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Die meisten nanopartikulären Ansätze im Bereich der Arzneiformenentwicklung befinden sich am Anfang der klinischen Evaluation, sodass das wirkliche Potenzial nanotechnologischer Produkte sich erst in den kommenden Jahren abzeichnen wird. Die Zusammenführung von „Drug-Targeting“ und „sustained release“ mit nanotechnologischer Entwicklung könnte in Zukunft zu einem Fortschritt in der Medizin beitragen. Auf dem Gebiet der Antisense-Oligonukleotid (ASO)-Therapie stellt der ASOTransfer in Zielzellen eine entscheidende Hürde dar. ASO benötigt, um im Körper an den Wirkort zu gelangen, einen zuverlässigen Träger, der vor dem Abbau in physiologischen Milieu schützt, den Transport über extra- und intrazelluläre Barrieren im Körper gewährleistet und die ASO zielgerichtet an den Wirkort bringt. Der Einbau von ASO in kolloidale Trägersysteme wie Nanopartikel vermittelt eine effiziente Aufnahme in Zellen bei gleichzeitigem Schutz vor abbauenden Enzymen im Körper. Des Weiteren kann eine gezielte Aufnahme in Zielzellen erreicht werden, die normalerweise nicht auftritt. Bisherige Trägersysteme bestanden meist aus Nanopartikeln von synthetischen Materialien, die entweder die ASO an der Oberfläche adsorbiert oder in der Partikelmatrix inkorporiert hatten. Als Trägermaterialien wurden oft Polyalkylcyanoacrylate verwendet. Sie sind aufgrund ihrer negativen Ladung und Hydrophobizität nicht geeignet ohne Zugabe von Hilfsstoffen, welche in höheren Konzentrationen toxisch wirken, anionische hydrophile Substanzen wie ASO zu adsorbieren. Außerdem besteht bei Nanopartikeln mit adsorbierten ASO die Gefahr, dass es bei einer intravenösen Gabe zu einer Desorption der ASO kommt und somit ASO die Zielzellen nicht in verpackter Form erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden NP auf Basis von humanem Serumalbumin (HSA) als Trägersystem für ASO entwickelt. Durch Oberflächenmodifikation dieser Trägersysteme wurde eine Kopplung von anti-HER2 Antikörper ermöglicht und ein AK-vermitteltes Drug-Targeting erreicht. HSA als natürliches Makromolekül zeichnet sich durch geringe Toxizität und gute Biodegradierbarkeit aus. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Wirkstoff mit vorhandenen Bindungsstellen im HSA-Molekül Wechselwirkungen eingehen kann, was eine erfolgreiche Einbindung gewährleistet. Zusätzlich eignen sich aus HSA hergestellte NP aufgrund funktioneller Gruppen an der Partikeloberfläche für die Kopplung von Antikörpern und ermöglichen somit eine zielgerichtete Arzneistofftherapie. Die entwickelten Trägersysteme wurden hinsichtlich kolloidaler Parameter wie Teilchengröße, Oberflächenladung, ASOBeladungseffizienz, Stabilität in physiologischen Medium und ihrem Vermögen, einen ASO-Effekt zu erzielen, in Zellkultur evaluiert. 4.1 Optimierung der Beladung von NP mit ASO Zunächst wurden HSA-NP hergestellt, bei denen die Beladung durch Inkorporieren des ASO in die Partikelmatrix erfolgte. Die Evaluierung des Desolvatationsprozesses ergab eine Abhängigkeit der ASO-Beladung vom zugesetzten Desolvatationsmittel Ethanol. Eine Mindestmenge eines 1,8-fachen Überschusses an Ethanol ist für die vollständige Desolvatation des HSA und damit für die Einbindung des daran adsorbierten ASO erforderlich. Ebenso beeinflusste die Quervernetzung der Partikel die ASO-Beladungseffizienz. Je mehr Glutaraldehyd zugesetzt wurde, desto stabiler waren die NP. Nimmt die Menge des Glutaraldehyds von 40% auf 200% zu, löste sich um so weniger ASO während der Waschschritte aus der Partikelmatrix heraus. Jedoch hat das Ausmaß der Quervernetzung einen entscheidenden Einfluss auf die Biodegradierbarkeit des Partikelsystems. Zu stark quervernetzte NP (Quervernetzung von 200%) können von intrazellulären Enzymen nicht mehr abgebaut werden, infolge dessen gelangt das eingebundene ASO nicht zu seinem Wirkort ins Zytoplasma. Im Folgenden wurde versucht über die Einführung einer permanenten kationischen Ladung (EDC/Cholamin-Reaktion) im HSA-Molekül ein Trägerpolymer mit höherer Beladungskapazität im Vergleich zu nativem HSA zu etablieren. Ein geringer Anteil von kationisiertem HSA (cHSA) in der HSA-Partikelmatrix reichte aus, um die ASOBeladungseffizienz um ein 2,5-faches signifikant zu steigern. Das Ziel der Oberflächenmodifikation der HSA-NP war eine Positivierung des Zetapotentials, um die Bindung negativ geladener Wirkstoffe wie ASO über elektrostatische Wechselwirkungen zu ermöglichen. Die Umsetzung der HSA-NP mit EDC und Cholamin führte zu einer deutlichen Verschiebung des Zetapotentials von ca. –20,0 mV in den positiven Bereich (+38,6 mV). Durch die Inkubation mit ASO konnten so große Menge an ASO effizient an die Partikeloberfläche (NP+) gebunden werden. Ein Vergleich dieser Ergebnisse zeigte, dass die Beladung mit ASO in der Reihenfolge von Albumin-NP (HSA-NP) mit einer Beladungseffizienz von 7,6 µg ASO / mg NP zu Nanopartikeln, die in der Partikelmatrix inkorporierten Anteil an kationisiertem Albumin enthielten (cHSA-NP) mit 18,2 µg ASO / mg NP, zu Oberflächen-kationisierten Nanopartikeln (NP+) mit 100 µg ASO / mg NP signifikant zunahm. 4.2 Mit ASO-beladene NP in der Zellkultur HSA-NP wurden von allen verwendeten Brustkrebszell-Linien gut vertragen. Nach Zellaufnahme der HSA-NP wurden bei niedriger Quervernetzung (40%) die Partikel gut intrazellulär abgebaut und das ASO in das Zytoplasma freigesetzt. Es konnte im CLSM gezeigt werden, dass die ASO-Freisetzung innerhalb von 24 h zunahm. Alle Versuche mittels den entwickelten ASO-beladenen Trägersystemen einen Antisense Effekt nachzuweisen schlugen fehl. Da die Beladung der HSA-NP nicht weiter erhöht werden konnte, richtete sich ein neuer Ansatz auf eine verbesserte Aufnahme der NP über einen Rezeptor-vermittelten Mechanismus. 4.3 Antikörper-vermittelte Anreicherung von NP in Zielzellen Die Anwendung von monoklonalen Antikörpern mit einer Spezifität gegenüber Tumorzellen ist eine relativ neue und spannende Modalität in der Krebstherapie. Eine der vielversprechenden Zielstrukturen für eine solche Immunotherapie stellt der HER2-Membranrezeptor dar, dessen Überexpression mit einer schlechten Prognose assoziiert ist. HER2 ist ein Produkt des Proto-Onkogens erbB2, das für einen 185 kDa Transmembrantyrosinkinase Wachstumsfaktorrezeptor kodiert. Dieser Rezeptor ist in normalem Gewebe bei Erwachsenen nur geringfügig exprimiert [Press et al., 1990], aber ist bei ungefähr 30% der Patienten mit humanem Magenkarzinom, Lungen- und Brustkrebs überexprimiert. Gegenwärtig dient HER2 als Tumormarker für die zielgerichtete Behandlung mit dem humanisierten anti-HER2 AK Trastuzumab (Herceptin®) von Patientinnen bei metastasierendem Brustkrebs. Jedoch können bessere Ergebnisse erreicht werden, wenn Trastuzumab in Kombination mit anderen Zytostatika verabreicht wird. Antikörper haben bei alleiniger Gabe eine ausreichende Antitumoraktivität, aber sie können auch konjugiert mit Zytostatika sowie Toxinen und Radionukliden, genutzt werden, um diese zu den Tumoren bringen. Im Prinzip kann die Trägereigenschaft von Antikörpern gesteigert werden, wenn ein Antikörper an ein Arzneistoffreservoir, wie Nanopartikel oder Liposomen geknüpft ist. Der Vorteil dieses innovativen Ansatzes für eine zellspezifische Anreicherung im Vergleich zu herkömmlichen Biokonjugaten ist, dass eine höhere Arzneistoffträgerkapazität mit einer verbesserten Spezifität für eine zielgerichtete Pharmakotherapie kombiniert werden kann. Wegen seiner erhöhten Expression in Tumorzellen, seiner extrazellulären Verfügbarkeit und seiner Fähigkeit nach Antikörperbindung internalisiert zu werden, stellt HER2 eine geeignete Zielstruktur für die Tumortherapie mit zellspezifischen Nanopartikeln dar. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion Antikörpermodifizierter Protein-basierter Nanopartikel zu untersuchen und eine spezifische Aufnahme in HER2-überexprimierende Zell-Linien zu verbessern. Ein spezifisches Targeting wurde in verschiedenen Krebszell-Linien mit unterschiedlichen HER2- Expressionsleveln durch FACS-Analyse bewiesen. Die Versuche beinhalteten Inhibitionsexperimente durch Vorinkubation mit Trastuzumab, um die Selektivität der Bindungsstellen auf der Zelloberfläche zu unterstreichen. Die zelluläre Aufnahme dieser Nanopartikel, ebenso wie die zelluläre Verteilung, konnte im CLSM beobachtet werden. Diese ermutigenden Ergebnisse heben den potenziellen Wert Antikörper-modifizierter Nanopartikel für eine spezifische Anreicherung in Tumorzellen hervor. Anti-HER2-NP binden effizient an HER2-überexprimierende Zellen (85%) und werden anschließend internalisiert. Im Anschluss wurde die Beladung von ASO in HSA-NP mit den erhaltenen Erkenntnissen Antikörpermodifizierter HSA-NP kombiniert. Zunächst wurde die Freisetzung von farbmarkierten ASO aus AK-modifizierten HSA-NP in SK-Br-3- und MCF7-Zellen untersucht. Durch die spezifische Aufnahme der AK-modifizierten HSA-NP gelangt bereits innerhalb der ersten Stunde deutlich mehr ASO in die Zelle. Die Zellaufnahme und Freisetzung in das Zytosol der Zelle ist abhängig vom HER2- Protein auf der Zelloberfläche und nimmt über 24 h stark zu. SK-Br-3-Zellen reichern das farbmarkierte ASO stärker als die MCF7-Zellen an. Wirksame ASOKonzentrationen können in SK-Br-3-Zellen mit einer sehr geringen Partikelkonzentration von nur 50 µg anti-HER2-NP/ml erzielt werden, während in MCF7- Zellen eine weit aus höhere Partikelkonzentration notwendig ist. Da die HER2- überexprimierenden Zellen, die für einen Antisense-Testung zur Verfügung standen, sich nicht für den Nachweis eines Antisense-Effektes eigneten, konnte die entwickelte Kombination von ASO-beladenen AK-modifizierten Albumin- Nanopartikeln nicht weiter getestet werden. In Kombination mit einem in die Nanopartikel inkorporierten Arzneistoff wird eine wirksame intrazelluläre Arzneistoffabgabe erwartet. Die Anwendung Antikörpermodifizierter Nanopartikel kann Arzneistoff-Trägereigenschaften mit einer zielgerichteten Tumortherapie kombinieren. Diese neue Generation von immunospezifischen Nanopartikeln sollte auf jeden Fall noch weiter im Einzelnen untersucht werden, um die Wirksamkeit dieser Arzneistoffträgersysteme unter in vitro und in vivo Bedingungen zu belegen.
Genetisch prädisponierende Faktoren und äußere Einflussfaktoren haben eine wesentliche ätiopathogenetische Bedeutung bei der multiplen Sklerose. Zahlreiche Fall-Kontroll-Studien und eine zunehmende Anzahl von Kohorten-Studien wurden zur Aufdeckung äußerer Risikofaktoren durchgeführt. Dennoch bleibt bis heute die Ätiologie der multiplen Sklerose weiterhin rätselhaft. In der vorliegenden Fall-Kontroll-Studie wurden Daten von 538 MS-Patienten, die im Laufe einer Langzeitstudie zur multiplen Sklerose in Südhessen von 1979 bis 1998 mittels eines ausführlichen Interviews befragt wurden, mit den Daten von 102 ebenfalls durch Interview befragten stationär chirurgischen Kontrollpersonen verglichen. Die Studie bezog sich hauptsächlich auf Einflüsse in der Kindheit und Jugend. Im Jahre 1998 wurden 102 Patienten (68 Frauen, 34 Männer), die in der Mehrzahl zur Durchführung einer Appendektomie, Thyreoidektomie, Herniotomie oder Cholezystektomiein der Chirurgischen Klinik des Evangelischen Krankenhauses Elisabethenstift in Darmstadt stationär behandelt wurden, während ihres stationären Aufenthaltes befragt. Ausgeschlossen waren Patienten mit malignen Erkrankungen, Autoimmunerkrankungen und multimorbide, schwer kranke Patienten. Alle Kontrollpersonen wurden ausschließlich durch den Autor befragt. Von 1979 bis 1998 wurden insgesamt 538 multiple Sklerose-Patienten des Areals Südhessen, die zwischen 1938 und 1978 geboren wurden, ebenfalls mittels Fragebogen erfasst (364 Frauen, 174 Männer). Die meisten Befragungen erfolgten durch ein und denselben Untersucher (K. Lauer). Erfragt wurden zahlreiche Expositionen im Sinne der Hypothesengenerierung aus folgenden Bereichen: Kindliche Infektionen, ausgewählte internistische Erkrankungen, Traumata, Operationen und Anästhesien, Medikamente, Zahnstatus, Ernährung, Zigarettenkonsum, Wohn- und Sanitärverhältnisse, multiple Sklerose in Familie und Umgebung sowie Sozialstatus. In der bivariaten Auswertung wurden für jede Variable die Odds Ratio (OR) und das 95%- Konfidenzintervall (KI) errechnet und der p-Wert wurde mit dem Chi2-Test bzw. mit dem zweiseitigen Fisher-Test ermittelt. Hierzu wurde das Statistikprogramm Epi Info 6.0 verwendet. Für die multivariate Auswertung wurde eine schrittweise logistische Regressionsanalyse mit jeweiliger Elimination einer Variablen bis zum Signifikanzniveau (p X 0,05) vorgenommen. In die multivariate Analyse gingen alle signifikanten Variablen der bivariaten Auswertung (p X 0,05) sowie Geschlecht und Geburtsjahr ein. Die Variable „Tetanusimpfung“ wurde nicht mit einbezogen. Primäre Nachteile der vorliegenden Fall-Kontroll-Studie sind die unterschiedlichen Befragungszeiträume und Interviewer bei den Fällen und Kontrollen, weiterhin die Tatsache, dass der Fragebogen nur eine Reliabilität für eine eingeschränkte Zahl von Variablen bei den MS-Fällen und eine unbekannte Validität aufweist. Alter und Geschlecht wurden durch die Einbeziehung in die multivariate Auswertung kontrolliert. Bei der bivariaten Auswertung der Daten aller MS-Patienten und Kontrollpersonen waren die Variablen „Masern“, „Masern R 6 Jahre“, „Keuchhusten“, „oft Angina“, „Aether-/Chloroformnarkose“, „Karies“, „Konsum tierischer Fette“, „Hausschlachtung“, „Konsum pflanzlicher Fette“, „MS in der Familie“, „Kohleheizung“, „Kontakt zu Mäusen“ sowie „Kontakt zu Ratten“ mit einem signifikant erhöhten MS-Risiko assoziiert. Für das Vorhandensein von MS im Bekanntenkreis zeigte sich eine grenzwertig signifikante positive Assoziation. Die Variablen „Windpocken“, „Nasennebenhöhlenentzündung“ (Sinusitis), „Darmwürmer“ (Helminthosis), „>5 Zahnfüllungen“, „Polio-Impfung“, „Tetanus-Impfung“, „Diphtherie-Impfung“, „Konsum vieler Eier“ und „Abwasserentsorgung über Klärwerk“ waren signifikant invers mit MS assoziiert; für „Scharlach“, „Hypothyreose“ und „Abwasserentsorgung über ausgebaute Kanalisation“ ergab sich eine grenzwertig signifikante negative Assoziation. Außerdem erfolgten getrennte bivariate Auswertungen für die Subgruppen „weibliche MS-Patienten“, „männliche MS-Patienten“, „MS-Patienten mit schubförmigem Krankheitsbeginn“ und „MS-Patienten mit primär chronisch progredienter Verlaufsform“ mit den jeweiligen Kontrollpersonen. In den multivariaten Auswertungen ergaben sich für die Variablen „pflanzliche Fette“, „tierische Fette“, „Masern“ (bei Frauen), „Mäuse“, „MS in Familie“ (bei MS-Patienten mit schubförmigem Krankheitsbeginn) und „Kohleheizung“ positive Korrelationen zur multiplen Sklerose. Negativ korrelierend waren „Diphtherie-Impfung“, „Sinusitis“ und „viele Eier“ (bei Frauen). Der vermehrte Konsum tierischer Fette bei den MS-Kranken steht in Einklang mit zahlreichen Untersuchungen, während die gefundene Häufung von Pflanzenfett vorerst nicht erklärt ist. Zahlreiche andere Studien bestätigen auch das Vorhandensein einer multiplen Sklerose in der Familie als Risikofaktor. Ein erhöhtes Risiko für Mäusekontakte und Kohleheizung sollte in weiteren Untersuchungen überprüft werden. Für den bei den MS-Kranken gefundenen, selteneren Befall mit Würmern deutet sich eine biologische Plausibilität über die vermehrte TH2-Zellantwort bei Wurmbefall an. Zum Auftreten von Sinusitiden, das in der eigenen Studie seltener bei den Fällen war, liegen kontroverse Befunde bisheriger Untersuchungen vor. Ein protektiver Einfluss der Diphtherieimpfung wurde ebenfalls von anderen Untersuchern gefunden und sollte weiter überprüft werden. Letztendlich ist in der vorliegenden Arbeit eine Selektions-Verzerrung des MS-Risikos durch die ländliche Wohnortgröße, die nicht kontrolliert werden konnte, nicht auszuschließen, so dass eine zunächst vorsichtige Interpretation am Platze ist.
Katheterverschluß des Vorhofseptumdefektes unter besonderer Berücksichtigung der Langzeitergebnisse
(2004)
Zwischen 5/93 und 12/1999 wurde bei 166 Patienten mit einem ASD vom Sekundum-Typ und bei 178 Patienten mit persistierendem Foramen Ovale versucht, den intreratrialen Defekt transfemoral zu verschließen. Dies gelang bei 156 Patienten mit ASD (Erfolgsquote 94%) und bei allen Patienten mit PFO. Dabei wurden ASDOS-, Buttoned Device-, Angelwing-, CardioSeal- , Amplatzer- , Starflex-, und Helex-Okkluder verwendet. In dieser Arbeit sollen die Akutergebnisse und insbesondere der Langzeitverlauf nach diesen Verschlüssen dokumentiert werden. Das Alter der 115 weiblichen und 51 männlichen Patienten mit ASD betrug im Mittel 47,1 ± 17 (13 – 77) Jahre, das der 97 weiblichen und 91 männlichen Patienten mit PFO 46 ± 13 (17 – 75) Jahre. Die Defektgröße der ASD im transösophagealen Echokardiogramm betrugen 14,1 ± 6,7 (3,4 - 29,4) mm (n=117). Mittels Ballonpassage gemessen betrugen sie 20,6 ± 5,3 (6 – 35) mm (n=150), der Stretched diameter betrug 17,6 ± 4,7 (7 – 29) mm (n=97). Die Defektgröße der PFO betrug 12,3 ± 3,3 (4 – 24) mm (Ballonpassage n=173) bzw. 8,9 ± 3,1 (3 – 20) mm (Stretched diameter n=122). Bei 130 Patienten (78,3%) mit ASD gelang der Verschluß im ersten Versuch. Bei 9 (5,4%) waren mehrere Versuche in einer Sitzung nötig, bei 6 (3,6%) führte erst eine zweite Sitzung zum Erfolg. Bei 6 (4,6%) wurde ein zweiter Okkluder implantiert. Insgesamt konnten 156 Patienten (94%) erfolgreich transfemoral behandelt werden. Bei 10 Patienten (6 %) gelang der transfemorale Verschluß nicht. Der Verschluß des PFO war bei allen Patienten erfolgreich. Bei 179 der 188 Patienten (95,2%) gelang der Verschluß im ersten Versuch. Bei 4 Patienten (2,1%) waren mehrere Versuche in einer Sitzung nötig, bei 2 Patienten (1,1%) führte erst die zweite Sitzung zum Erfolg. Bei 2 Patienten (1,1%) wurde aufgrund von Restshunt ein zweiter Okkluder implantiert. Der Nachbeobachtungszeitraum betrug im Mittel bei den ASD-Patienten 23,7 und bei den PFO-Patienten 21,3 Monate. Bei den 101 ASD-Patienten, bei denen sowohl vor, als auch nach dem Eingriff das Shuntvolumen bestimmt wurde, sank das Verhältnis von Qp/Qs signifikant von 2 ± 0,5 auf 1,1 ± 0,3 (p<0,001). Im TEE war 6 Monate nach dem Defektverschluß (n=121) bei 77,7% der Patienten kein Shunt mehr feststellbar, bei 8,3% war ein sehr kleiner Shunt (<2 mm) und bei 14,1% ein Shunt >2 mm vorhanden. Jedoch hatten 51,9% der Patienten, bei denen ein Restshunt vorlag, mehr als einen Defekt. Es traten in den ersten 6 Monaten folgende Komplikationen auf: Embolie bei Vorhofflimmern (n=1), Dislokation des Okkluders (mit operativer Entfernung) (n=1), Perforation des Vorhofs durch den Schirm (n=1), retroperitoneale Blutung (n=1), Synkopen bei älterer Patientin (n=1). Die Komplikationsrate betrug 7,7%. Im Langzeitverlauf gab es folgende Komplikationen: Mitralinsuffizienz (n=1), Dislokation des Okkluders (n=2), Hirnstamminsult bei intaktem Okkluder ohne Restshunt (n=1), Hörsturz (n=1), Thrombus (n=1). Die Komplikationsrate betrug 1,6% pro Jahr. Bei den Patienten mit PFO ereigneten sich in den ersten 6 Monaten an Komplikationen Rezidivinsulte (n=3), davon 1 mit Dislokation des Okkluders und Infektionen (n=1). Die Rate an Komplikationen betrug in dieser Zeit 4,3% pro Jahr. Die Rate an Rezidiven betrug 3,2%. Im Langzeitverlauf zeigten sich an Komplikationen Rezidivinsulte bei intaktem Okkluder ohne Restshunt (n=2) und Blutungen (n=1). Die Rezidivrate betrug im gesamten postinterventionellen Verlauf 1,5% pro Jahr.
Synthese von modifizierten Nukleotiden und modifizierten Oligodesoxynukleotiden zur DNA-Analytik
(2004)
1.) Entwicklung eines Verfahrens zum Nachweis von Wechselwirkungen zwischen Sondenmolekülen und Targetmolekülen auf einem Sonden-Array Innerhalb des Projektes sollte ein Verfahren entwickelt werden, dass zum Nachweis von Wechselwirkungen zwischen Sondenmolekülen und Targetmolekülen auf Sonden-Arrays genutzt werden kann. Der prinzipielle Aufbau dieses Testsystems wird in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Einer der entscheidenden Schritte zur Entwicklung dieses Verfahrens, ist die Einführung einer selektiv spaltbaren Bindung innerhalb der DNA. Die von uns hierfür präferierte Bindung ist die 5´-O-P-S-3´ Bindung. Das erste zu realisierende Ziel bestand damit in der Synthese der entsprechend 5´-Thio-modifizierten Amidite. Die Synthese von 4,4´-Dimethoxytriphenylmethanthiol, als alternative Schwefel-Quelle und gleichzeitig temporäre 5´-Schutzgruppe stellt den Schlüsselschritt der erfolgreichen Synthese dar. Mit Hilfe dieser Strategie gelingt es, die entsprechend benötigten modifizierten Amidite in zufriedenstellender Ausbeute herzustellen. Durch die Anwendung eines modifizierten Synthesezyklus ist die Synthese eines entsprechend Schwefel-modifizierten Modelloligodesoynukleotids möglich. Mit Hilfe dieser Verbindung wurde die erwünschte Spaltung der 5´-O-P-S-3´ Bindung mit Silbernitrat in Lösung und an verschiedenen Oberflächen (Chip, Biacore-Chip und Magnetic Beads) untersucht. 2.) Punktmutationsdetektion durch festphasenvermittelte Single Nucleotide Primer Extension (SNuPE) und MALDI-MS Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines neuen, elektrophoresefreien Verfahrens zur Detektion von bekannten Punktmutationen mittels fester Phase und der MALDI-Massenspektrometrie. Hierfür wird zunächst ein synthetisches Oligodesoxynukleotid, welches später als Primer fungiert, über einen photolytisch spaltbaren Linker an eine feste Phase gebunden. Dessen Oligodesoxynukleotid-Sequenz wird dabei so ausgewählt, daß sie komplementär zur Zielsequenz einer mutierten DNA ist und direkt vor der zu detektierenden Punktmutation endet. Durch eine enzymatische Polymerasereaktion wird der Primer dann um eine Base, die entweder komplementär zur korrekten DNA oder zur Mutation ist, verlängert. Das Reaktionsprodukt kann dann direkt mittels MALDI-MS photolytisch von der festen Phase getrennt und analysiert werden. Die Masse des Reaktionsproduktes ist festgelegt durch den erfolgten Einbau einer von vier Nukleobasen und gibt daher unmittelbar Auskunft über das Vorhandensein einer Punktmutation. Zunächst sollte die prinzipielle Durchführbarkeit des Projekts erarbeitet werden. Wesentliche Vorteile dieser neuen Methode im Vergleich zu bestehenden Verfahren wären der außerordentlich geringe Zeitaufwand und die unmittelbare Detektion ohne Label. Das hier entwickelte Konstrukt gestaltete sich allerdings für die Anwendung als ein Standardanalyseverfahren zu komplex, da für die Detektion von Punktmutationen aussagekräftigere und einfachere Verfahren bereits zur Verfügung stehen, der hier beobachtete Spaltungs-mechanismus wirft jedoch einige Fragen auf. Für einen Einsatz als photolabiles Trägermaterial ist dieses Konstrukt jedoch ebenfalls zu kompliziert. 3.) Verknüpfungsreaktionen von Acetal-geschützten Oligodesoxynukleotiden mit Hydrazin-modifizierten Derivaten Die effektive Konjugation von modifizierten Oligodesoxynukleotiden und Hydrazin-Derivaten durch die Verwendung einer 5´-Acetalfunktion konnte hier durch die Verwendung eines aromatischen Phosphitylierungsreagenz gezeigt werden. Das hergestellte 5´-Acetal-modifizierte Oligodesoxynukleotid fungiert hier als ein maskiertes 5´-Aldehyd. Der Einsatz des maskierten Acetals weist gegenüber dem reaktiven Aldehyd-Derivat mehrere Vorteile auf: es ist lagerstabil, gut handhabbar und stabil gegenüber den Bedingungen der Oligodesoxynukleotid-Synthese. Ein aromatisches Acetal-geschützte Oligodesoxynukleotid kann in einer Eintopfreaktion mit einem entsprechenden Hydrazin-Derivat umgesetzt werden. Das verwendete Hydrazin-Derivat muß jedoch als Hydrochlorid oder als Trifluoracetat eingesetzt werden. Die Reaktion erfolgt in wässriger methanolischer Lösung durch den Zusatz von Natriumacetat, dieses katalysiert die Reaktion. Durch den Einsatz von Methanol als Lösungsmittel kann der Reaktionsansatz direkt mit Hilfe der HPL-Chromatographie gereinigt werden. Die Umsetzung des Acetal-modifizierten Oligodesoxynukleotids wurde mit verschiedenen Hydrazinen durchgeführt. Die mit den Hydrazinen erreichten Ausbeuten übersteigen bei weitem (Ausnahme Biotin) die der entsprechenden Aktivester. Vorallem das Arbeiten in wässriger Lösung erleichtert die Synthese und die Aufreinigung. Hiermit steht eine 5´-Modifikation zur Verfügung, die eine Konjugation mit Hydrazin-Derivaten in sehr guten Ausbeuten ermöglicht.
In der medizinischen Praxis in Deutschland ist Klassifikation als essentieller Bestandteil der Dokumentation in vielen Bereichen durch gesetzliche Regelungen vorgeschrieben. Über diesen gesetzlich determinierten Rahmen hinaus können durch Klassifikation vergleichbar gemachte Informationen als Basis neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse herangezogen werden und weiterhin helfen, bestehende Lehrmeinungen zu evaluieren. Ein Blick auf die im medizinischen Umfeld vorhandene organisatorische Realisierung der Klassifikation zeigt, daß diese in der Regel von medizinisch qualifiziertem Fachpersonal neben der eigentlichen Tätigkeit durchgeführt wird. Eine Klassifikation vorhandener Dokumentationen im Sinne einer Erschließung zusätzlicher wertvoller Informationsquellen über den gesetzlichen Mindestumfang hinaus scheitert somit häufig an der organisatorisch bedingten Überlastung der eingesetzten Mitarbeiter. Eine Unterstützung medizinischer Klassifikation in der Praxis durch den geeigneten Einsatz von Informationstechnologie (IT) erscheint somit sinnvoll und wünschenswert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein entsprechender Ansatz in Form eines entwickelten Prototypen (XDIAG) vorgestellt und evaluiert. Der entwickelte Prototyp realisiert ein IT-gestütztes leitbegrifforientiertes Verfahren zur automatischen Kodierung von Diagnosen auf Basis vorliegender medizinischer Freitexte. Die hierbei realisierten Ansätze und Verfahren folgen den Vorschlägen von Herrn D. Schalck und sind somit das Resultat langjähriger intensiver und praxisnaher Beschäftigung mit Fragen medizinischer Freitextverarbeitung und Klassifikation. Die besondere Vorgehensweise verleiht dem vorgestellten Prototypen den Charakter einer Heuristik. In Abgrenzung zu zahlreichen bestehenden Verfahren erfolgt eine konsequente Reduktion der Komplexität der eingesetzten Algorithmen und Stammdaten durch einen Verzicht auf eine tiefgreifende linguistische Analyse der zur Kodierung vorgelegten Texte. Durch diesen Verzicht kann auf die Verwendung einer Grammatik und somit auf die Verwendung komplexer Stammdaten verzichtet werden. Als Stammdatenbasis werden vielmehr Datenbestände verwendet, die entweder besonders leicht zu pflegen sind oder aber ohnehin permanent im Rahmen von Langzeitprojekten gepflegt werden. An dieser Stelle spielt insbesondere der ICD10-Diagnosen-Thesaurus mit seiner umfassenden und besonders praxisorientierten Begriffsmenge eine wichtige Rolle. In Erweiterung bestehender Verfahren bietet der vorgestellte Prototyp darüber hinaus die Möglichkeit, mehrere medizinische Diagnosen im Rahmen eines Satzes zu kodieren. Weiterhin können dem Benutzer interaktiv qualifizierte Fehlerhinweise mit dem Ziel einer verbesserten Kodierung bereitgestellt werden. Als Ergebnis der Evaluation des realisierten Prototypen läßt sich festhalten, daß die hierbei eingesetzten Verfahren helfen können, eine synergistische Brücke zwischen praktischer Medizin, medizinischer Verwaltung und medizinischer Forschung zu schlagen, wenn sie an der richtigen Stelle und mit der richtigen Motivation eingesetzt werden.
Das Lupus-Antikoagulans ist mit einem deutlich erhöhten Risiko für arterielle und venöse Thrombosen assoziiert, so dass ihr Nachweis im Labor von großer klinischer Relevanz ist. Bei den meisten bisher verfügbaren Testsystemen sind Sensitivität und Präzision häufig unbefriedigend, und es kann zu falsch positiven Testergebnissen durch Heparin oder orale Antikoagulantien kommen. Ziel dieser Arbeit war es daher, einen präzisen, sensitiven und spezifischen Test zum optimierten Nachweis des Lupus-Antikoagulans zu entwickeln. Hierzu wurde ein auf der aPTT basierendes vollautomatisches Testprinzip entwickelt, bei dem Mischungen eines lupussensitiven und eines lupusinsensitiven aPTT-Reagenzes mit Patientenplasma oder Normalplasma hergestellt wurden. Die Ergebnisangabe erfolgte in Form einer Ratio, bei der jeweils die beiden Ratios des Patienten– und Normalplasmas nochmals in Relation gesetzt werden. Es wurden 99 Blutspender, 10 Patienten unter einer intravenösen, therapeutischen Behandlung mit unfraktioniertem Heparin, 19 oral antikoagulierte Patienten, sowie 5 Patienten mit Hämophilie A und 15 Patienten mit Antiphospholipid-Syndrom mit dem neuen Testsystem untersucht. Für die Präzision innerhalb einer Messreihe und von Tag zu Tag ergaben sich Varianzkoeffizienten von 1,5 – 1,9%. Der Mittelwert + 2SD der Ratio lag für die 99 Blutspender bei 1,07 und diente als Cutoff. Ein negatives Testergebnis zeigten alle mit Heparin oder oralen Antikoagulantien behandelten Patienten (Spezifität: 100%), 1/5 Patienten mit Hämophilie A reagierte positiv (80%), dieser hatte jedoch eine Faktor VIII Hemmkörper entwickelt. Von den 15 Patienten mit einem definitiven Antiphospholipid-Syndrom wiesen 13 eine erhöhte Ratio auf (Sensitivität: 87%). Somit ermöglicht dieses neu entwickelte Testsystem vollautomatisch einen präzisen, sensitiven und spezifischen Nachweis des Lupus-Antikoagulans.
Für ein Assessment Center zur Auswahl von Versicherungs-Außendienstmitarbeitern wurde geprüft, ob Beobachterexperten und Beobachternovizen zu ähnlichen oder zu unterschiedlichen Schlussfolgerungen über die Teilnehmer kommen. Eine ähnliche Schlussfolgerung sollte dabei Indikator dafür sein, dass ein Beobachtertraining (hier: Verbesserung der Beobachterexpertise durch wenigstens einmalige Teilnahme an einem AC als Beobachter) ohne Auswirkungen bleibt. Verglichen wurden die Ergebnisse dieser Beobachtergruppen mit dem AC-Leiter als "Oberexperten" und der AC-Assistenz. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurden die Daten von 37 AC mit insgesamt 267 Kandidaten und 171 Beobachtern in zwei unterschiedlichen Datensätzen überprüft. Es konnte nachgewiesen werden, dass sowohl Experten wie auch Novizen eine hohe Übereinstimmung mit der Gesamtrangfolge über die Teilnehmer hatten; hinsichtlich der übungsbezogenen und der merkmalsbezogenen mittleren Korrelationen sowie der mittleren Korrelationen innerhalb der einzelnen Übungen wurden kaum signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Beobachtergruppen festgestellt. Aus diesem Grunde kann geschlossen werden, dass die Teilnahme an einem AC als Beobachter nicht notwendigerweise die Beobachterexpertise verbessert. Angesichts der hohen Übereinstimmung der Beobachtergruppen mit der Gesamtrangfolge über die Teilnehmer kann geschlossen werden, dass für den vorliegenden einfachen AC-Typ verbunden mit der spezifischen Art der Ergebnisgewinnung der Verzicht auf ein Beobachtertraining nicht notwendigerweise eine Verschlechterung der AC-Ergebnisse bedeutet.
Bei den Non-Hodgkin Lymphomen (NHL) handelt es sich um eine heterogene Gruppe von Erkrankungen, die mit Strahlen- und Chemotherapie behandelt werden können. Im Frühstadium lassen sich mit der Bestrahlung Heilung erzielen, im forgeschrittenen Stadium und bei Rückfällen sind aber, zumindest bei den niedrigmalignen Lymphomen, keine Heilung mehr durch Chemotherapie und Strahlentherapie möglich. Ein neuartiger Therapieansatz erscheint nun möglich mit der Anwendung des ersten monoklonalen Antikörpers in der Hämatologie. Rituximab ist ein chimärer monoklonaler Antkörper mit humanen konstanten IgG1- und Kappa-Regionen und variablen Regionen eines Maus-Antikörpers gegen das CD20-Antigen, das von fast allen B-Zellen und auch den meisten Lymphomzellen exprimiert wird Rituximab richtet sich daher auch gegen normale, nicht maligne B-Zellen, schädigt aber nicht die Stammzellen, die wiederum für die Neubildung von B-Zellen zuständig sind. Die Wirkung des Antikörpers beruht dabei auf verschiedenen Mechanismen der Indukation von Apoptose sowie auf einer direkten Zytotoxizität. Rituximab besitzt bereits in der Anwendung als Monotherapie eine erhebliche antitumorale Aktivität. Die bisherigen Studien belegen, daß Rituximab als Monotherapie gegen B-Zell-Lymphome wirksam ist, diese aber auch nicht dauerhaft heilen kann. Daher stellt sich die Frage nach dem kombinierten Einsatz von Rituximab mit konventionellen Chemotherapien. Die grundsätzlich verschiedenartigen Wirkungs-, Toxizitäts- und Resistenzmechanismen sprechen für eine derartige Therapiekombination. In in vitro durchgeführten Versuchsreihen konnten syneristische Effekte der Kombination aus Chemotherapie und Rituximab beobachtet werden. Insbesondere scheint Rituximab einen chemotherapie- sensiblisierenden Effekt zu haben. in einer randomisierten Studie von Hiddemann et al. konnte die Überlegenheit von einer Polychemotherapie CHOP plus Rituximab gegenüber CHOP allein demonstriert werden. Die Remissionsrate war für die Kombinationstherapie CHOP plus Rituximab signifikant höher im Vergleich für CHOP alleine. Der Vorteil für die Kombination aus CHOP plus Rituximab war bei den Mantelzell-Lymphomen noch ausgeprägter. In unserer Arbeitsgruppe untersuchten wir in einer im Jahre 2000 initiierten Phase-II-Studie die Kombination von Bendamustin plus Rituximab bei Patienten mit fortgeschrittenen progredienten rezidivierten oder refraktären niedrigmalignen oder Mantelzell-Lymphomen. Ein anderes Therapieschema, welches bei diesen Lymphomentitäten in einer Studie geprüft wurde, war die Kombination aus Cladribin und Mitoxantron plus Rituximab. Bei hochmalignen wurde die Kombination aus Rituximab plus Gemcitabin, Oxaliplatin und Bendamustin untersucht. Ziel und Gegenstand dieser retrospektiven Untersuchung war, die eigenen Ergebnisse im Kontext mit anderen Studienergebnissen zu bewerten und diskutieren. 139 Patienten mit therapierefraktärem oder rezidiviertem Non-Hodgkin-Lymphom sind im Zeitraum von 1999 bis 2003 mit einer Rituximab-haltigen Chemotherapie behandelt worden. Das ORR lag für die einzelnen Lymphomentitäten wie folgt: - Follikulärs Lymphom: 89% - Mantelzell-Lymphom: 37% - Immunozytom : 84% - Diffus-großzelliges B-NHL: 64% Im Median dauerte die Remission für die jeweilige Erkrankung: - Follikulärs-Lymphom: 12,8 Monate - Mantelzell-Lymphom: 8,5 Monate - Immunozytom: 11,6 Monate - Diffus-großzelliges B-NHL : 10,2 Monate Die Ansprechraten lagen dabei für das prognostische ungünstige Mantelzell-Lymphom bei 37%, für die indolenten Lymphomentitäten Immunozytom und follikulären Lymphom bei 84% respektive 89%. Bei den hochmalignen Diffus-großzelligem B-NH Lymphomen konnte eine Remissionsrate von 64% erzielt werden. Die kürzeste Remissionsdauer war beim Mantelzell-Lymphom, die längste war beim follikulären Lymphom. Diese Therapieergabnisse erscheinen verbessert im Vergleich zu den etablierten Chemotherapieresultaten und vergleichbar mit internationalen Literatur publizierten Daten. Bei der Durchführung der Therapien mit Rituximab plus Chemotherpie konnte keine klinische relevante erhöhte Toxizität beobachtet werden. Die Patienten haben die Behandlung mit Antikörper Rituximab gut toleriert. nur 1,4% der Patienten (2 von 141) mussten die Behandlung mit Rituximab abbrechen. Ob die Verbesserung der Ansprechraten, die wir in unserer Studie in der retrospektiven Auswertung beobachtet haben, auch zu einer Verlängerung der Überlebenswahrscheinlichkeit und zu einer Verbesserung der Prognose dieser Krankheitsentitäten führen wird, ist noch nicht abschließend geklärt und muss erst noch in größeren prospektiven Studien geklärt werden.
In der vorliegenden Arbeit wird ein Curriculum zur Beugung vorgestellt, welches sich in ein Kerncurriculum und Erweiterungsmodule gliedert. Das Kerncurriculum geht von einer systematischen Erarbeitung von Erscheinungsreihen aus, zunächst in Form von Freihandversuchen. Dabei werden periodische Strukturen vor das Auge gehalten und durchblickt. Erst in einem zweiten Schritt treten entsprechende komplexere Versuchsaufbauten hinzu. Der Zusammenhang zwischen den durchblickten oder durchleuchteten periodischen Strukturen und den Konfigurationen der Beugungsbilder wird im Konzept optischer Wege beschrieben. Optische Wege werden dazu operational definiert und als geometrische Ordnungselemente eingeführt, die dem Zusammenhang zwischen den jeweils wirksamen räumlichen Bedingungen und den auftretenden Erscheinungen immanent sind. Den methodischen Rahmen des Kerncurriculum bildet damit eine phänomenologische Vorgehensweise - insbesondere, weil die optischen Wege nicht als ein Vorstellungskomplex gefasst werden, den man zur ursächlichen Erklärung eines Phänomens heranziehen kann. In einem Erweiterungsmodul des Curriculums wird im Einzelnen ausgeführt, wie es durch dieses methodische Vorgehen schon bei der Thematisierung der Beugung möglich ist, die holistischen Eigenschaften der Quantentheorie anzulegen und vorzubereiten. Dadurch kann der Übergang von der Beugung zur Quantentheorie in einem einheitlichen methodischen Rahmen erfolgen und eine vertikale Vernetzung der Unterrichtsinhalte unterstützen. Entsprechend dem von ERB und SCHÖN ausgearbeiteten Lichtwegkonzept bekommt auch beim Konzept optischer Wege das FERMAT-Prinzip eine zentrale Stellung. Es wird in der vorliegenden Arbeit räumlich formuliert. Im zentralen Thema des Kerncurriculums, der Beugung am Gitter, reichen in Erweiterung des FERMAT-Prinzips dann zwei Bedingungen aus, die man an die optischen Wege stellen muss, um diese Beugungserscheinungen umfassend zu beschreiben. Auch komplexe Zusammenhänge, wie beispielsweise die Invarianz des Beugungsbildes unter Translationen des Gitters, sind so anschaulich zu erklären. Das Beugungsbild eines Gitters tritt in der Brennebene einer Linse auf. Da es invariant unter Translationen des Gitters ist, darf auch ein Abstand zwischen Gitter und Linse gewählt werden, welcher größer als deren Brennweite ist. Je nach Stellung eines Schirms hinter der Linse erhält man so entweder das Beugungsbild oder das Abbild des Gitters. Eine Darstellung beider Situationen im Konzept optischer Wege lässt den Zusammenhang zwischen Beugungs- und Abbild sehr deutlich hervortreten und macht Experimente zur optischen Filterung unmittelbar verständlich. Die in diesem Rahmen eingeführte kontextuale Abbildung rundet das Kerncurriculum ab und arbeitet die Gesamtheit der wirksamen Bedingungen besonders heraus. Gleichzeitig gelingt es, Eigenschaften der FOURIER-Transformation auf einer elementaren Ebene zu behandeln. In einem der Erweiterungsmodule werden die Beugungsbilder bei Rotationen eines Gitters untersucht. Dabei treten Beugungsbilder in Form von Kegelschnitten auf. Es wird gezeigt, wie die schon im Kerncurriculum in Erweiterung des FERMAT-Prinzips formulierten beiden Bedingungen an die optischen Wege sich weiterhin als tragfähiger Beschreibungsansatz erweisen. Dabei können Elemente der Festkörperphysik anschaulich eingeführt werden – hier sind es die LAUE-Kegel. In einem anderen Erweiterungsmodul schließen sich eine anschauliche Herleitung des reziproken Gitters und der EWALD-Kugel an. Das Erweiterungsmodul, welches den Übergang zur Quantentheorie thematisiert, geht von der Beugung am Doppelspalt aus und sieht dort die Einführung des Zeigerformalismus vor. Der Kontrast zur phänomenologischen Vorgehensweise des Kerncurriculums ermöglicht eine saubere Unterscheidung zwischen den optischen Wegen als immanenten Ordnungselementen und den Zeigern als abstrakten Symbolen, die Wellenfunktionen repräsentieren. Methodendiskussionen werden so unterstützt. Im Zentrum des Moduls steht die Besprechung von Welcher- Weg-Experimenten. Die kontextuale Abbildung im Konzept optischer Wege führt dabei, wie oben bereits erwähnt, ohne methodischen Bruch auf das Superpositionsprinzip der Quantentheorie. Die schulische Erprobung des Kerncurriculums und einiger Erweiterungsmodule ergab schließlich, dass die operationale Definition der optischen Wege und die Formulierung von Kriterien an diese optischen Wege zur Beschreibung der Beugung es ermöglicht, durch tragfähige Begriffe bei den Schülern ein Bewusstsein für Zusammenhänge zwischen Teilinhalten des Unterrichtes zu wecken und die Beugung in eine Fülle optischer Erscheinungen zu integrieren. Der Übergang vom Experiment zu abstrakten Lerninhalten wird dann durch den Unterricht deutlich und generiert ein hohes Methodenbewusstsein.
A fundamental work on THz measurement techniques for application to steel manufacturing processes
(2004)
The terahertz (THz) waves had not been obtained except by a huge system, such as a free electron laser, until an invention of a photo-mixing technique at Bell laboratory in 1984 [1]. The first method using the Auston switch could generate up to 1 THz [2]. After then, as a result of some efforts for extending the frequency limit, a combination of antennas for the generation and the detection reached several THz [3, 4]. This technique has developed, so far, with taking a form of filling up the so-called THz gap . At the same time, a lot of researches have been trying to increase the output power as well [5-7]. In the 1990s, a big advantage in the frequency band was brought by non-linear optical methods [8-11]. The technique led to drastically expand the frequency region and recently to realize a measurement up to 41 THz [12]. On the other hand, some efforts have yielded new generation and detection methods from other approaches, a CW-THz as well as the pulse generation [13-19]. Especially, a THz luminescence and a laser, originated in a research on the Bloch oscillator, are recently generated from a quantum cascade structure, even at an only low temperature of 60 K [20-22]. This research attracts a lot of attention, because it would be a breakthrough for the THz technique to become widespread into industrial area as well as research, in a point of low costs and easier operations. It is naturally thought that a technology of short pulse lasers has helped the THz field to be developed. As a background of an appearance of a stable Ti:sapphire laser and a high power chirped pulse amplification (CPA) laser, instead of a dye laser, a lot of concentration on the techniques of a pulse compression and amplification have been done. [23] Viewed from an application side, the THz technique has come into the limelight as a promising measurement method. A discovery of absorption peaks of a protein and a DNA in the THz region is promoting to put the technique into practice in the field of medicine and pharmaceutical science from several years ago [24-27]. It is also known that some absorption of light polar-molecules exist in the region, therefore, some ideas of gas and water content monitoring in the chemical and the food industries are proposed [28-32]. Furthermore, a lot of reports, such as measurements of carrier distribution in semiconductors, refractive index of a thin film and an object shape as radar, indicate that this technique would have a wide range of application [33-37]. I believe that it is worth challenging to apply it into the steel-making industry, due to its unique advantages. The THz wavelength of 30-300 ¼m can cope with both independence of a surface roughness of steel products and a detection with a sub-millimeter precision, for a remote surface inspection. There is also a possibility that it can measure thickness or dielectric constants of relatively high conductive materials, because of a high permeability against non-polar dielectric materials, short pulse detection and with a high signal-to-noise ratio of 103-5. Furthermore, there is a possibility that it could be applicable to a measurement at high temperature, for less influence by a thermal radiation, compared with the visible and infrared light. These ideas have motivated me to start this THz work.
Die chemische Analyse von 17 abundanten Nordseeschwammarten zeigte, dass die Metabolitenzusammensetzung und -konzentration standortbedingt nur geringfügig schwanken. Den Großteil der Schwammmetaboliten bilden mittelpolare bis polare Substanzen ohne UV-Absorption. Allgemein scheinen in Nordseeschwämmen aromatische und olefinische Verbindungen seltener vorzukommen als in tropischen Arten. Die Chemie der einzelnen Nordseeschwämme ist oft ähnlich und wird von kleinen, stickstoffhaltigen Molekülen dominiert. Ubiquitär verbreitete, vermutlich phylogenetisch alte Substanzen wie Inosin, Allantoin, Homarin und Trigonellin wurden in zahlreichen untersuchten Arten nachgewiesen. Trigonellin und Homarin üben, wie für andere marine Organismen bereits dokumentiert, auch in den Nordseeschwämmen Schutzfunktion gegen Konkurrenten und Fouling-Organismen aus. Die identifizierten Verbindungen weisen darauf hin, dass den mit dem Aminosäure- und Purinstoffwechsel verbundenen Biosynthesewegen eine große Bedeutung in der Naturstoffsynthese der untersuchten Schwammarten zukommt. Diese Vermutung wird dadurch untermauert, dass auch die Bildung von Imidazolen (aus Phakellia ventilabrum isoliert) aus Histidin eng mit dem Purinstoffwechsel verbunden ist. Durch den Abbau von Histidin können wiederum Substanzen entstehen, die als Methyldonatoren in Frage kommen (methylierte Verbindungen, vgl. Pachymatisma johnstonia). Biologische Aktivität wurde anhand von Biotests zur antilarvalen, cytotoxischen, antibakteriellen, enzyminhibitorischen und bewuchshemmenden Wirkung in Extrakten der untersuchten Nordseeschwämme nachgewiesen. Dabei zeigten alle Schwammarten Effekte in mehr als einem Biotest. Diese Untersuchungen bestätigen das Vorkommen biologisch aktiver Substanzen in Schwämmen kaltgemäßigter Habitate und widerlegen damit die Latitudinalhypothese. Unabhängig von der geographischen Breite sind Schwämme weltweit einem selektiven Druck ausgesetzt, der die Entwicklung biologisch aktiver Metaboliten begünstigt. Die Art der Selektionsfaktoren scheint jedoch habitatbedingt unterschiedlich zu sein. Während in wärmeren Gewässern vor allem Prädatoren (Fische) das Überleben der Schwämme beeinflussen, sind in kälteren Gebieten Aufwuchsorganismen und Bakterien von entscheidender Bedeutung. Diese Annahme wird durch die Beobachtung der assoziierten Organismen ebenso unterstützt, wie durch die Tatsache, dass in allen untersuchten Nordseeschwammarten (Esperiopsis fucorum, Phakellia ventilabrum, Leucosolenia complicata, Cliona celata, Pachymatisma johnstonia) Bakterien nachgewiesen werden konnten. Neben den ökologischen Beobachtungen bekräftigt auch die starke antibakterielle Wirkung der Schwammmetaboliten diese Hypothese. Während Toxizität seltener beobachtet wurde, zeigten viele Schwämme auch enzyminhibitorische Wirkung. Zusammenhänge zwischen biologischer Aktivität und morphologischen bzw. taxonomischen Kriterien, Lebensweise, Habitatcharakteristika oder assoziierten Organismen waren nicht durch Clusteranalysen aufzudecken. Es konnten jedoch Unterschiede im Metabolitengehalt und der Art der assoziierten Organismen zwischen langlebigen, großen Kieselschwammarten und kleineren, saisonal wachsenden Kalkschwämmen hervorgehoben werden. Leucosolenia compl icata (Calcarea) ist sowohl qualitativ als auch quantitativ relativ metabolitenarm, biologisch sehr aktiv und mit einer großen Zahl an Bakterien assoziiert. Die Mikroorganismen scheinen für diese Art von größerer Bedeutung zu sein als bei den untersuchten Demospongiae. Einige Kieselschwämme (z.B. Cliona celata, Phakellia ventilabrum) sind besonders metabolitenreich, enthalten weniger Bakterien und verfügen ebenfalls über biologisch aktive Substanzen. Um diese Beobachtungen in einem ökologischen Zusammenhang zu sehen, sind eingehendere Studien, wie sie mit Pachymatisma johnstonia durchgeführt wurden, notwendig. Die Isolierung der Hauptmetaboliten von Pachymatisma johnstonia führte zur Identifizierung der methylierten Substanzen Betain, N,N,N-Trimethyl-ß-alanin, L-6-Bromohypaphorin und dem Pyridinalkaloid Trigonellin. Anhand verschiedener biologischer Tests konnte ein Einblick in die Wirkungsweise und Funktion der aktiven Metaboliten gewonnen werden. Die Aminosäure L-6-Bromohypaphorin und eine noch nicht identifizierte Substanz zeigten starke Enzyminhibition gegenüber einer Protein-Tyrosin-Kinase. L-6-Bromohypaphorin wurde im Pinacoderm unbewachsener Individuen in einer höheren Konzentration nachgewiesen als in Schwämmen mit Bryozoenbewuchs, und spielt demnach vermutlich bei der Abwehr von Fouling-Organismen eine Rolle. Bakterien wurden als Produzenten der aktiven Substanzen ausgeschlossen. Eine Abgabe der Metaboliten nach außen ist eher unwahrscheinlich. Die Extrakte von P. johnstonia zeigten starke antibakterielle Wirkung mit einer Breitbandaktivität, vor allem gegen marine Bakterien. Welche Substanzen für diese Effekte verantwortlich sind, ist nicht bekannt. Eine Hälterung von P. johnstonia war möglich. Ebenso wie Cliona celata passte sich der Schwamm an veränderte abiotische und biotische Faktoren an. Verletztes Gewebe wurde regeneriert und Hauptmetaboliten weiter produziert. Die Synthesetätigkeit von P. johnstonia schwankte, die biologische Aktivität blieb über neun Monate hinweg erhalten. Durch eine Optimierung der Hälterungsbedingungen könnte die Naturstoffproduktion vermutlich konstant gehalten werden. Mit P. johnstonia wurde somit ein gutes Beispiel für die Interaktion zwischen Naturstoffchemie, Ökologie und pharmakologischem Potential bzw. biotechnologischer Nutzbarkeit geliefert. Bedingt durch das Ziel der Arbeit, einen Überblick über die Chemie und biologische Aktivität der Nordseeschwämme zu gewinnen, wurde weniger Augenmerk auf die Isolierung neuer Strukturen gelegt. Im Zuge von intensiveren Studien wäre eine Optimierung der chemischen Methodik anzustreben. Die Aufklärung der in geringerer Konzentration vorkommenden Substanzen könnte hilfreich sein, um den ersten Eindruck der Metabolitenzusammensetzung zu überprüfen. Außerdem wird aufgrund der Biotestergebnisse die Existenz zahlreicher biologisch aktiver Substanzen, vor allem antibiotischer Wirkstoffe, vermutet, deren Isolierung eine Herausforderung darstellt. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang auch die Tatsache, dass bisher sämtliche medizinisch genutzten Antibiotika aus Mikroorganismen stammen, Schwämme aber weltweit über ein hohes antibiotisches Potential verfügen. Dadurch stellt sich erneut die Frage, ob Schwämme tatsächlich selbst in der Lage sind, wirksame Substanzen zu produzieren. Diese Ungewissheit zusammen mit der Tatsache, dass alle aus den Nordseeschwämmen isolierten und identifizierten Verbindungen aus Stoffwechselwegen stammen, die bisher als für Mikroorganismen typisch beschrieben wurden, bietet interessante Ansatzmöglichkeiten für weitere Untersuchungen. Auch wenn Schwämme zu den am besten untersuchten Organismen in der marinen Naturstoffchemie zählen, ist das Wissen im Bereich der chemischen Ökologie noch begrenzt. Um mehr über die Beziehung zwischen Schwämmen und ihrer belebten Umwelt zu erfahren und die Rolle der Naturstoffe dabei aufzudecken, müssen geeignete Untersuchungsmethoden bzw. Biotests etabliert werden. Abbildung 4.1 soll die Bedeutung der Schwämme für ihren Lebensraum und den Menschen hervorheben und die komplexen Zusammenhänge, welche durch die Wirkung der Naturstoffe vermittelt werden, verdeutlichen. Häufig werden Schwämme als primitive Organismen beschrieben, da sie sich durch das Fehlen eines Nervensystems und anderer Organe von höheren Tieren unterscheiden. Tatsächlich sind diese Lebewesen aber hochentwickelte Spezialisten. Optimal an eine sessile Lebensweise angepasst, bewohnen sie seit Millionen von Jahren erfolgreich vor allem marine Habitate in großer Artendiversität und Abundanz. Aufgrund der Produktion von aktiven Metaboliten zur Abwehr schädlicher Organismen stellen die Schwämme aus menschlicher Perspektive eine wertvolle Ressource dar. Nicht nur aus diesem Grund sollten wir Ihnen mit Respekt begegnen und versuchen, die (Naturstoff-)forschung nachhaltig zu betreiben, die Beeinträchtigung der Tiere auf ein vertretbares Maß zu reduzieren und ihren Lebensraum zu schützen.
Ultrarelativistische Schwerionenstöße werden seit etwa 15 Jahren untersucht, um Kernmaterie unter extremen Bedingungen zu erforschen; in Kollisionen schwerer Atomkerne kann bei hohen Einschußenergien Kernmaterie stark komprimiert und aufgeheizt werden. Die Bedeutung dieser Experimente wird durch Berechnungen der Quanten-Chromo-Dynamik auf raumzeitlichen Gittern hervorgehoben, die bei ausreichend hoher Energiedichte eine Phase voraussagen, in der die Quarks nicht mehr in Hadronen gebunden sind, sondern zusammen mit den Gluonen ein partonisches System ausbilden. Ist das System hinreichend groß und equilibriert, wird es als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Die als Signatur für das Überschreiten der Phasengrenze vorgeschlagene erhöhte Produktion Seltsamkeit tragender Teilchen wurde in der Gegenüberstellung von elementaren Proton+Proton-Interaktionen und Kern+Kern-Stößen experimentell über einen weiten Energiebereich bestätigt. Eine solche Überhöhung kann aber auch durch rein hadronische Phänomene hervorgerufen werden. So tritt beispielsweise in statistischen Modellen bereits in einem Hadrongas eine Seltsamkeitserhöhung aufgrund des Übergangs von einem kanonischen zu einem großkanonischen Ensemble mit steigender Systemgröße in Kern+Kern-Stößen auf. Das motivierte die Messung der Systemgrößenabhängigkeit der Seltsamkeitsproduktion bei einer Einschußenergie, bei der in den Stößen der größten Kerne die partonische Phase erreicht werden sollte, während Proton-Proton-Interaktionen überlicherweise als hadronische Systeme betrachtet werden. In Kollisionen von Kohlenstoff- und Siliziumkernen bei 158 GeV pro Nukleon, deren Untersuchung Gegenstand dieser Arbeit ist, kann möglicherweise die Umgebung der Phasengrenze abgetastet werden. Besondere Aufmerksamkeit gilt der Frage nach dem Mechanismus der Seltsamkeitsproduktion in diesen Reaktionen. Das Experiment wurde am SPS-Beschleuniger am CERN in Genf durchgeführt, erstmals wurden dort leichte Projektilkerne durch den Aufbruch des primären Bleistrahls an einem Produktionstarget erzeugt. Das Herzstück des NA49-Spektrometers, mit dem die Daten aufgezeichnet wurden, sind die vier großvolumigen Spurendriftkammern, die die große Akzeptanz ermöglichen. Die Lambda- und Antilambda-Hyperonen aus C+C und Si+Si Kollisionen werden anhand ihrer Zerfallstopologie rekonstruiert und ihre Impulsverteilungen über einen weiten Bereich gemessen; mit zusätzlichen Annahmen werden schließlich die totalen Multiplizitäten extrapoliert. Die Produktion der Hyperonen pro Pion ist im Vergleich zu p+p-Daten bereits in C+C-Reaktionen deutlich erhöht, in Si+Si--Kollisionen ist annähernd der Wert aus Pb+Pb-Stößen erreicht. Mehrere Ursachen für diese Beobachtung werden diskutiert und mögliche Interpretationen vorgeschlagen. Der Grad an chemischer Equilibration und die Lage des Ausfrierpunktes im Phasendiagramm und im Vergleich zu anderen Stoßsystemen wird besprochen. Die Rapiditätsspektren der Lambda-Hyperonen entsprechen zunehmendem Stopping mit steigender Anzahl von Stößen pro Nukleon. Dadurch wird die Energie pro Nukleon im Feuerball erhöht, was zunehmende kinetische Energie der Teilchen und eine ansteigende Teilchenproduktion erzeugt. Die Verbreiterung der Transversalimpulsspektren mit der Systemgröße fügt sich in der Tat in das Bild anwachsenden radialen Flußes ein.
Paläobotanische Untersuchungen an Euramerischen Kohlenbecken haben an der Westfal/Stefan-Grenze in früheren Arbeiten einen deutlichen, weitgehend klimatisch gesteuerten Florenwechsel erkennen lassen. Desweiteren wurden in Kohlen aus dem Saar/Nahe-Becken beginnend mit dem obersten Westfal D erstmals Diageneseprodukte von Isoarborinol bzw. Fernen/Fernenol nachgewiesen, für die Koniferen, Cordaiten oder Farnsamer als mögliche Bioproduzenten vorgeschlagen wurden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnten die Arboran-/Fernanderivate MAPH, MATH, DAPH 1 und DAPH 2 in den Gesamtextrakten von Kohlen und Sedimenten aus dem Stefan des Saar/Nahe-Beckens durchgängig identifiziert werden, während die Verbindungen im Westfal lediglich in Proben aus dem obersten Westfal D auftraten. Folglich sind die Arboran-/Fernanderivate tatsächlich in besonderem Maße dazu geeignet, den Florenwechsel an der Westfal/Stefan-Grenze auf molekularer Basis zu beschreiben. Um einzugrenzen, zu welcher Pflanzengruppe die Bioproduzenten der Ausgangsverbindungen der Arboran-/Fernanderivate gehören, wurden isolierte Makrofossilien verschiedener Pflanzengruppen aus verschiedenen Euramerischen Kohlenbecken organisch-geochemisch analysiert. Dabei konnten MATH, MAPH, DAPH 1 und DAPH 2 in nahezu allen Gesamtextrakten fossiler Cordaiten-Reste identifiziert werden. In den Extrakten von Sediment-Vergleichsproben, die in unmittelbarer Nähe der Cordaiten-Reste entnommen wurden, konnten die Verbindungen dagegen nicht bzw. nur in vergleichsweise geringen Konzentrationen identifiziert werden. Ebenso waren die Arboran-/Fernanderivate in den Gesamtextrakten fossiler Koniferen-Reste sowie in den Extrakten verschiedener Farnsamerarten (Alethopteris, Dicroidium, Lescuropteris, Macroneuropteris, Neuropteris) nicht enthalten. Lediglich in der extrahierbaren organischen Substanz einiger fossiler Odontopteris-Reste aus dem Blanzy-Montceau-Becken (Frankreich) konnten MAPH und MATH (sowie teilweise DAPH 1 und DAPH 2) identifiziert werden. Allerdings ist das Auftreten der Verbindungen in diesen Odontopteris-Extrakten wahrscheinlich auf eine Überprägung des Pflanzenmaterials durch das umgebende Sediment zurückzuführen, da die Verbindungen in den Sediment-Vergleichsproben in höheren bzw. ähnlichen Konzentrationen enthalten sind. Insgesamt sind daher in den oberkarbonischen Kohlenbecken die Cordaiten als einer, möglicherweise sogar als „die“ Bioproduzenten der Ausgangsverbindungen der Arboran-/Fernanderivate MATH, MAPH, DAPH 1 und DAPH 2 anzusehen. Die deutlich negativere Kohlenstoffisotopie (-31,68 ‰) einer Sedimentprobe aus der Bohrung Wemmetsweiler-Nord, die gleichzeitig die höchsten Arboran-/Fernanderivat-Konzentrationen enthält, weist auf eine verstärkte mikrobielle Überarbeitung des organischen Materials hin. Fluoreszenz- und Auflichtmikroskopie-Untersuchungen zeigen zudem einen erheblichen, ebenfalls auf bakterielle Aktivität hindeutenden Bituminitanteil, während Relikte von höheren Landpflanzen nur geringfügig vertreten sind. Dies legt den Schluß nahe, daß die Arboran-/Fernanderivate in dieser Probe nicht von Cordaiten, sondern alternativ von Bakterien (oder Algen) abstammen. In diesem Fall ist Isoarborinol als biologischer Vorläufer anzunehmen und es tritt eine deutliche Verschiebung der Kohlenstoffisotopie-Werte zu negativeren Werten auf. Bei den Cordaiten ist eine derartige Isotopenverschiebung dagegen nicht zu beobachten, so daß für MATH, MAPH, DAPH 1 und DAPH 2 Fernen bzw. Fernenol als biologische Vorläufer anzunehmen sind.
Analytik von Kontaminationen auf Siliciumoberflächen : Möglichkeiten und Grenzen des VPD-Verfahrens
(2004)
In der Halbleiterindustrie führen in der Massenproduktion von Mikroelektronik-Bauelementen bereits geringfügige Mengen an metallischen Verunreinigungen zu einer erheblichen Verminderung der Ausbeuten und setzen die Zuverlässigkeit der Bauelemente drastisch herab. Deshalb müssen nicht nur die als Ausgangsmaterial verwendeten Siliciumscheiben bezüglich des Kontaminationsgrades durch Fremdatome höchsten Ansprüchen genügen, sondern auch die einzelnen Fertigungsschritte für die Produktion von elektronischen Bauelementen. Für die Detektion der Oberflächenverunreinigungen kommt in der Halbleiterindustrie die Totalreflexions-Röntgenfluoreszenz-Spektrometrie (TXRF) mit einer Empfindlichkeit von 1010 Atomen/cm2 zum Einsatz. Mittlerweile liegen die Anforderungen deutlich unterhalb dieser Nachweisgrenze. Durch Anwendung des Aufkonzentrierungsverfahrens VPD (Vapour-Phase-Decomposition) in Kombination mit etablierten Analysemethoden wie TXRF oder GF-AAS (Graphitrohr-Atom- Absorptions-Spektrometrie) können die in der Halbleiterindustrie notwendigen Nachweisgrenzen zur Detektion der Metalloberflächenbelegungen erreicht werden. VPD ist ein Verfahren, das thermische, chemische oder native Oxide auf Siliciumscheiben durch HFDampf ätzt. Metallische Verunreinigungen, die sich auf oder in der Oxidschicht befinden, können anschließend durch Abscannen der hydrophoben Oberfläche mit einem Tropfen eingesammelt werden. Zwei wichtige Begriffe, die unmittelbar im Zusammenhang mit dem VPD-Verfahren stehen, sind die Einsammelrate (Collecting Efficiency CE) und die Wiederfindungsrate (Recovery Rate RR) des Analyten. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der beiden Größen am Beispiel des Mangans und des Eisens. Dabei spielt die Frage nach der Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der verwendeten Analysemethode eine wichtige Rolle. Inwiefern beeinträchtigt das Silicium, das aus der SiO2-Schicht in Lösung geht und nach einem Trocknungsprozess im Rückstand verbleibt, die mittels TXRF erhaltenen Wiederfindungsraten des Analyten. Da die Antworten auf diese Fragen nur in Verbindung mit anderen Analyseverfahren gefunden werden konnten, kamen neben TXRF, GF-AAS und Photometrie auch radiochemische Methoden zum Einsatz. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde zunächst das Adsorptionsverhalten des Mangans auf der Silicium (100)-Oberfläche in verdünnter ammoniakalischer Wasserstoffperoxid- Lösung (SC1) untersucht. Zwischen der Mangan-Konzentration in der SC1-Lösung und der Oberflächenbelegung auf den Siliciumscheiben besteht ein deutlicher Zusammenhang. Mit zunehmender Konzentration in der Lösung steigen die mit TXRF ermittelten Oberflächenbelegungen an. Eine Sättigung der Manganbelegung war im untersuchten Konzentrationsbereich nicht nachweisbar. XPS-Spektren zufolge handelt es sich bei der adsorbierten Mn-Spezies um Mn(III)- und/oder Mn(IV)-Oxide. Winkelabhängige TXRF-Untersuchungen dokumentieren die Filmeigenschaften der Mn- Kontaminationen der aus SC1-Lösungen präparierten Siliciumscheiben. Erst ab hohen Mangankonzentrationen von 15 ppmw im SC1-Bad sinkt der Filmanteil der Adsorption auf 42 %. Auch die aus wässrigen sauren Mn-Lösungen kontaminierten Proben zeigen überwiegend einen filmartigen Charakter der Metalladsorption. VPD-TXRF Analysen wurden zunächst mit SC1 behandelten Siliciumscheiben durchgeführt, deren Mn-Oberflächenbelegungen im Bereich von 1 10 x 1012 Atomen/cm2 lagen. Die ermittelten Mn-TRR-Werte (TRR (totale Wiederfindungsrate) = CE X RR) zeigten deutliche Differenzen zum Maximalwert von 1 und dehnten sich über einen Bereich von 0,55 0,68 aus. Durch den Vergleich mit AAS und TXRF (Gerät EXTRA IIA) konnten die Ursachen für die Minderbefunde der TRR-Werte u.a. auf die direkten TXRF-Messungen (Gerät 8010) zurückgeführt werden, welche die Mn-Ausgangsbelegungen um etwa 20 % überbewerten. Wie sich herausstellte, führt die Quantifizierung von filmartigen Oberflächenbelegungen mit Hilfe eines externen Partikelstandards zu einer Überbewertung der Kontamination. Diese Feststellung wird durch den Vergleich zwischen TXRF 8010 und radiochemischen Messmethoden untermauert. Generell kann es bei der Quantifizierung der Oberflächenbelegungen mittels TXRF 8010 zu Fehlinterpretationen kommen, wenn der Analyt und der Standard ein unterschiedliches Fluoreszenzverhalten in Abhängigkeit des Einfallswinkels aufweisen. Es kommt dadurch zu einer Unterbewertung von partikelartigen Mangan- und Eisenkontaminationen, die nach eigenen Einschätzungen 10 % betragen kann. Weiterhin dokumentieren die Mn-TRR-Werte deutlich die Unterschiede zwischen externer und interner TXRF-8010 Kalibrierung. Die Differenzen der TRR-Werte von durchschnittlich 0,35 ergeben sich aus der verminderten Fluoreszenzstrahlung des internen Standards Rubidium. Die aus den TXRF-Spektren entnommenen Netto-counts des Rubidiums liegen deutlich unterhalb des Erwartungswertes der 1 ng entsprechenden Menge. Die TRR-Werte des Mangans von TXRF (Gerät EXTRA IIA) und AAS liefern vergleichbare und vor allem reproduzierbare Ergebnisse. Die Übereinstimmung der Ergebnisse zeigt deutlich, dass die beiden Analysemethoden als Vergleichsmethoden zu TXRF 8010 geeignet sind. Die Zuverlässigkeit der beiden Methoden dokumentiert sich auch in den übereinstimmenden Ergebnissen der Mn- und Fe-Wiederfindungsraten. Für diesen Vergleich wurden unterschiedlich konzentrierte Mn- und Fe-Lösungen in verschiedenen Matrices angesetzt. Die im Vergleich zu AAS und TXRF EXTRA IIA niedrigeren Wiederfindungsraten von TXRF 8010 sind u.a. auf die Kalibrierung mit dem 1 ng Ni-Standard zurückzuführen. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die TXRF-Messungen der in Siliciummatrix vorliegenden Mn- und Eisenproben noch deutlichere Minderbefunde aufweisen. Die Ursachen dafür sind Streueffekte, die durch die Siliciummatrix im Rückstand hervorgerufen werden (s.u.). Wie aus den radioaktiven Tracer-Experimenten hervorgeht, kann der überwiegende Teil der Gesamtkontamination des Mangans und des Eisens auf der Siliciumscheibe durch den ersten Abrollvorgang eingesammelt werden. Anhand der Mangan- und Eisenmengen, die im ersten DSE-Tropfen mittels ³-Messung detektiert werden, errechnen sich die durchschnittlichen Collecting Efficiencies von Mangan und Eisen zu 96,5 bzw. 98,5 %. Die Einsammelraten sind in dem untersuchten Konzentrationsbereich unabhängig von der Ausgangsbelegung. Collecting Efficiencies können auch ohne Kenntnis der Ausgangsbelegung bestimmt werden, wenn die Gesamtmenge der Kontamination durch die Analyse der VPD-Rückstände und der Restbelegung auf der Siliciumscheibe ermittelt wird. Die Bestimmung der Collecting Efficiency nach dieser Methode ist sinnvoll, da eine fehlerhafte Analyse der Ausgangsbelegung - wie am Beispiel der direkten TXRF-Messung gezeigt - zu verfälschten Resultaten führt. Die Anwendbarkeit beschränkt sich jedoch nur auf nichtflüchtige Analyten. Im Vergleich zur ³-Analyse zeigen die Mn-Wiederfindungsraten von TXRF 8010 deutliche Minderbefunde. Auch in diesem Beispiel liegen die Ursachen für die Unstimmigkeiten u.a. in der Kalibrierung durch den 1 ng Ni-Standard begründet. Beim Eisen deutet sich ein konzentrationsabhängiger Trend an. Die höchsten Fe-Wiederfindungsraten erhält man von den Proben mit den niedrigsten Ausgangsbelegungen. Ein Erklärungsansatz beruht auf der Annahme, dass hohe Konzentrationen an Kationen (>1015 Fe-Atome pro Siliciumscheibe) die Verflüchtigung des Siliciums als SiF4 verstärkt unterbinden und somit zu einer massiven Siliciummatrix im VPD-Rückstand führen. Daraus resultieren Streueffekte durch die Matrix, die ein vermindertes Fluoreszenzsignal des Analyten zur Folge haben. VPD-Experimente an SC1-gereinigten Siliciumscheiben belegen, dass der eingetrocknete Rückstand im Wesentlichen aus Silicium besteht. Die Summe der Metallverunreinigungen der SC1- gereinigten Proben liegt deutlich unterhalb 1015 Atomen pro Siliciumscheibe. Wie am Beispiel des Mangans und des Eisens gezeigt werden konnte, liegt die Zuverlässigkeit des VPD-Verfahrens in den hohen und vor allem reproduzierbaren Einsammelraten. Die festgestellten Differenzen der TRR-Ergebnisse sind ausschließlich auf die unterschiedlichen Wiederfindungsraten der eingesetzten Analysemethoden zurückzuführen. Radiochemische Messmethoden wurden bis auf wenige Ausnahmen für derartige Untersuchungen noch nicht angewendet. Die übereinstimmenden Ergebnisse mit den etablierten Analysemethoden und die hohe Empfindlichkeit der ²- und ³-Analyse zeigen ihr Potenzial als Ergänzungsmethode auf diesem Anwendungsgebiet. Die chemischen Wechselwirkungen zwischen Flusssäure und der SiO2-Schicht während des Ätzprozesses im VPD-Reaktor sind abhängig von der relativen Luftfeuchtigkeit. Anhand der Siliciummengen, die nach dem Ätzprozess mit Hilfe unterschiedlicher DSE-Lösungen eingesammelt wurden, konnten viele neue Informationen erarbeitet werden. Das entwickelte qualitative Modell beschreibt in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit, in welcher Phase (fest/flüssig/gasförmig) das aus der SiO2-Schicht geätzte Silicium vorliegt.
Life of Varroa destructor, Anderson and Trueman, an ectoparasitic mite of honeybees, is divided into a reproductive phase in the bee brood and a phoretic phase during which the mite is attached to the adult bee. Phoretic mites leave the colony with workers involved in foraging tasks. Little information is available on the mortality of mites outside the colony. Mites may or not return to the colony as a result of death of the infested foragers, host change by drifting of foragers, or removal of mites outside the colony. That mites do not return to the colony was indicated by substantially higher infestation of outflying workers compared to the infestation of returning workers (Kutschker, 1999). The main objective of the study was to provide information whether V. destructor influences flight behaviour of foragers and consequently returning frequency of foragers to the colony. I first repeated the experiment of Kutschker (1999) examining the infestation of outflying and returning workers. Further, I registered flight duration of foragers using a video method. In this experiment I compared also the infestation and flight duration of bees of different genetic origin, Carnica from Oberursel and bees from Primorsky region. I investigated returning time of workers, returning frequency until evening, drifting to other colonies and orientation toward the nest entrance in the experiments in which workers were released in close vicinity of the colony. At last, I measured the loss of foragers in relation to colony infestation using a Bee Scan. Results from this study, listed below, showed considerable influence of V. destructor on flight behavior of foragers translating into loss of mites. Loss of mites with foragers add substantial component to mite mortality and was underestimated in previous studies. Such loss might be viewed as a mechanism of resistance against V. destructor. a) The mean infestation of outflying workers (0.019±0.018) was twice as the mean infestation of returning workers (0.009±0.018). The difference in the infestation between outflying and returning workers was more marked in highly infested colonies. b) Investigation of individually tagged workers by use of a two camera video recording device showed significantly higher infestation of outflying workers compared to returning workers. Mites were lost by the non returning of infested foragers (22%) and by loss of mites from foragers that returned to the colony without the mite (20%). A small portion of mites (1.8%) was gained. Loss of mites significantly exceeded mite gain. c) The flight duration of infested workers determined by using the same two camera video system was significantly higher in infested compared to uninfested workers of the same age that flew closest at time. The median flight duration of infested workers was 1.7 higher (214s) than the median duration of unifested workers (128s). d) Infested workers took 2.3 times longer to return to the colony than uninfested workers of the same age when released from the same locations, closest at time. The returning time increased with the distance of release. In a group of bees released simultaneously the infestation was higher in bees returning later and in those that did not return in the observation period of 15 min. e) Released workers did not return to the colony 1.5 more frequently than uninfested workers in evening. The difference in returning was significant for locations of 20 and 50m from the colony. No difference in returning between infested and uninfested workers were observed for the most distant location of 400m. f) No significant difference was found in returning time and/or in the returning frequency until evening between workers artificially infested overnight and naturally infested workers. Artificially infested workers returned later and less frequently than a control group indicating rapid influence of V. destructor on flight behavior of foragers. g) The orientation ability of infested workers toward the nest entrance was impaired. Infested workers compared to uninfested workers twice as often approached a dummy entrance before finding the nest entrance. h) No significant differences were found in drifting between infested and uninfested workers. Drifting in the neighboring nucleus colony occurred in about 1% occasions after release of marked workers. Similarly, more infested, but not significantly more infested workers (2.6%) entered a different colored hive than the same colored hive (1.9%). However, the number of drifting bees were to low to make results conclusive. i) The comparison between Carnica and Primorsky workers revealed higher infestation in Carnica compared to Primorsky. Further, Primorsky workers lost more mites during foraging due to mite loss from foragers and non returning of infested workers. No significant differences in flight duration were observed between the two bee stocks. j) Loss of foragers, as determined by the Bee Scan counts of outflying and returning foragers, and the infestation of outflying bees increased significantly over a period of 70 days. A colony with 7.7. higher infestation of outflying foragers lost 2.2. time more bees per flight per day compared to a low infested colony. k) The estimates of mite loss with foragers from mite population per day up to 3.1% exceeds approximately mite mortality of 1% within the colony as represented by counting dead mites on bottom board inserts.
Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disorder world wide, causing presenile dementia and death of millions of people. During AD damage and massive loss of brain cells occur. Alzheimer’s disease is genetically heterogeneous and may therefore represent a common phenotype that results from various genetic and environmental influences and risk factors. In approximately 10% of patients, changes of the genetic information were detected (gene mutations). In these cases, Alzheimer’s disease is inherited as an autosomal dominant trait (familial Alzheimer’s disease, FAD). In rare cases of familial Alzheimer’s disease (about 1-3%), mutations have been detected in genes on chromosomes 14 and 1 (encoding for Presenilin 1 and 2, respectively), and on chromosome 21 encoding for the amyloid precursor protein (APP), which is responsible for the release of the cell-damaging protein amyloid-beta (ß-amyloid, Aß). Familial forms of early-onset Alzheimer’s disease are rare; however, their importance extends far beyond their frequency, because they allow to identify some of the critical pathogenetic pathways of the disease. All familial Alzheimer mutations share a common feature: they lead to an enhanced production of the Aß, which is the major constituent of senile plaques in brains of AD patients. New data indicates that Aß promotes neuronal degeneration. Therefore, one aim of these thesis was to elucidate the neurotoxic biochemical pathways induced by Aß, investigating the effect of the FAD Swedish APP double mutation (APPsw) on oxidative stress-induced cell death mechanisms. This mutation results in a three- to sixfold increased Aß production compared to wild-type APP (APPwt). As cell models, the neuronal PC12 (rat pheochromocytoma) and the HEK (human embryonic kidney 293) cell lines were used, which have been transfected with human wiltyp APP or human APP containing the Swedish double mutation. The used cell models offer two important advantages. First, compared to experiments using high concentrations of Aß at micromolar levels applied extracellularly to cells, PC12 APPsw cells secret low Aß levels similar to the situation in FAD brains. Thus, this cell model represents a very suitable approach to elucidate the AD-specific cell death pathways mimicking physiological conditions. Second, these two cell lines (PC12 and HEK APPwt and APPsw) with different production levels of Aß may additionally allow to study dose-dependent effects of Aß. The here obtained results provide evidence for the enhanced cell vulnerability caused by the Swedish APP mutation and elucidate the cell death mechanism probably initiated by intracellulary produced Aß. Here it seems likely that increased production of Aß at physiological levels primes APPsw PC12 cells to undergo cell death only after additional stress, while chronic high levels in HEK cells already lead to enhanced basal apoptotic levels. Crucial effects of the Swedish APP mutation include the impairments of cellular energy metabolism affecting mitochondrial membrane potential and ATP levels as well as the additional activation of caspase 2, caspase 8 and JNK in response to oxidative stress. Thereby ,the following model can be proposed: PC12 cells harboring the Swedish APP mutation have a reduced energy metabolism compared to APPwt or control cells. However, this effect does not leads to enhanced basal apoptotic levels of cultured cells. An exposure of PC12 cells to oxidative stress leads to mitochondrial dysfunction, e.g., decrease in mitochondrial membrane potential and depletion in ATP. The consequence is the activation of the intrinsic apoptotic pathway releasing cytochrome c and Smac resulting in the activation of caspase 9. This effect is amplified by the overexpression of APP, since both APPsw and APPwt PC12 cells show enhanced cytochrome c and Smac release as well as enhanced caspase 9 activity as vector transfected control. In APPsw PC12 cells a parallel pathway is additionally emphased. Due to reduced ATP levels or enhanced Aß production JNK is activated. Furthermore, the extrinsic apoptotic pathway is enhanced, since caspase 8 and caspase 2 activation was clearly enhanced by the Swedish APP mutation. Both pathways may then converge by activating the effector enzyme, caspase 3, and the execution of cell death. In addition, caspase independent effects also needs to be considered. One possibility could be the implication of AIF since AIF expression was found to be induced by the Swedish APP mutation. In APPsw HEK cells high chronic Aß levels leads to enhanced apoptotic levels, reduce mitochondrial membrane potential and ATP levels even under basal conditions. Summarizing, a hypothetical sequence of events is proposed linking FAD, Aß production, JNK-activation, mitochondrial dysfunction with caspase pathway and neuronal loss for our cell model. The brain has a high metabolic rate and is exposured to gradually rising levels of oxidative stress during life. In Swedish FAD patients the levels of oxidative stress are increased in the temporal inferior cortex. This study using a cell model mimicking the in vivo situation in AD brains indicates that probably both, increased Aß production and the gradual rise of oxidative stress throughout life converge at a final common pathway of an increased vulnerability of neurons to apoptotic cell death from FAD patients. Presenilin (PS) 1 is an aspartyl protease, involved in the gamma-secretase mediated proteolysis of Amyloid-ß-protein (Aß), the major constituent of senile plaques in brains of Alzheimer’s disease (AD) patients. Recent studies have suggested an additional role for presenilin proteins in apoptotic cell death observed in AD. Since PS 1 is proteolytic cleaved by caspase 3, it has been prosposed that the resulting C-terminal fragment of PS1 (PSCas) could play a role in signal transduction during apoptosis. Moreover, it was shown that mutant presenilins causing early-onset of familial Alzheimer's disease (FAD) may render cells vulnerable to apoptosis. The mechanism by which PS1 regulates apoptotic cell death is yet not understood. Therefore one aim of our present study was to clarify the involvement of PS1 in the proteolytic cascade of apoptosis and if the cleavage of PS1 by caspase 3 has an regulatory function. Here it is demonstrated that both, PS1 and PS1Cas lead to a reduced vulnerability of PC12 and Jurkat cells to different apoptotic stimuli. However a mutation at the caspase 3 recognition site (D345A/ PSmut), which inhibits cleavage of PS1 by caspase 3, show no differences in the effect of PS1 or PSCas towards apoptotic stimuli. This suggest that proteolysis of PS1 by caspase 3 is not a determinant, but only a secondary effect during apoptosis. Since several FAD mutation distributed through the whole PS1 gene lead to enhanced apoptosis, an abolishment of the antiapoptotic effect of PS1 might contribute to the massive neurodegeneration in early age of FAD patients. Here, the regulate properties of PS1 in apoptosis may not be through an caspase 3 dependent cleavage and generation of PSCas, but rather through interaction of PS1 with other proteins involved in apoptosis.
Ein gastroösophagealer Reflux, der keine gastroenterologischen Symptome wie Erbrechen oder saure Regurgitation zeigt, kann im Kindesalter chronische Erkrankungen der Lunge auslösen. Typische Krankheitsbilder sind hierbei zum Beispiel Asthma bronchiale oder rezidivierende Bronchitiden. Die Inzidenz hierfür beträgt 1 : 300 bis 1 : 500. Für die Entstehung eines gastroösophagealen Reflux wird ein multifaktorielles Geschehen diskutiert. So kann zum Beispiel ein verminderter Druck des unteren Ösophagussphinkters, eine verminderte Leistung der Clearancefunktion des Ösophagus, eine pathologische Magensäuresekretion und auch eine verlängerte Entleerung des Magens ursächlich sein. Studien haben einen Zusammenhang zwischen einer pathologischen Magenentleerungszeit und einem symptomatischen gastroösophagealen Reflux beschrieben. Ein primärer Defekt wird hierbei in einer Motilitätsstörung vermutet, da ein signifikanter Zusammenhang zwischen pathologischen Magenentleerungszeiten und Dysrhythmien (abnormen elektrischen Potentialen) des Magens beschrieben ist. Bisher ist kein diagnostisches Verfahren bekannt, dass mit hoher Sensitivität und Spezifität das Vorliegen eines gastroösophagealen Reflux beweist. Vielmehr umfasst die derzeitige Diagnostik lediglich Teilaspekte der Erkrankung und liefert uneinheitliche Bilder. Bei insgesamt 25 Kindern mit Lungenproblemen bedingt durch einen gastroösophagealen Reflux wurde die Magenentleerungszeit, eine 2 Punkt-pH Metrie, eine obere Magendarmpassage sowie eine quantitative Bestimmung von fettbeladenen Alveolarmakrophagen im Rahmen einer Bronchoskopie erhoben. Im Gegensatz zur bisher üblichen Bestimmung der Magenentleerungszeit per Szintigraphie konnten im Rahmen dieser Arbeit die Werte mit einem 13C-Acetat- Atemtest gemessen werden. Eine pathologische Magenentleerungszeit wurde bei ungefähr der Hälfte der Patienten dargestellt. Obwohl ein Zusammenhang zwischen der Magenentleerungszeit und anderen Untersuchungsbefunden vermutet wurde, konnte keine signifikante Korrelation aufgezeigt werde. Alle Testverfahren lieferten unterschiedliche Ergebnisse. Bei keinem Kind mit klinisch gesichertem gastroösophagealen Reflux waren alle erhobenen Parameter pathologisch. Die Verteilung der Ergebnisse erfolgte auch im grenzpathologischen Bereich nicht signifikant. Als Grund hierfür kann vermutet werden, dass der gastroösophageale Reflux bei Kindern unterschiedliche Ursachen hat. So könnte eine pathologische Magenentleerungszeit bei einem Teil der Kinder ursächlich sein oder im Vordergrund stehen, während andere pathologische Korrelate das gleiche Krankheitsbild verursachen. Die Diagnosestellung eines gastroösophagealen Reflux bei Kindern mit pulmonaler Symptomatik kann somit nur mit hinweisenden Untersuchungen erfolgen, bei denen auch Widersprüche geduldet werden müssen.