern auch für die Stadt als Streetworker bzw. Sozialarbeiter in der Hochhaussiedlung beschäftigt war. Insofern gibt die Feldstudie auch einen Einblick in die staatlichen Unterstützungssysteme der Sozialen Arbeit.
Im Ergebnis entsteht die Geschichte eines sozialräumlich segregierten Milieus seit der Migration der Großeltern nach Deutschland. Sowohl für college boys als auch für corner boys dient die harte Lohnarbeit ihrer Eltern und Großeltern als negative Kontrastfolie. College boys streben nach beruflichem Erfolg und Anerkennung durch Bildungsabschlüsse. Corner boys hingegen leisten Widerstand gegen die Arbeitsethik und andere dominante Normen und wenden sich von der Lohnarbeit im Allgemeinen ab. In den Lebensverläufen von college boys wirken bestimmte Schutzfaktoren, die ihnen einen Bildungsaufstieg trotz armutsgeprägter Lebensverhältnisse ermöglichen. Zu diesen Schutzfaktoren zählen ein stabiler Familienkontext mit engen Bindungen, die Organisation eines strukturierten Alltags in Kindheit und Jugend mit Aktivitäten wie Nachhilfe und Sportvereinen und der praktizierte Islam mit seiner engen Verbindung von Glaube, Bildung und Abstinenz.
Durch die Arbeit entsteht ein Perspektivwechsel auf Hochhaussiedlungen der untersuchten Art. Statt der üblichen symbolischen Abwertung erscheinen sie durch die beschriebenen intergenerationalen Bildungsaufstiege als Orte mit besonders hoher sozialer Mobilität. Auf der anderen Seite wird mit den corner boys aber auch eine Gruppe beschrieben, in der sich Prekarität aufgrund von Ausgrenzungserfahrungen und einer anschließenden Resignation verfestigt hat. Die college boys bekommen Raum zur Entfaltung, während die corner boys metaphorisch gesprochen im Raum der Hochhaussiedlung gefangen bleiben. Die Faktoren, die diesen Unterschied erklären, werden in der Arbeit beleuchtet.
In this dissertation, we look at environmental effects in extreme and intermediate mass ratio inspirals into massive black holes. In these systems, stellar mass compact objects orbit massive black holes and lose orbital energy due to gravitational wave emission and other dissipative forces. We explore environmental interactions with dark matter spikes, stellar distributions, accretion disks, and combine and compare them. We discuss the existence and properties of dark matter spikes in the presence of these environmental effects. The signatures of the environmental effects, such as the phase space flow, dephasing, deshifting of the periapse, and alignment with accretion disks, are examined. These signatures are quantified in isolated spike systems, in dry, and in wet inspirals. We generally find dark matter effects to be subdominant to the other environmental effects, but their impact on the waveform is still observable and identifiable. Lastly, the rates of inspirals and the impact of spikes are estimated. All of these results are obtained with the help of a code imripy that is published alongside. If dark matter spikes exist, they should be observable with space-based gravitational wave observatories.
Microstates sind kurzzeitig andauernde, wiederkehrende elektrische Potentialfelder über dem Kortex. Ein Großteil der Signalvarianz des
Elektroenzephalogramms (EEG) wird durch vier repräsentative räumliche Potentialverteilungen (Topographien) abgedeckt, welche bereits im Wachzustand und im Schlaf identifiziert wurden und kanonisch als Karten A-D bezeichnet werden. Microstates wurden in den vergangenen Jahren vor allem im Ruhe-Wach-EEG untersucht, über andere Vigilanzzustände hingegen wissen wir bisher wenig. Klassischerweise analysieren wir verschiedene Vigilanzzustände im Elektroenzephalogramm anhand von Frequenzen und Graphoelementen, die Microstate-Analyse hingegen betrachtet in erster Linie die räumliche Verteilung des kortikalen Potentials zu einem jeweiligen Zeitpunkt.
Die vorliegende Studie hatte zum Ziel, die zeitliche Abfolge von Microstates im Wachzustand und im Schlaf zu charakterisieren. Mittels informationstheoretischer Ansätze können die dynamischen Eigenschaften der Microstate-Sequenz direkt mit den frequenzbasierten Eigenschaften des zugrundeliegenden EEG verglichen werden. Es wurden die Ruhe-Wach- und Schlafdaten von 32 gesunden Probanden analysiert. Hierbei fand sich eine Zunahme der mittleren Microstate-Dauer und der Relaxationszeit der Übergangsmatrix, was langsamere Dynamiken im Schlaf anzeigt. Erstaunlicherweise konnte im Tiefschlaf mehr als die Hälfte der Sequenzen nicht von einem simplen Markov-Modell unterschieden werden, was für eine Abnahme der Komplexität der Microstate-Sequenzen spricht. Die Entropierate der untersuchten Sequenzen nahm mit zunehmender Schlaftiefe ab, was weniger
Zufall bzw. eine größere Vorhersagbarkeit innerhalb der Sequenzen bedeutet.
Darüberhinaus konnte gezeigt werden, dass Microstates immer dann periodisch auftreten, wenn das zugrundeliegende EEG eine dominante Grundfrequenz aufweist, sodass oszillatorische Hirnaktivität auch auf der Microstate-Ebene verfolgbar ist. Hierdurch ist es möglich, physiologische Vigilanzzustände quantitativ voneinander zu unterscheiden.
Interpretiert man Microstates als Korrelate neuronaler Netzwerke, scheinen im Schlaf dieselben oder ähnliche Netzwerke aktiviert zu werden wie im Wachzustand, allerdings mit zunehmender Schlaftiefe langsamer und auf eine weniger komplexe Art und Weise.
Oxytocin, welches primär als Hormon bekannt ist, beeinflusst als Neuromodulator viele kognitive Prozesse, die an sozialem Verhalten, wie Sprache, beteiligt sind. Einerseits verändert es akustische Merkmale von gesprochener Sprache, andererseits erleichtert es auf perzeptueller Ebene die Emotionserkennung in der Sprachwahrnehmung und Körpersprache. Bislang war nicht bekannt, wie Oxytocin Hirnaktivität während des Sprechens verändert. Wir hypothetisierten, dass dieser Neuromodulator ähnlich wie Dopamin kortiko-basale Schaltkreise bahnen könnte.
Wir führten eine doppelt-verblindete Verhaltens- und funktionelle Kernspintomographiestudie durch, in der 52 gesunde Probanden an zwei getrennten Untersuchungsterminen entweder intranasales Oxytocin oder ein Placebo erhielten. Die Teilnehmer lasen Sätze außerhalb des Kernspintomographen und im Scanner leise oder laut mit entweder neutraler oder fröhlicher Intonation vor.
Die Verabreichung von Oxytocin erhöhte den zweiten Formanten der produzierten Vokale. Höhere Frequenzen dieses akustischen Parameters wurden zuvor mit einer positiven Valenz gesprochener Sprache in Verbindung gebracht; jedoch konnten unabhängige Beurteiler*innen die akustischen Unterschiede in unserem experimentellen Setting nicht konsistent unterscheiden.
Als neuronales Korrelat verstärkte Oxytocin die präparatorische subkortikale Gehirnaktivität im ventralen Pallidum und Striatum. Auch kortikal erhöhte Oxytocin präparatorische Gehirnaktivität in Regionen des dorsalen wie auch des ventralen Sprachverarbeitungsstroms, in sensomotorischen Kortizes und limbischen sowie exekutiven Regionen. In einigen dieser Regionen modulierte der genetische Oxytocin- Rezeptor-Polymorphismus rs53576 die durch die Oxytocin-Verabreichung verursachte Gehirnaktivität. Ähnlich wie Dopamin modulierte Oxytocin außerdem kortiko-basale Schaltkreise, die an der Generierung von fröhlicher Prosodie beteiligt sind. Während der Vorbereitung von Sprache erhöhte der Neuromodulator die funktionelle Konnektivität zwischen dem ventralem Pallidum und dem dorsolateralen präfrontalen Kortex mit einem spiegelbildlichen Profil während des eigentlichen Sprechens, einen Effekt den wir als „gating“ (Bahnung) interpretierten.
Unsere Ergebnisse legen nahe, dass mehrere neuronale Prozesse, die der Sprachproduktion zugrundeliegen, durch Oxytocin moduliert werden. Das Muster ähnelt hierbei dem anderer Neuromodulatoren wie Dopamin. Die vorliegende Arbeit charakterisiert somit erstmals Oxytocineffekte auf die mit Sprachproduktion assoziierte Hirnaktivität und funktionelle Konnektivität.
Hintergrund: Bei der Operation einer ATAD sind Patienten aufgrund multipler komplexer Faktoren gefährdet perioperative permanente neurologische Defizite zu erleiden. Da perioperative PND die Mortalität signifikant steigern, ist die Kenntnis über potentielle Risikofaktoren für ein PND von großem Wert, nicht zuletzt um bestmöglich auf jeden Patientenfall vorbereitet sein zu können und Therapiestrategien zu optimieren.
Diese retrospektive Studie soll prä- und intraoperative Risikofaktoren für die Entstehung eines PND nach der Operation einer ATAD herausfiltern.
Material und Methoden: Patientendaten von Patienten mit ATAD (n=305), die sich im Zeitraum von 2001 – 2017 am Universitätsklinikum Frankfurt in der Abteilung für Herz- und Gefäßchirurgie einer Operation unterzogen haben, wurden retrospektiv mittels univariater Analyse und multivariater logistischer Regression analysiert.
Ergebnisse: Die PND-Rate innerhalb der Studienpopulation betrug 13%. Mit hoher statistischer Signifikanz konnte eine Form der hämodynamischen Instabilität als präoperativer Risikofaktor für die Entstehung eines perioperativen PND identifiziert werden (OR 9,53; p<0.001). Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Vorhandensein einer Karotisstenose das perioperative PND-Risiko ungünstig beeinflusst (OR 2,68, p=0,04). Ein präoperativer Sinusrhythmus kann die perioperative PND-Rate günstig beeinflussen (OR 0,2, p=0,01). Die univariate Analyse konnte signifikant belegen, dass Operationszeiten > 300 Minuten und EKZ-Zeiten > 160 Minuten das PND-Risiko ungünstig beeinflussen. Andere Risikofaktoren wie z.B. die Art der Hirnperfusion oder der Grad des hypothermischen Kreislausstillstandes, die zumindest klinische Signifikanz zu haben scheinen, konnten in dieser Arbeit keine statistische Signifikanz erzielen, was ggf. Ausdruck der Limitationen retrospektiver Arbeiten ist.
Fazit: Eine hämodynamische Instabilität stellt einen präoperativen Risikofaktor für die Entstehung eines PND nach der Operation einer ATAD dar. Zu den identifizierten präoperativen Risikofaktoren, die die PND-Rate ungünstig beeinflussen gehört außerdem das Vorhandensein einer Karotisstenose, während das Vorhandensein eines Sinusrhythmus die PND-Rate günstig beeinflusst.
Das Zeitmanagement bei der Operation einer ATAD ist entscheidend, um peri-operativen PND vorbeugen zu können. Eine Operationszeit > 300 Minuten und eine EKZ-Zeit von > 160 Minuten sind mit wesentlich höheren PND-Raten assoziiert und stellen somit intraoperative Risikofaktorenfür die Entstehung eines PND bei der Operation einer ATAD dar.
Die akute Nierenschädigung ist ein häufiges klinisches Erscheinungsbild, das trotz der heutigen Erkenntnisse über pathophysiologische Abläufe in der Niere mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität assoziiert ist. Die eigene Fähigkeit der Niere zur Regeneration stellt ein Potenzial dar, das durch die Unterstützung pro-regenerativer Faktoren das Patientenüberleben verbessern kann. Das Wissen, dass die akute Nierenschädigung ein reversibles Ereignis darstellt, bestärkt den Einsatz der Forschung pro-regenerative Einflussfaktoren zu bestimmen, deren Zusammenhang darzustellen und eine mögliche Strategie zur innovativen Therapie zu entwickeln. Um eine akute Nierenschädigung darzustellen und anschließend auf regenerative Prozesse zu untersuchen, wurde ein Cisplatin-induziertes in vitro-Schädigungsmodell an primären Tubulusepithelzellen (mTEZ) aus Wildtyp Mäusen etabliert. Nach Isolation und Kultivierung primärer mTEZ erfolgte die Schädigung mit Cisplatin, die anhand eines Zytotoxizitätsnachweises quantifiziert wurde. Makrophagen zeichnen sich durch ihre funktionale Vielfalt in physiologischen als auch pathophysiologischen Abläufen aus. Ihre Plastizität ermöglicht es ihnen, sich entsprechend des umgebenden Milieus mit ihrem Phänotyp anzupassen und folglich in Form eines pro-regenerativen Makrophagen Proliferation und Reparaturprozesse zu unterstützen. Für die Untersuchung einer Makrophagen-vermittelten, pro-regenerativen Wirkung auf geschädigte mTEZ wurden primäre Zellen aus dem Knochenmark von Mäusen isoliert und zu Makrophagen differenziert. Zur Ausprägung eines pro-regenerativen Makrophagen Phänotyps erfolgte die Stimulation der kultivierten Makrophagen durch Inkubation mit Interleukin-10 (IL-10) und die Herstellung eines konditionierten Mediums (KM). Lipocalin-2 (Lcn-2) ist bekannt als früher Biomarker im Rahmen der akuten Nierenschädigung, aber zeichnet sich zusätzlich durch seine pro-proliferative Wirkung und regenerative Funktion aus. Lcn-2 ist ein Protein, das Eisen mit hoher Affinität bindet und in Makrophagen als alternativer Eisen-Transportmechanismus dient. In der vorliegenden Untersuchung stellte sich bei Stimulation mit IL-10 ein pro-regenerativer Makrophagen Phänotyp dar, der sich durch eine erhöhte Eisenfreisetzung und dem erhöhten Nachweis von Eisen-beladenen Lcn-2 im KM auszeichnete (holo-Lcn-2). Um den Zusammenhang von Lcn-2 aus IL-10-stimulierten Makrophagen und die regenerativen Eigenschaften auf mTEZ zu untersuchen, wurde ein Versuchsaufbau etabliert, indem mTEZ mit Cisplatin geschädigt und anschließend ein KM von IL-10-stimulierten Wildtyp (WT) oder Lcn-2 knockout Makrophagen hinzugefügt wurde. Zusätzlich wurde ein rekombinantes holo-Lcn-2 hergestellt, das als Zugabe zu KM von Lcn-2 knockout Makrophagen der Wiederherstellung und der Untersuchung eines Lcn-2-abhängigen Mechanismus diente. Als Merkmal einer Zellregeneration wurden die epitheliale Integrität und die Reorganisation des Zytoskeletts bestimmt. Ergänzend konnte mit Hilfe der Expression von Proliferationsmarkern sowie einer Echtzeitmessung der Proliferationsrate eine zunehmende Proliferation geschädigter mTEZ nach Zugabe von KM aus Makrophagen in Abhängigkeit von Lcn-2 bewiesen werden. Anschließend wurde eine Analyse des Eisengehalts im Zelllysat von mTEZ durchgeführt. Hierbei konnte ein signifikanter Anstieg des Eisengehaltes in mTEZ nach Zugabe von KM aus WT Makrophagen als auch durch Ergänzung von rekombinanten holo-Lcn-2 zu KM aus Lcn-2 knockout Makrophagen nachgewiesen werden. In der Korrelation zwischen Eisenmenge im Zelllysat der mTEZ und der Proliferationsrate ergab sich eine zunehmende Proliferation mit Anstieg des Eisengehaltes der Zelle. Zusammenfassend ergaben unsere Untersuchungen, dass KM aus pro-regenerativen Makrophagen die Überlebensfähigkeit von mTEZ nach Cisplatin-Schädigung steigert. Es zeigte sich auch eine durch Lcn-2 geförderte epitheliale Integrität sowie ein pro-proliferativer Effekt. Die regenerativen Effekte an mTEZ wurden durch Lcn-2 aus KM von IL-10-stimulierten Makrophagen über seine Eisen-bindende Funktion vermittelt. Über die Ausschüttung von Lcn-2 vermitteln pro-regenerative Makrophagen vermutlich die Zell-Regeneration von mTEZ, indem Lcn-2 toxisches Eisen von geschädigten und apoptotischen Zellen aus der Umgebung bindet, es Zielzellen als holo-Lcn-2 zur Verfügung stellt und hierdurch die Proliferation induziert.
The evolution of cell-free protein synthesis (CFPS) over recent decades has made it a widely used system for expressing membrane proteins (MPs). Unlike traditional methods, CFPS allows direct and translocon-independent expression of MPs within lipid membranes, such as liposomes or nanodiscs (NDs), without the need for detergent solubilization. This open nature of CF systems enables customization of the experimental environment, including expression conditions, choice of nanoparticles (NPs), lipid composition, and addition of stabilizing molecules.
Membrane scaffold protein (MSP)-based NDs emerged as a gold standard for cotranslational solubilization of MPs using the CF-system. This approach allowed not only biochemical characterization, but also structural studies of MPs and even GPCRs. However, to solubilize MPs inside nanoparticles via the traditional reconstitution route, apart from MSPs other scaffolds were successfully implemented, e.g. the saposin A (commercially known as Salipro) scaffold system or the synthetic styrene maleic acid lipid particles (SMALPs). In this study the potential of saposin A-based nanoparticles (SapNPs) was explored for cotranslational MP solubilization.
Three strategies for applying SapNPs in CF systems were investigated: preassembly, (i) coassembly (ii), and coexpression (iii). (i) Preassembly involved forming SapNPs before CF expression and adding them to the CF reaction. In coassembly mode SapA and lipids were mixed in the CF reaction for spontaneous assembly with the synthesized MP. In coexpression mode lipids were added to the CF reaction while coexpressing SapA with the MP target. Proteorhodopsin (PR) served as a model protein to evaluate these strategies due to its ability to oligomerize and straightforward quantification using the cofactor retinal. Preassembled SapNPs provided homogeneous, aggregate-free particles yielding up to 200 µM solubilized PR inside in the CF reaction. Coassembly was also successfully applied to produce PR/SapNP complexes at slightly lower yields, however the system was prone to produce soluble aggregates at too high PR template concentrations and overall needed more adjustments. Coexpression resulted in PR yields below 20 µM and was not considered viable for MP production. Finally, the preassembled SapNPs were used to produce functional G-protein coupled receptor probes. Despite lower overall performance compared to MSP-based systems, SapNPs showed potential as an alternative in CF systems for specific MPs.
The second optimization approach was directed at the CF lysate itself. CF synthesis for NMR analysis benefits from selective labeling schemes enabled by truncated amino acid (AA) metabolic pathways in lysates, reducing spectral ambiguity. However, residual enzymatic AA conversions persist, leading to label dilution and ambiguous NMR spectra. This study aimed to eliminate these residual activities in the E. coli A19 strain, generating optimized CF lysates for NMR applications.
The approach involved cumulative gene deletions of the most problematic scrambling enzymes. The new strain, “Stablelabel,” included deletions and modifications in genes asnA, ansA, ansB, glnA, aspC, and ilvE, effectively eliminating background activities of L-Asn, L-Asp, and conversions of L-Glu to L-Asp and L-Gln. However, residual conversion of L-Gln to L-Glu persisted due to glutaminase activity of several glutaminases using the inhibitor 6 diazo-5-oxo-L-norleucine (DON). Stablelabel showed a slightly slower growth than A19, and an overall good performance with 2.7 mg/mL GFP expressed in the reaction mixture (RM) compared to the parental A19 strain with 3.5 mg/mL. Furthermore, the strain was successfully applied to demonstrate methyl group labeling of MPs using preconverted L-val and L-leu from their respective precursors 2-ketoisovalerate and 4-methyl-2-oxovalerate.
In this study, lipid nanoparticle particle-and strain engineering vividly demonstrated the potential of CFPS systems and their versatility. While the SapNP system requires further engineering to potentially reach the efficiency of the well-studied MSP NDs, this study provides an example of nanoparticle characterization allowing new insights into NP behavior in CF systems. Furthermore, it was shown that strain engineering is a straightforward solution to tailor CF lysates to the individual requirements. After this thesis was submitted, Stablelabel in fact was successfully applied for backbone assignment of casein kinase 1, thereby demonstrating its suitability to express complex targets for NMR studies.
The hepatitis B virus is one of the most common causes of virus-related chronic liver disease and remains a major global health problem affecting 296 million people worldwide. Despite an available and highly effective vaccination, hepatitis B infections lead to an annual mortality rate of approximately 0.8 million people. The global prevalence is heterogeneously distributed and reflects a high infections and chronicity, particularly in low-income countries, due to a lack of vaccination strategies, underdiagnosis and low treatment rates. A complete cure remains undiscovered to this day. Based on their genetic makeup, the virus is categorized into nine genotypes with a genetic difference of more than 8% within the sequence. In addition to their geographical distribution, hepatitis B virus genotypes also differ in terms of their clinical outcome, pathogenesis and treatment response.
The viral protein HBx is known to interact with several cellular signaling pathways and is thereby accounted as the driving force in the development of hepatitis B virus-associated pathogenesis and progression of hepatocellular carcinoma. In particular, HBx interacts with mitochondria and induces profound alterations in the mitochondrial morphology and function with a severe impact on the liver’s physiology and with an emerging role in liver-related disease progression.
This study aims to investigate the genotype-related impact of HBx with regard to their interaction with cellular signaling pathways. A particular focus was placed on mitochondria-dependent interactions and signaling pathways in order to broaden the understanding of the genetic diversity of the genotypes.
Differences between genotypes of HBx were examined and compared through in vitro experiments based on a cell culture-based system. Plasmid DNA encoding the HBx protein of the different genotypes was transiently transfected into Huh7 or HepG2 cells and examined for molecular and protein-biochemical effects on the host cell, usually 72 hours after transfection. This study focused on the most common genotypes A, B, C, D, E and G worldwide.
Based on initial kinome profiling analyses, it was found that HBx differs greatly within their genetic variants and suggests different effects on overall cell function and in particular on mitochondrial kinases. Furthermore, confocal laser scanning microscopy reveals profound HBx-mediated changes in the mitochondrial network structure, however with major differences among the different genotypes. In particular, HBx of genotypes A and G causes enormous fragmentation of mitochondrial structures, accompanied by emergent changes in mitochondrial function. Due to an increased interaction with the voltage-dependent anion channel 3, a significant loss of mitochondrial membrane potential was also observed, together with an increased radial oxygen stress level and an induction of central mitochondria-dependent inflammatory mediators. In contrast, the contribution of HBx-genotype B and E reveals only moderate effects in these regards. Using a pH-sensitive reporter system, HBx genotypes which previously indicated a strong distribution in the mitochondrial morphology and function, also showed an elevated mitophagy through the PINK1/Parkin-mediated pathway. This study provides direct evidence that HBx-mediated changes in host cell signaling pathways, especially in mitochondrial-associated pathways, fundamentally dependent on the different genotypes. In addition, the results also indicate an important role of HBx in the process of genotype-dependent liver pathogenesis and provide insight into the underlying cellular mechanisms and signaling pathways.
The attention on the protein PURA has increased recently following the discovery of the rare PURA Syndrome. This neurodevelopmental disorder is caused by de novo mutations in the PURA gene. Notably, our collaborators could show that the protein PURA can bind DNA and RNA in vitro. As a result, I was motivated to explore PURA's cellular RNAbinding activity. Furthermore, I inquired on the connection of PURA-RNA binding to the cellular effect of a reduction of functional PURA as present in PURA Syndrome patients.
To investigate the binding of PURA and the impact of PURA de ciency on cellular RNA and protein expression, I performed an integrative computational analysis of multimodal data from complementary high-throughput experiments. An essential component was the examination of UV Crosslinking and immunoprecipitation (CLIP) experiments, which can query the global RNA-binding behaviour of a given protein in a cellular context. As the processing and analysis of CLIP data are rather complex, I introduce an automated command line tool for the processing of CLIP data named racoon_clip as part of this dissertation. Therefore, this dissertation comprises two major segments. Firstly, I describe the implementation and usage of racoon clip for CLIP data analysis. Secondly, I discuss my research on the protein PURA, demonstrating its global RNA-binding properties, the effects of PURA depletion and its association with neuronal functions and P-bodies, among others.
racoon_clip is a command line application that I have developed for processing of individualnucleotide resolution CLIP (iCLIP) and enhanced CLIP (eCLIP) experiments - two of the most commonly used types of CLIP experiments - in a comparable and user-friendly way.
For this, I built racoon_clip as an automated work how that encompasses all CLIP processing steps from raw data to single-nucleotide resolution crosslink events. racoon_clip is available as a command line tool that users can run with a single command. The work how is implemented with Snakemake work how management providing computational advantage tages including parallelisation, scalability and portability of the work how. The main task of racoon_clip is to extract single-nucleotide crosslink events from iCLIP, iCLIP2, eCLIP and similar data types. To strike a balance between being highly customisable and easy to use, racoon_clip supplies pre-set options for the most common types of experiments.
Additionally, it is possible for users to create a custom setup of barcode and adapter architectures, which allows them to use the software for other types of CLIP data. While accounting for the different architectures in the reads, the performed central processing steps remain the same. This leads to a high degree of comparability between the different experiment types, which I demonstrate in the exemplary processing of U2AF2 iCLIP and eCLIP data. Taken together, I am confident that racoon_clip will be beneficial to numerous researchers interested in RNA-Protein interactions as it offers easily accessible processing for CLIP data and enhances the comparability of multiple CLIP datasets across di erent experiment types.
In the second part of this dissertation, I focus on the cellular function of the RNAbinding protein PURA. Through in-depth computational analysis of one iCLIP data set of endogenous PURA and two iCLIP data sets of overexpressed PURA in HeLa cells, I establish that PURA is a global RNA-binding protein. It preferentially binds RNAs in either the coding sequence (CDS) or the 3' untranslated region (3'UTR) of mature protein-coding transcripts by recognising a Purine-rich degenerated sequence motif. Even though overexpression of PURA results in less specific binding behaviour, the same overall binding patterns as from endogenous PURA persist. Overall characteristics of PURA binding remain similar in three distinct PURA iCLIP data sets with and without PURA overexpression.
To learn about the molecular consequences of a depletion of functional PURA in a cellular context, I used a 50% reduction of PURA in HeLa cells as a model for the heterozygous loss of PURA in PURA Syndrome and evaluated its impact on global RNA and protein expression. The results demonstrate that PURA depletion globally a ects RNA and protein expression. Additionally, I integrate PURA RNA binding with the changes in expression of RNAs and proteins in the context of PURA depletion. This reveals 234 targets of PURA that are bound by PURA and are impacted at both RNA and protein levels by the PURA protein. RNAs that are bound by PURA or change in abundance upon PURA depletion are enriched in neuronal development factors, RNA lifecycle regulators, and mitochondrial factors, among others. Consistent with a possible role of PURA in neuronal transport, there is considerable overlap between PURA bound transcripts and transcripts, that are transported to the dendritic end of neurons.
Notably, there is a link between PURA and P-bodies, as documented by the enrichment of PURA-bound RNAs in both the P-body and stress granule transcriptome. Further, PURA was found by our collaborators to be localised within P-bodies and P-body numbers were strongly reduced in cells that are depleted of PURA. This absence might be attributed to the downregulation of the proteins encoded by the PURA targets LSM14A and DDX6 as both of them were previously identified as essential for P-body formation.
Overall, the reduction of P-body numbers in PURA depletion, the neuronal function of PURA, and its association with mitochondria and RNA lifecycle regulation may indicate the cellular foundation of both PURA Syndrome and related neuronal diseases.
In summary, I present a versatile and user-friendly computational tool for the analysis of CLIP data. Subsequently, I conduct a thorough computational analysis of CLIP and other high-throughput data in the context of the RNA-binding protein PURA, which offers valuable insights into the cellular functions of PURA. These insights advance our understanding of the impact of PURA loss in PURA Syndrome and other disease contexts.
Regelmäßig werden Debatten um Geschlecht geführt, auch mit dem Fokus auf Schule. So regt die PISA-Studie mit ihren Ergebnissen im Jahr 2000 einen Diskurs um Bildungserfolg und Geschlecht an. Jürgen Budde (2009) vermutet beispielsweise einen engen Zusammenhang vom Schulerfolg eines Jungen mit der jeweiligen Schulkultur und konstatiert in diesem Zusammenhang eine Forschungslücke. Die Studie zu GeschlechterSchulKulturen schließt hier in Bezug auf eine Beforschung von Schulkultur mit Fokus auf Geschlechter an.
Anhand eines gegenstandsverankerten Vorgehens in Form einer Kombination von ethnographischem Forschungsstil und Grounded Theory Methodologie werden Interaktionen und verbale Zuschreibungen im Arrangement zweier integrierter Gesamt- und Ganztagsschulen beforscht. Dabei liegen folgende Forschungsfragen zugrunde: Welche Geschlechterkonstruktionen lassen sich am Beispiel zweier Gesamt- und Ganztagsschulen rekonstruieren? Lassen sich über Geschlechterkonstruktionen im schulischen Kontext spezifische GeschlechterSchulKulturen analytisch fassen und unterscheiden sich die beiden Forschungsfelder darin? Im Rahmen dieser Fragestellungen steht insbesondere die Frage danach im Fokus, welche Geschlechterkonstruktionen die Schüler*innen fünfter Klassen selbst vornehmen. Denn den öffentlichen Diskurs um die Ausbildung von Geschlechtsidentität führen Erwachsene, aber wie konstruieren die Schüler*innen Geschlechtlichkeit in ihrem Schulalltag? Welche Geschlechterzuschreibungen nehmen sie vor und welche möglichen Zusammenhänge lassen sich mit den jeweiligen Schulen rekonstruieren?
In der Studie zu GeschlechterSchulKulturen werden verbale Schüler*innen-Zuschreibungen in den Blick genommen, die in einem zweiten Schritt über einen Vergleich der beiden beforschten Schulen betrachtet und darauf folgend mit den jeweiligen Geschlechter(vor)strukturierungen der Schulen kontextualisiert werden, um damit dem Begriff GeschlechterSchulKulturen analytisch auf die Spur zu kommen. Die Studie liefert dabei zahlreiche Einblicke in verbale Schüler*innen-Zuschreibungen. Daran schließt eine Erörterung möglicher Implikationen für die schulische Praxis an. Dabei liefert die Studie zu GeschlechterSchulKulturen Annahmen zu spezifischen schulischen Kulturen, die bestimmte Konstruktionsprozesse gegebenenfalls (be)fördern. Mit der Studie zu GeschlechterSchulKulturen werden zudem methodologische Fragen zu schulischer Geschlechterforschung bearbeitet und ein Beitrag zu der Darstellbarkeit reflexiver Forschung geleistet.