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Die hier vorgelegte Arbeit hatte zur Aufgabe, funktionellen Einflüsse auf den Neurotransmittertransporter GAT-1 zu erhellen, welche durch eine N-Glykosilierung des Transportproteins hervorgerufen werden. Frühere Untersuchungen deuteten bereits darauf hin, daß der Glykosilierung der drei extrazellulär vorhandenen N-Glykosilierungsstellen des GAT- 1 neben einer expressionellen Bedeutung auch eine funktionelle zukam. So zeigten sich bei Arbeiten anderer Gruppen, welche N-Glykosilierungsmutanten des GAT-1 verwendeten, um die Glykosilierung des Transportproteins zu beeinträchtigen, daß fehlende Oligosaccharide an den N-Glykosilierungsstellen des GAT-1 durchaus in eine Reduktion der GABA-Aufnahme in die Zellen mündete, was zumindest bei Oozyten des Xenopus laevis auf eine verminderte Transportrate zurückgeführt werden konnte. An CHO-Zellen konnte nun auf gleiche Weise eine Reduktion der GABA-Aufnahme beobachtet werden, und es galt, mit elektrophysiologischen Methoden die Ursachen dieser Reduktion zu erkunden. Die hier vorgelegte Arbeit vermochte nun bei CHO-Zellen, eine Verminderung der Transportrate als Ursache jener reduzierten GABA-Aufnahme auszumachen. Zu diesem Zwecke wurden die CHO-Zellen entweder mit der DNA des mGAT1 Wild-Typs (einem aus der Maus klonierten GAT-1-Transporter) oder mit der DNA von N-Glykosilierungsmutanten des mGAT1 transfiziert. Es fanden zwei verschiedene N-Glykosilierungsmutanten Verwendung, an denen jeweils zwei der drei N-Glykosilierungsstellen Asparagin durch Aspartat bzw. Glycin ersetzt wurden: (Asp176, Gly181, Asn184) bzw. DDN (Asp176, Asp181, Asn184). Wie indes die durch eine beeinträchtigte N-Glykosilierung verminderte Transportrate zustande kam, und wie sich eine entsprechende Erklärung in die bisherige Annahme den GAT-1 Reaktionszyklus betreffend einfügen und mit dessen Struktur verbinden ließe, vermochte die hier vorgelegte Arbeit zu einem großen Teil einsichtig zu machen. Zwei Phänomene konnten die Transportrate vermindern: Zunächst waren die Zeitkonstanten transienter Ströme, welche bei Abwesenheit von GABA auftreten, verlangsamt. Weil diese Ströme den ratenlimitierenden Schritt im Reaktionszyklus zu repräsentieren scheinen, mußte also jener Schritt, welcher die Okklusion des ersten Natriums oder die darauffolgende Konformationsänderung beinhaltet, verlangsamt sein. Im weiteren zeigten Analysen der bei den transienten Strömen auftretenden Ladungsverschiebungen, daß die Natrium-Transporter-Interaktion auf extrazellulärer Seite durch das Fehlen von Oligosacchariden an den N-Glykosilierungsstellen des GAT-1 beeinträchtigt war, wobei als Grund hierfür eine Verstärkung der dimensionalen bzw. elektrogenen Schranke zu sehen ist, welche sich vor der Natriumbindungsstelle des GAT-1 befindet. Eine Veränderung der Expressionsrate als tragende Ursache verminderter Transportraten bzw. reduzierter GABA-Aufnahmen konnte hingegen ausgeschlossen werden. Experimente mit dem N-Glykosilierungs-Inhibitor dMM sowie Vergleiche von Experimenten verschiedener Mutanten vermochten die oben beschriebenen Effekte hauptsächlich auf die durch die Mutationen fehlenden Oligosaccharide zurückzuführen und weniger auf andere durch die Mutation hervorgerufene strukturelle Änderungen des GAT-1-Proteins.
Die vorliegende Arbeit stellt Design, Aufbau und erste experimentelle Testergebnisse einer integrierten RFQ-Driftröhrenkombination für den Einsatz im Injektorbereich einer klinischen Synchrotronanlage zur Behandlung von Tumorerkrankungen mit Ionenstrahlen vor. Das Hauptziel der Bemühungen war, eine sehr kompakte und auf die gestellten Aufgaben hoch spezialisierte Lösung zu finden, die den täglichen Anforderungen im Klinikbetrieb gerecht wird. Zuverlässigkeit, einfache Bedienbarkeit und möglichst geringe Betriebskosten standen dabei im Vordergrund und führten letztlich zu einer nur 1,40 m langen Kombination der beiden Beschleunigerkomponenten, die üblicher Weise in zwei getrennten Kavitäten mit separater Leistungsversorgung, separater Steuerung und mit deutlich mehr Platzbedarf untergebracht sind. Im Zuge der Designarbeiten wurde insbesondere das Programm PARMPRO den hier aufgetretenen aktuellen Problemstellungen angepasst. Die Berechnung der Wechselwirkung von Ionen bei raumladungsdominierten Teilchenstrahlen wurde korrigiert, das Programm um ein Transportelement zu Transformation geladener Teilchen durch eine frei wählbare Potentialverteilung erweitert und mit einem neu entwickelten Programmteil wurden die zur Fertigung notwendigen Daten generiert. Die Optimierung der Strukturparameter mit Hilfe einer externen Visual-Basic-Anwendung zum automatischen Optimieren der Strukturdaten mit Hilfe von PARMPRO war ein Schritt auf dem Wege zum endgültigen, an die Eingangsstrahldaten und an die Erfordernisse der darauffolgenden IH-Struktur angepassten Elektrodendesign. Nach den Simulationsrechnungen erfolgten Referenzmessungen an entsprechenden Modellaufbauten insbesondere mit einem computergesteuerten Störkörpermessstand, zur experimentellen Bestimmung der Spannungsverhältnisse an der jeweils zu untersuchenden Strukturvariante. Auf diesen Ergebnissen basiert das endgültig entwickelte Resonatorkonzept der RFQ-Driftröhrenkombination. Das Kapitel "Aufbau des Medizin-RFQs" behandelt die Konstruktion und die technische Umsetzung des erarbeiteten Beschleunigerkonzepts. Einzelnen Beschleunigerkomponenten wie Tank, Elektroden, Resonatorstruktur, Bunchereinheit und deren Fertigungsprozesse werden vorgestellt, Arbeitsschritte wie das Verkupfern des Tanks in der Galvanik der GSI oder das Verfahren zum Versilbern von Kontaktteilen im hauseigenen Labor werden beschrieben. Es folgt eine Diskussion des Justierkonzepts und der Maßnahmen zur Einhaltung der erforderlichen Genauigkeiten von ca. 20 mm, um die berechnete Strahlqualität zu gewährleisen. Abschließend werden die Ergebnisse erster HF-Testmessungen auf Messsenderniveau beschrieben. Hier wurden zunächst experimentell grundlegende Resonatoreigenschaften wie etwa Resonanzfrequenz, Güte und Parallelersatzwiderstand bestimmt. Danach wurde ein spezielles Störkörpermessverfahren angewandt, um den über die Montagehöhe der Driftröhre einstellbaren Spannungsbereich der Bunchereinheit zu erfassen, da die geometrischen Verhältnisse einen computergesteuerten Messstand wie er zur Untersuchung der Modellaufbauten herangezogen wurde nicht zuließen. Abschließend erfolgte ein Abstimmen der Spannungsverteilung entlang der RFQ-Elektroden. Diese experimentellen Ergebnisse belegen eindrucksvoll die Funktionsfähigkeit der RFQ-Driftröhrenkombination, so ist insbesondere die erforderliche Buncherspannung auf einer mittleren Montagehöhe der spannungsführenden Driftröhre zu erreichen, die durch die zusätzlich Driftröhrenkapazität hervorgerufene Verzerrung der Spannungsverteilung auf den Elektroden lässt sich über die höhenverschiebbaren Kurzschlussplatten gut korrigieren. Das erarbeitete Gesamtkonzept dieser neuartigen, sehr kompakten RFQ-Driftröhrenkombination ist auch für andere Anwendungsbereiche sehr attraktiv, so dass bereits ein Patent darauf angemeldet wurde. Damit ist das Ziel, eine RFQ-Driftröhrenkombination für die medizinische Beschleunigeranlage in Heidelberg aufzubauen erreicht. Strahltests und die experimentelle Bestimmung der Phasen- und Energiebreite des Ionenstrahls sind als nächstes vorgesehen.
Die opto-elektronische Erzeugung intensiver Terahertz-Pulse unter Verwendung von Verstärkerlaser-Systemen stellt eine leistungsfähige und im wissenschaftlichen Umfeld etablierte Technik dar. Es ist anzunehmen, dass diese Technik in Zukunft auch für kommerzielle Anwendungen eingesetzt werden wird. (Z.B. entwickelt die Firma Nikon, Japan ein Echtzeit- Bildgebungssystem mit opto-elektronisch erzeugter Terahertz-Strahlung basierend auf einem Verstärkerlaser.) In dieser Arbeit werden gängige und neuartige opto-elektronische Terahertz-Emitter für Verstärkerlaser theoretisch und experimentell untersucht. Zur experimentellen Untersuchung wurde die Methode der elektro-optischen Detektion, welche in der Arbeit ausführlich vorgestellt wird, verwendet. Dabei wird insbesondere die spektrale Detektorempfindlichkeit dargestellt und eine Methode zur Durchführung kalibrierter Messungen vorgestellt, welche auch für die Verwendung mit Verstärkerlasern geeignet ist. Zu den untersuchten bekannten Emittern gehört der vor ca. 10 Jahren erstmals vorgestellte groß- flächige GaAs-Emitter mit externem Feld. Obwohl dieser Emitter in der Literatur bereits ausführlich untersucht wurde, werden in der vorliegende Arbeit über den Stand der Literatur hinausgehende neue Aspekte wie die Feldabschirmung auf Grund von Ladungsträgerverschiebung und die Abhängigkeit der erzeugten THz-Feldstärke bzw. der THz-Pulsenergie von der Emitterfläche diskutiert. Zudem erfolgt die Behandlung dieses Emitters erstmals vollständig quantitativ, wobei eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten erreicht wird. Der zweite in der Arbeit untersuchte Emitter ist der großflächige ZnTe-Emitter. Die elektro-optische Erzeugung von THz-Strahlung in ZnTe-Kristallen mit hoch-repetierlichen Kurzpuls-Lasersystemen ist langjährig bekannt. Die Verwendung großflächiger ZnTe-Kristalle in Verbindung mit Verstärkerlasern wurde allerdings in Rahmen dieser Arbeit erstmals demonstriert. Vor dem Hintergrund der demonstrierten hervorragenden Eigenschaften dieses Emitters ist dieses besonders erstaunlich. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit der neuartigen Erzeugung von THz-Pulsen in laser-generierten Plasmen. Dabei wurden zwei Methoden untersucht. Die erste Methode, welche im Rahmen dieser Arbeit erstmals realisiert wurde, basiert auf einer Vorspannung des Plasmas mit einem externen elektrischem Feld. Die Methode ist vergleichsweise wenig effektiv, stellt aber eine gute Möglichkeit zur Überprüfung der in der Arbeit entwickelten Modelle für die THz-Emission dar. Die zweite Methode, die erstmals von Cook et al. im Jahre 2000 demonstriert wurde, basiert auf einer "optischen Vorspannung" des Plasmas mittels der Überlagerung des Laserpulses der Fundamentalfrequenz mit einem phasensynchronen Laserpuls der zweiten Harmonischen. Die ausführliche experimentelle und theoretische Untersuchung dieser Methode beinhaltet eine quantitative Modellierung der zu erwartenden Ergebnisse auf Basis des von Cook et al. vorgestellten phänomenologischen Modells, welches auf zeitunabhängigen Nichtlinearitäten dritter Ordnung im Plasma oder in der Luft beruht. Die in dieser Arbeit vorgestellte quantitative Analyse legt die Schlussfolgerung nahe, dass das phänomenologische Modell von Cook et al. in der vorliegenden Form in Frage gestellt werden muss. Daher wurde im Rahmen der Arbeit ein einfaches Modell zur Erklärung der mikroskopischen Ursache der Nichtlinearität entwickelt. Dieses Modell beinhaltet die Kopplung der Nichtlinearität mit dem lokalen Ionisierungsprozess und damit formal auch eine explizite Zeitabhängigkeit der Nichtlinearität im Plasma. Die quantitative Modellierung der makroskopischen THz-Emission auf Basis des mikroskopischen Bildes der Generations-Nichtlinearitäten zeigt, dass das Modell die experimentellen Befunde zufriedenstellend beschreiben kann. Die Arbeit schließt mit einem Vergleich der untersuchten Emitter in Bezug auf spektrale Eigenschaften, Effizienz und Sättigungsverhalten. Bei der Darstellung des Sättigungsverhaltens wird anhand der in der Arbeit entwickelten Modelle versucht die Entwicklung der erzeugten THz-Feldamplituden für Laserpulsenergien von bis zu 50 mJ vorauszusagen. Diese Abschätzung lässt vermuten, dass der Plasma-Emitter für Laserpulsenergien von 10mJ und mehr das Potential hat, deutlich höhere THz-Feldamplituden zu erzeugen als alle gängigen Standardemitter. Entsprechende Experimente in diesem Laserpuls-Energiebereich sind am Front-End des PHELIX-Lasers der GSI (Gesellschaft für Schwerionenforschung) in Darmstadt im Rahmen der Fortführung der Forschungsarbeiten geplant.
Etablierung, Charakterisierung und Anwendung eines In-vitro-Zellkulturmodells der Blut-Hirn-Schranke
(2001)
Es wurde durch die Optimierung der Isolierung und Kultivierung von cerebralen mikrovaskulären Endothelzellen (BCEC) ein in vitro-Zellkulturmodell der Blut-Hirn-Schranke (BHS) etabliert, das bezüglich seiner Permeabilitäts-Charakteristiken spezifische und herausragende Eigenschaften aufwies. Nach Abschluss der Etablierungs- und Optimierungsphase konnten im bovinen System wiederholt und reproduzierbar transendotheliale elektrische Widerstände (transendothelial electrical resistance, TEER) von zum Teil deutlich oberhalb 1000 Ohm mal cm hoch 2 erzielt werden, und die parazelluläre Permeabilität der bovinen BCEC-Monolayer für Sucrose lag annähernd auf dem niedrigen Niveau hochimpermeabler MDCK-Epithelzell-Monolayer und der entsprechenden in vivo-Parameter. Die per se niedrige Permeabilität des in vitro-BHS-Zellkulturmodells konnte sowohl durch Erhöhung des intrazellulären cAMP-Spiegels der BCEC als auch durch Kokultur der BCEC-Monolayer mit C6-Glioma- Zellen zusätzlich deutlich verringert werden. In Kombination konnte dabei ein TEER von über 3000 Ohm mal cm hoch 2 erzielt werden, einem Wert, der deutlich über dem TEER cerebraler pialer Kapillaren in vivo (1000-2000 Ohm mal cm hoch 2) liegt und in BHS-Zellkultursystemen bisher nicht einmal annähernd erreicht wurde. Der Vergleich des im Rahmen dieser Arbeit etablierten in vitro-BHS-Modells mit gut etablierten und charakterisierten BHS-Modellen bestätigten eindeutig dessen hohe Qualität und herausragende Eigenschaften. Im Rahmen eines indirekt-Kontakt-Kokultursystems konnte in zahlreichen Experimenten eindeutig und reproduzierbar gezeigt werden, dass eine Kokultur von postkonfluenten bovinen oder humanen BCECMonolayern mit humanen Makrophagen zu einer durch deutliche Erhöhung des TEER nachweisbaren Verringerung ihrer Permeabilität führte. Die bei den BCEC durch die Makrophagen induzierte TEER-Erhöhung war mit der durch die Kokultur mit C6-Glioma-ZeIlen bewirkten vergleichbar. Eine proinflammatorische Stimulation der Makrophagen vor Beginn der Kokultur zeigte keine eindeutige Beeinflussung ihrer Wirkung auf die mit ihnen kokultivierten BCEC-Monolayer. Eine Infektion der Makrophagen mit zwei verschiedenen HIV-1-Isolaten zeigte trotz Vorhandenseins einer produktiven HIV-1-lnfektion keine Auswirkung auf die von ihnen bewirkte TEER-Erhöhung bei den kokultivierten BCEC-Monolayer, es konnten diesbezüglich keine Unterschiede zwischen uninfizierten und infizierten Makrophagen festgestellt werden. Eine Erhöhung des intrazellulären cAMP-Spiegels führte bei den mit Makrophagen kokultivierten BCECMonolayern wie bei den mit C6-Glioma-Zellen kokultivierten BCEC-Monolayern zu einer zusätzlichen Steigerung des TEER. Die Inhibition der Adenylat-Cyclase und verschiedener Protein-Kinasen (Protein-Kinasen A, C, G und MLCK) zeigte keine Auswirkung auf die von Makrophagen bewirkte TEER-Erhöhung bei den kokultivierten BCEC-Monolayern; die Aktivierung der Protein-Kinase C führte zu dem gleichen Ergebnis. Die Inhibition der Phospholipase C und der Ca2~-vermittelten Aktivierung des Calmodulins zeigte ebenfalls keine Auswirkung auf die durch die Makrophagen- beziehungsweise C6-Kokultur bewirkte TEER-Erhöhung bei den BCEC-Monolayern. Eine Beteiligung der untersuchten Signaltransduktionswege an dem von Makrophagen oder 06 ausgeübten Einfluss auf die BCEC erscheint somit unwahrscheinlich. Der Befund, dass hämatogene Makrophagen in der Lage sind, bei kultivierten BCEC BHS-spezifische Eigenschaften zu induzieren und/oder aufrechtzuerhalten, ist überaus bemerkenswert, da diese Wirkung bislang ausnahmslos Zellen neuroektodermalen Ursprungs (beispielsweise Astrocyten) sowie glialen Zelllinien zugeschrieben wurde. Hämatogene Makrophagen oder davon abgeleitete Zellen des Hirnparenchyms könnten damit ein Teil der Mikroumgebung sein, die in vivo die charakteristischen Eigenschaften von Hirnendothelzellen modulieren, beispielsweise in Form der perivaskulären Mikrogliazellen, die in engem Kontakt mit den cerebralen Blutgefäßen stehen und höchstwahrscheinlich durch aus dem Blutstrom in das Gehirn einwandernde Monocyten/Makrophagen kontinuierlich ersetzt werden. Das in vitro-BHS-Zellkulturmodell wurde weiterhin für pharmakologische Studien eingesetzt, um den Einfluss von Nanopartikeln, die als potentielle brain targeting-Trägersysteme für Arzneistoffe diskutiert werden, auf die Barriere-Eigenschaften postkonfluenter cerebraler Endothelzellen zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Zugabe verschiedener Nanopartikel-Präparationen zu postkonfluenten BCECMonolayern zu einer deutlichen und konzentrationsabhängigen Erhöhung deren Permeabilität für Elektrolyte und makromolekulare Substanzen führte.
Die Wiederherstellung der Perfusion eines ischämischen Areals, auch Reperfusion genannt, ist vorrangiges Therapieziel bei Herzinfarktpatienten. Durch Thrombolyse oder Ballondilatation eines verschlossenen Koronargefäßes erzielt, kann sie jedoch selbst zum Organschaden beitragen. Dieser so genannte Reperfusionsschaden manifestiert sich je nach vorangegangener Ischämiedauer in funktionellen oder in strukturellen Schäden. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass während der Reperfusion auftretende Entzündungsreaktionen maßgeblich zu einem myokardialen Reperfusionsschaden beitragen. Diese können durch polymorphkernige Neutrophile (PMNs) hervorgerufen werden. Das erste Ziel dieser Arbeit war es, ein Tiermodell zu etablieren, das die präklinische Prüfung von neuen Therapieansätzen erlaubt, die einen PMN-induzierten Reperfusionsschaden pharmakologisch verhindern. In einem Modell des isoliert-perfundierten Rattenherzens nach Langendorff wurde durch die externe Applikation von humanen PMNs eine mögliche Beteiligung dieser Zellen an der Entstehung eines Reperfusionsschadens nach globaler no-flow-Ischämie untersucht. Hierbei wurden unterschiedliche myokardiale Funktionsparameter, das Ausmaß der Zellschädigung und die myokardiale Konzentration der proinflammatorischen Zytokine Interleukin-1ß (Il-1ß) und Tumor-Nekrose-Faktor-á (TNF-á) erfasst. Die Quantifizierung der Zellschädigung erfolgte mittels histologischer Triphenyltetrazoliumchlorid-(TTC)-Färbung. Ferner wurde aus dem koronarvenösen Effluat die Konzentration der Creatinkinase (CK) und der Lactatdehydrogenase (LDH) bestimmt. Die Reperfusion der Herzen mit PMNs führte im Vergleich zur zellfreien Reperfusion zu einer signifikanten Verschlechterung der linksventrikulären Funktion. Ferner wiesen die PMN-reperfundierten Herzen eine signifikant höhere Zytokinkonzentration auf. Dagegen führte die PMN-Reperfusion lediglich zu einer tendenziellen Erhöhung der myokardialen Zellschädigung. Unter Verwendung eines Antikörpers gegen das Adhäsionsmolekül CD11/18 auf der Zelloberfläche der PMNs wurde das Modell validiert. Hierbei verminderte die Blockade der CD11/18-vermittelten PMN-Adhäsion an das Koronarendothel sowohl die PMN-induzierte myokardiale Dysfunktion als auch die myokardiale Zytokinkonzentration in den PMN-perfundierten Herzen. Das zweite Ziel dieser Arbeit war es, erstmals die pharmakologische Wirkung des neuen eNOS-Transkriptionsverstärkers S803, auf den PMN-induzierten Reperfusionsschaden in isoliert-perfundierten Rattenherzen zu untersuchen. Um einen in diesem Therapieansatz postulierten NO-abhängigen Mechanismus zu bestätigen, erfolgte eine Bestimmung der myokardialen eNOS-Expression mittels Western-Blot- Analyse. Ferner wurde in einem zusätzlichen Modell mit isoliert-perfundierten Rattenherzen die NO-abhängige Dilatationsfähigkeit der Koronarien untersucht. Darüber hinaus diente der HMG-CoA-Reduktase-Hemmer Simvastatin, der über die Stabilisierung der eNOS-mRNA zu einer erhöhten NO-Verfügbarkeit führt, als Positivkontrolle für einen NO-abhängigen Wirkungsmechanismus. Die subchronische Gabe des eNOS-Transkriptionsverstärkers S803 führte in den isoliert-perfundierten Herzen zu einer signifikanten Besserung der PMN-induzierten linksventrikulären Dysfunktion und verminderte signifikant die myokardiale Zytokinkonzentration gegenüber den PMN-perfundierten Kontrollherzen. Ferner wurde die eNOS-Proteinexpression in den Herzen signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten auf eine Verbesserung der PMN-induzierten linksventrikulären Dysfunktion über eine Erhöhung der NO-Verfügbarkeit hin. Diese Hypothese wurde durch die therapeutische Wirksamkeit von Simvastatin im Modell des PMN-reperfundierten Herzens bestätigt. Zudem führte Simvastatin zu einer signifikanten Erhöhung der eNOS-Expression. Des Weiteren war die myokardiale Dilatationsfähigkeit während der reaktiven Hyperämieantwort nach S803- und Simvastatin-Behandlung im Vergleich zu den Kontrollherzen signifikant verbessert. Durch Gabe des NOSynthasehemmers L-NAME wurde diese im Modell der reaktiven Hyperämie unter S803-Behandlung wieder aufgehoben und bestätigte ebenfalls einen NO-abhängigen Mechanismus. Die verbesserte reaktive Hyperämieantwort unter Simvastatin- Behandlung war dagegen nicht ausschließlich NO-vermittelt. S803, ein neuer eNOS-Transkriptionsverstärker, verbesserte in isoliert-perfundierten Rattenherzen sowohl einen PMN-induzierten Reperfusionsschaden als auch die reaktive Hyperämieantwort. Ferner wies die Substanz in der Vergangenheit in Arteriosklerose-Modellen in ApoE-Knock-out-Mäusen antiarteriosklerotische Wirkungen auf. S803 eröffnet somit einen neuen, vielversprechenden Therapieansatz zur Behandlung koronarer Herzkrankheiten.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine Lücke im methodischen Spektrum neurobiologischer Methoden zu schließen. Es ist heute möglich, das Gehirn auf unterschiedlichen Ebenen zu beschreiben. Es stehen jedoch keine Methoden zur Verfügung, um die Anordnung der Zellen innerhalb eines Nukleus quantitativ zu beschreiben. Die Anzahl und die Anordnung der Zellen ist jedoch eine essentielle Voraussetzung, um die Funktion eines Nukleus zu verstehen. Das hier vorgestellte Verfahren zur Rekonstruktion eines Nukleus basiert auf Nissl-gefärbten Semidünnschnitten der Medialen Superioren Olive (MSO) der Wüstenrennmaus Meriones ungiuculatus. Diese werden mit einer Digitalkamera lichtmikroskopisch aufgenommen und bilden die Basis der Rekonstruktion. In einem ersten Schritt werden innerhalb einer Schnittebene mehrere Einzelbilder patchworkartig zu einem Image Mosaic zusammengefügt. Durch diesen Schritt ist die Auflösung innerhalb einer Schnittebene praktisch unbegrenzt. Das Verfahren beinhaltet mehrere Kontrollmechanismen und funktioniert praktisch fehlerfrei. Danach werden die Bilder farblich korrigiert und mit Methoden der Mustererkennung werden die Zellkerne extrahiert. Die Extraktion der Zellkerne steht in ihrer Qualität einer manuellen Extraktion in nichts nach. Die Zellkerne dienen als Grundlage für den Archimedes-Alignment-Algorithmus, der die Schnittserie in einen dreidimensionalen Bezug setzt, indem aufeinander folgende Schnitte aneinander ausgerichtet werden. Auch dieses Verfahren beinhaltet eine Kontrolle und funktioniert fehlerfrei. Aus diesen Daten kann dann eine Rekonstruktion erstellt werden. Diese wird weiter ausgewertet und ergibt schließlich ein dreidimensionales Abbild des untersuchten Bereichs. Sämtliche Verfahrensschritte arbeiten entweder fehlerfrei oder mit einer nur sehr geringen Fehlerrate. Somit stellt dieses Verfahren eine robuste, effiziente und universell anwendbare Möglichkeit für die umfassende Analyse der Neuronenverteilung im ZNS dar. Das Verfahren eröffnet die Möglichkeit, Nuklei dreidimensional zu untersuchen, bietet aber auch einen Ansatzpunkt um mittels histologischer Daten weiteres Datenmaterial (etwa elektrophysiologischer oder morphologische Daten) zu integrieren.
Urothelkarzinome entstehen aus dem Epithel (Urothel) der unteren Harnwege (Nierenkelche und -becken, Harnleiter und -blase, sowie proximale Harnröhre). Die Harnblase ist der bevorzugte Ort der Urothelkarzinome. Krebserregende chemische Verbindungen (Karzinogene), die im Urin konzentriert vorliegen, sind Hauptverursacher der Urothelkarzinome. Größter einzelner Risikofaktor ist das Rauchen. Urothelkarzinome alarmieren durch Mikro- oder Makrohämaturie, und werden durch zytologische Bestimmung der Urinzellen (exfoliative Urinzytologie) und durch endoskopische Untersuchung der Harnblase (Zystoskopie) diagnostiziert. Es gibt kein pathognomisches Zeichen das auf ein Urothelkarzinom hinweisen würde. Da gutdifferenzierte Urothelkarzinomzellen kaum von den normalen Urothelzellen zu unterscheiden sind, ist die falsch-negative Rate bei der Diagnose dieser G 0-1 Tumoren mit 42% besonders hoch. Bei den endoskopisch schwer zu erkennenden in situ Karzinomen, die weitgehend entdifferenziert (anaplastisch) sind, liegt die Treffsicherheit bei 94%. Keiner der bis heute vorgeschlagenen Tumormarker hat die geforderte Spezifität, Sensitivität und prognostische Aussagekraft, um für die Diagnostik des Harnblasenkarzinoms von Wert zu sein. In der vorliegenden Arbeit wurde bei der Suche nach einem geeigneten Marker für den Nachweis eines Urothelkarzinoms eine Doppelstrategie verfolgt: 1. Die Expression einiger bekannter Gene wurde mit Reverser Transkription Polymerase Kettenreaktion (RT-PCR) an einer Reihe von Urothelkarzinomen unterschiedlicher Malignitätsgrade (G1 bis G4) und an normalen Urothelien untersucht. Uroplakine, die einzigen bislang bekannten urothelspezifischen Moleküle, bildeten dabei den Schwerpunkt. Ein Uroplakin-RT-PCR Bluttest wurde entwickelt, mit dem es möglich ist, disseminierte Urothelkarzinomzellen zu entdecken, noch bevor sie Metastasen gebildet haben. Die Nachweisempfindlichkeit des Tests liegt bei einer Zelle pro ml Blut. Von den untersuchten Urothelkarzinomprimärtumoren exprimierten alle gut bis mäßig differenzierten Tumoren (G1 und G2) Uroplakin (UP), bei den wenig differenzierten und anaplastischen Tumoren (G3 und G4) war etwa die Hälfte UP-positiv. 2. Die differentielle Genexpression derselben Urothelkarzinome und Urothelien wurde mittels Differential Display RT-PCR (ddRT-PCR) dargestellt, um auch unbekannte Genprodukte zu erfassen, die an der Krebsentstehung beteiligt sein und als spezifische Marker dienen könnten. Die gebräuchliche ddRT-PCR wurde durch eine Homologiedomänen-Konsenssequenz-RT-PCR ergänzt. Es konnten einige bekannte Gene identifiziert werden, darunter das DNA-bindende und transkriptionsregulierende HMG-1 (high mobility group) Protein und das mit Metastasierung assoziierte mts-1 Produkt. Einige Sequenzen zeigten keine Übereinstimmung mit bekannten Genen und sind damit potentiell neue Krebsgenkanditaten.
Es wurden Untersuchungen über die Stoffwechselleistungen der im Most und Wein vorkommenden Essigsäurebakterien der Gattungen Acetobacter (13 Stämme) und Gluconobacter (2 Stämme) während der Weinbereitung durchgeführt. Die 15 Stämme der Essigsäurebakterien stammten aus der Sammlung des Fachgebiet Mikrobiologie und Biochemie Forschungsanstalt Geisenheim sowie aus der CCM (Czechoslovak Collection of Microorganisms). Die Stoffwechselleistungen, die unter Berücksichtigung des Zucker-Säure-Stoffwechsels beobachtet wurden, wurden bei Trauben der Sorten Riesling, Rotberger, Portugieser und Reichensteiner, den Mosten der Sorten Riesling, Portugieser und Rotberger und den Weißweinen der Sorten Riesling, Müller Thurgau und Rotwein eines Sortengemisches sowie Weiß- und Rotweinen verschiedener Jahrgänge aus Tunesischen Weinanbaugebieten durchgeführt. Die Essigsäurebakterien wurden auf die Nährböden (Traubenbeeren, Moste und Weine) beimpft und nach festgelegten Zeiten geerntet und analysiert. Die Beimpfung der Traubenbeeren erfolgte durch Besprühen der intakten und angestochenen Beeren mit den Bakterienkulturen. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Analyseverfahren angewandt. Dünnschichtchromatographie wurde für die qualitative Analyse der Zuckersäure eingesetzt. Die Ketozuckersäuren wurde durch Flüssigchromatographie sowie HPLC bestimmt. Außerdem auch für die Bestimmung organischer Säuren, Zucker und Alkohole. Ethanol wurden auch mit Titration nach der Methode von Rebelein bestimmt. Gluconsäure, Essigsäure, Glucose, Fructose, D- und L-Milchsäure sowie Dihydroxyaceton wurden enzymatisch spektrophotometrisch quantifiziert. Der Vergleich der Ergebnisse von intakten und angestochenen Beeren zeigte, dass bei angestochenen Beeren ein schnelleres Wachstum der Essigsäurebakterien und damit auch höhere Stoffwechselleistungen erfolgten. Gluconsäure, 2-Ketogluconsäure, 5-Ketogluconsäure sowie 2,5-Diketogluconsäure können von verschiedenen Essigsäurebakterienstämmen produziert werden. Es scheint so, als ob die verschiedenen Arten der Essigsäurebakterien spezifische Muster der Gluconsäure Oxidationprodukte aufweisen. In synthetischen Medien produzierten Essigsäurebakterien große Menge Gluconsäure. Nach 30 Tage produzierten Essigsäurebakterien der Stämme Acetobacter aceti var. aceti, A. liquefaciens Stamm 1347-2, A. xylinum und Gluconobacter oxydans var. suboxydans im Glucosemedium jeweils mehr als 40 g/l Gluconsäure. 5-Ketogluconsäure wurden in allgemein mehr als 2-Ketogluconsäure produziert. Von allen beobachteten Stämmen produzierte nur A. liquefaciens 2,5-Diketogluconsäure. Sowohl in den roten- als auch in den weißen Traubenbeeren produzierten sie Gluconsäure und ihre Oxidationsprodukte. In 15 Tagen wurden bis 11,5 g/l Gluconsäure, 5,3 g/l 2-Ketogluconsäure und bis 9,8 g/l 5-Ketogluconsäure produziert. Das Wachstum der Essigsäurebakterien in den Weinen verlief sehr langsam. In den Weinen wurden von den Essigsäurebakterien nur Essigsäure produziert. Die Produktion von Essigsäure war bei den unterschiedlichen Stämme sehr verschieden. A. aceti var. aceti produzierte die höchste Konzentration von Essigsäure sowohl bei Rotwein als auch bei Rieslingwein. A. aceti var. aceti produzierte bis 87 g/l in Rotwein und bis 61 g/l in Rieslingwein Bei Untersuchungen fertiger Weine wurden außer Gluconsäure auch 2-Ketogluconsäure, 5-Ketogluconsäure und 2,5-Diketogluconsäure gefunden, die auf den Stoffwechsel der Essigsäurebakterien aus Glucose und Gluconsäure zurückgeführt werden müssen. In den untersuchten fertigen Weinen aus Tunesien wurde 0,2 - 7,4 g/l Gluconsäure, 2 - 35 mg 2-Ketogluconsäure, 6 - 30 mg/l 5-Ketogluconsäure und bis 14 mg 2,5-Diketogluconsäure analysiert. Nach den vorliegenden Untersuchungsergebnissen stammen die hohen Gluconsäurekonzentrationen in den Weinen von Gluconobacter oxydans. Die Herkunft der Gluconsäure in diesen Weinen aus dem Stoffwechsel von Essigsäurebakterien wird durch die hochsignifikanten Beziehungen zwischen Gluconsäure und 2-Ketogluconsäure, sowie 2,5-Diketogluconsäure belegt.
Die Neubildung von Aromasubstanzen durch Carotinoidabbau ist eine der vielen Veränderungen der Weine während der Flaschenlagerung. In gealterten Weinen entstehen aromawirksame Kohlenwasserstoffe, C13-Komponenten, u.a. TDN aus den Carotinoidsubstanzen der Weinbeeren. TDN, das natürlich in Pflanzenprodukten vorhanden ist, liefert einen wichtigen Beitrag zum typischen Kerosin-ähnlichen Charakter in Flaschen gealterter Rieslingweine. Als TDN-Precursoren sind oft die Carotinoide Lutein und ß-Carotin vorgeschlagen worden. Die TDN-Bildung wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Außer vom Carotinoidgehalt in den Beeren bzw. Mosten, auch von den Traubensorten und -klonen, den verwendeten Hefen und auch durch die Jahrgänge. Andere Aspekte, wie das Vorhandensein von Luteinestern, die Verhältnisse der Carotinoide untereinander, weinbauliche Maßnahmen, wie Entblätterungen, sowie die Gesamtsäure bzw. die pH-Werte der Traubenmaischen, die die TDN-Bildung beeinflussen könnten, wurden ebenfalls mit einbezogen. Die TDN-Bildung während des Weinherstellungsprozesses sowie die TDN-Entwicklung bei der Alterung und dem damit verbundenen Carotinoid-Abbauprozess wurde in dieser Arbeit durch Modellversuche zu klären versucht. Während der Studien wurden Traubenbeeren, Moste und Jahrgangsweine der Sorte Riesling und anderer weißer Sorten verwendet. Der Einfluss von Mikroorganismen auf den TDN-Gehalt wurde durch Verwendung von 9 Hefestämmen (Saccharomyces spp.) und auch bei Spontangärung untersucht. Die Extraktionen der Carotinoide aus Trauben, Mosten und Weinen wurden unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt. Eine neue Methode musste wegen des hohen Wasser-, Zucker- und Säuregehalt des Mostes und Weines sowie der gärenden Moste verschiedener Dichten entwickelt werden. Für die Analysen der Carotinoide sowie die deren Luteinestern wurden verschiedene HPLC-Verfahren eingesetzt. Als stationäre Phase dienten Säulen LiChroCART 250-4 HPLC Cartridge LiChrospher 100 RP18 (5µm), RP18 125-4 M LiChroCART, sowie eine 250x4,6 mm (5µm) Hypersil Elite C18. Die Säulentemperatur lag bei 28°C. Die Trennungen wurden mit verschiedenen mobilen Phasen durchgeführt. Mit dem Einsatz des Dioden-Array-Detektor wurden verschiedene Wellenlänge zur Messung der einzelnen Carotinoide verwendet. Lutein wurde bei 450(±4) nm bestimmt, während Zeaxanthin, ß-Apo-8'-Carotinal, ß-Carotin und Chlorophyll-b bei 460(±6) nm und Chlorophyll-a bei 440(±4) nm, gemessen wurden. Außerdem wurden auch typische Wellenlängen wie 473(±6) nm für ß-Apo-8'-Carotinal und 662(±4) nm für Chlorophyll-a eingesetzt. Die TDN-Konzentrationen der Proben wurden durch Gaschromatographie/ Massenspektrometrie analysiert. Die mögliche TDN-Bildung unter Berücksichtigung des Carotinoidabbaus wurde außer in Jungweinen auch in Blankweinen nach Zugabe von Reinsubstanzen bzw. Beerenextrakten beobachtet. In den trüben Jungweinen veränderten sich die Mengen aller Farbstoffe während der Gärung. Die bedeutendsten Veränderungen der Carotinoid-Inhaltstoffe fanden nach dem Erreichen der Maximum-Werte der gebundenen ß-Glucosidaseaktivität der Hefen statt. Die größere Aktivität bei Kellertemperatur, die ebenfalls von der Populationszahl abhängt, verursachte auch die größeren Veränderungen des Carotinoidgehaltes. Es wird festgestellt, dass nach der Gärung nur noch die Hälfte der Konzentrationen der Carotinoide und Chlorophylle übrig geblieben ist und die Bildung von TDN bereits während der Gärung stattgefunden hat. Es wurde gezeigt, dass der Lutein- bzw. der TDN-Gehalt in Jungweinen mit der Glucosidaseaktivität der verwendeten Hefen korreliert werden kann. Dass der Zusammenhang zwischen dem Lutein in Mosten und den TDN-Konzentrationen in den Weinen bei den Rieslingklonen deutlicher ist als bei den anderen Sorten, zeigt dass Lutein ein TDN-Precursor ist. Die Verhältnisse von Lutein zu ß-Carotin ist in den Rieslingtraubenbeeren größer als in den Beeren der anderen "Weißen-Sorten". Die TDN-Bildung in Weinen, die aus den Mosten mit niedrigeren pH-Werten gewonnen wurden, war höher als solche aus Mosten mit höherem pH-Wert. Bei den Weinen aus Trauben der entblätterter Rebstocke zeigten höhere TDN-Gehalt, weil solche weinbauliche Maßnahmen die Konzentrationen der gelöster Carotinoide in den Trauben und folgend auch in den Jungweinen erhöht. Lutein, ß-Carotin und Zeaxanthin sind die Carotinoid-Hauptprecursor bei der TDN-Bildung. Beim prozentualen Vergleich deren Verluste während der Gärung und Lagerung ist der bei Lutein bzw. Zeaxanthin grösser als der bei ß-Carotin. Dabei sind die Mengen maßigen Verluste von ß-Carotin höher als bei Lutein und Zeaxanthin. Als TDN-Precursor sind die Carotinoide Lutein bzw. Zeaxanthin labiler als ß-Carotin. Zeaxanthin wurde nur in sehr geringen Mengen in der Traubenbeeren gefunden. Die Reinsubstanzen Lutein bzw. ß-Carotin zeigten auch deutlich ihren Precursor-Charakter in Hinblick auf die potentielle TDN-Bildung. Durch Säurehydrolyse der Reinsubstanzen bei 50oC zeigte es sich, dass normales TDN, TDN+2 und TDN+4 in D2O (2H2O) aus Lutein gebildet wurde. Aus ß-Carotin wurde nur wenig TDN erzeugt.
Effektivität und Effizienz der hochauflösenden MRT in der Diagnostik akuter Handgelenksverletzungen
(2002)
Die konventionelle Röntgendiagnostik stellte lange Zeit das dominierende diagnostische Instrument zur Beurteilung von akuten Verletzungen des Handgelenkes und der umliegenden Strukturen dar. Da der klinische Verlauf nach Verletzungen des Handgelenkes häufig unbefriedigend und langwierig ist und nicht adäquat therapierte Verletzungen dieser Region mit einer hohen Rate an Sekundärkomplikationen einhergehen, galt es, die Diagnostik des Handgelenkes zu optimieren, da mit der konventionellen Röntgendiagnostik zum einen Frakturen übersehen, umgekehrt aber auch überdiagnostiziert werden können und zum anderen naturgemäß Bandverletzungen nicht ausreichend beurteilbar sind. Da Verletzungen des Handgelenkes meist bei berufstätigen jüngeren Menschen beobachtet werden, stellt dies ein großes ökonomisches Problem dar. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, ob durch den gezielten Einsatz der Magnetresonanztomographie in der Frühphase nach einem akuten Handgelenkstrauma, die Diagnostik verbessert werden kann, und inwieweit dies Einfluss auf die nachfolgende Therapieplanung und Therapie hat. Es gelang durch den Einsatz der MRT beim akuten Handgelenkstrauma in Fällen mit einer Diskrepanz zwischen dem unauffälligen oder unklaren konventionellen Röntgenbild und der deutlichen klinischen Symptomatik nicht nur in 10,7% der Fälle (n=6) der Nachweis einer okkulten Fraktur, sondern auch in 64,3% der Fälle (n=36) der Nachweis von Begleitverletzungen im Bereich der ligamentären Strukturen und des TFCC. In 39,3% (n=22) konnte durch die MRT der Verdacht auf eine Fraktur ausgeräumt, in weiteren 5,4% (n=3) eine Änderung bezüglich der Frakturlokalisation vorgenommen werden. Nur 11 der ursprünglich 36 konventionell radiologisch befundeten Verdachtsdiagnosen einer Fraktur konnten im MRT bestätigt werden. In 55,4% wurde die Diagnose und in 66,1% die Therapie geändert (bezugnehmend auf die Daten des ersten Radiologen, Tabelle IV-12). Den verbesserten chirurgischen Therapiemöglichkeiten insbesondere der ligamentären Verletzungen musste durch die Optimierung der MRT Rechnung getragen werden. Es gelang im Rahmen dieser Promotionsarbeit ein zeitsparendes Untersuchungsprotokoll zu erstellen, das es ermöglicht, eine optimale Diagnostik der knöchernen Strukturen des Handgelenkes sowie des Weichteilapparates in weniger als 10 Minuten Untersuchungszeit durchzuführen. T1- und T2-gewichtete STIR-Sequenzen in koronarer Schichtorientierung erwiesen sich als diagnostisch relevant. Aufgrund der verbesserten Diagnostik war es möglich, die Patienten rasch der jeweils optimalen Therapie zuzuführen. So konnten zum einen initial okkulte Frakturen und ausgeprägte Band- und Diskusverletzungen adäquat behandelt und zum anderen durch den sicheren Ausschluss von ossären Verletzungen frühzeitig lange Immobilisationszeiten vermieden werden. Dies stellte einen wesentlichen Benefit für die Patienten dar, da wiederholte Krankenhausbesuche und Röntgenaufnahmen, unnötige Immobilisationszeiten von bis zu 12 Wochen sowie inadäquate - gegebenenfalls invasive - Diagnostik (Arthrographie, Operation) vermieden werden konnten. Durch den frühzeitigen Ausschluss von Frakturen und relevanten ligamentären Läsionen mittels MRT konnte so eine Verkürzung der Arbeitsunfähigkeit in 15 Fällen erreicht werden, in 8 Fällen musste die Dauer der Arbeitsunfähigkeit aus therapeutischen Gründen verlängert werden. Dies spielt sowohl für den Arbeitnehmer als auch für den Arbeitgeber und - bei längeren Krankschreibungszeiten - für die Krankenkassen eine große Rolle. Betriebsausgaben durch Entgeltfortzahlung im Krankheitsfall können so reduziert werden. Aufgrund der wirtschaftlichen Folgen sollte nach unseren Erfahrungen in Fällen mit einem klinischen Verdacht auf eine Fraktur oder schwere Weichteilverletzungen im Bereich des Handgelenkes bei unauffälligem oder unklarem Nativröntgenbild der Einsatz der MRT unmittelbar, möglichst am Tag der Verletzung, erfolgen. Trotz der initial hohen Kosten der kernspintomographischen Untersuchung erscheint uns das Verfahren in der Akutdiagnostik von Handgelenkesverletzungen bei Diskrepanz zwischen dem unauffälligen Röntgenbild und der klinischen Symptomatik indiziert und kosteneffektiv, da durch die adäquate Therapie chronische Handgelenksinstabilitäten und Pseudarthrosen vermieden werden können und auf diese Weise eine Reduktion der Folgekosten möglich ist. Für die Zukunft werden weitere Studien notwendig sein, die die klinische Relevanz des Langzeitverlaufes der in der MRT erhobenen Befunde überprüfen.
Die Entwicklung der Keramik von 3000 BP bis zur Gegenwart in den Tonebenen südlich des Tschadsees
(2001)
Den Kern der hier vorliegenden Arbeit bildet die Gliederung der Keramikfunde von drei Siedlungshügeln aus den Tonebenen (auch firki genannt) des südwestlichen Tschadbeckens Nordost- Nigerias. Obwohl das Gebiet in den 60er Jahren bereits archäologisch erschlossen wurde, waren die keramikchronologischen Aspekte nur oberflächlich abgehandelt worden. Ziel der Arbeit war somit die Erstellung einer grundlegenden Keramikchronologie anhand der sehr umfangreichen Fundmengen aus den Siedlungshügeln Kursakata, Mege und Ndufu. Ihre Stratigraphien erlaubten es, eine Keramikchronologie für die letzten 3000 Jahre zu erstellen. Das Gebiet der dem Tschadsee vorgelagerten firki-Tonebenen konnte erst ab 3000 BP besiedelt werden, wie die C14-Datierungen der Fundplätze bezeugen. Vorher war der auch als Chad Lagoonal Complex bezeichnete Raum von den Wassern des Mega-Tschadsees bedeckt. Diese sogenannte 3000- Jahresgrenze gilt aber nur für die firki-Region, denn in den westlich angrenzenden Sandebenen (Bama Deltaic Complex) war eine Besiedlung um 1000 Jahre früher möglich. Das Siedlungsmaterial der drei Hügel wurde mittels Veränderungen in der Keramik in Bezug auf Verzierung und Form sowie mehrerer C14-Daten in verschiedene Perioden gegliedert: Later Stone Age (1000-500 cal BC), Early Iron Age (500 cal BC-500 cal AD), Late Iron Age (500- 1600 cal AD), Historisch (16.-19 Jh. AD), Subrezent (19.-20. Jh. AD). Later Stone Age und Early Iron Age zeigen in der Keramikentwicklung eine Früh- und Spätphase. Den wichtigsten chronologischen Faktor bilden die Verzierungstechniken, denn vom Later Stone Age bis zur subrezenten Periode ist eine Abnahme von unverzierten Scherben im Verhältnis zu verzierten Scherben zu beobachten, d. h. größere Flächen wurden auf der Keramik verziert. Der Keramikhorizont von Ritz-, Stich- und Wiegebandtechnik im Later Stone Age wandelt sich über das Early Iron Age zu einem Matten- und Roulettehorizont schließlich zu einem Roulettehorizont im Late Iron Age. Den Entwicklungen in der Verzierung lassen sich Veränderungen bei den Gefäßformen gegenüberstellen, die sich von geschlossenen zu offenen Formen wandeln. Das Later Stone Age ist durch Kümpfe, dagegen das Early Iron Age durch Töpfe geprägt. Offene Schalen-Schüsseln bestimmen das Gefäßinventar ab dem Late Iron Age, aber auch verschiedene neue Gefäßtypen wie So-pots, Dreifußgefäße, Gefäße mit flachem Boden sowie solche mit langen konischem Rand treten jetzt in Erscheinung. Die zunehmende Bedeutung der Verzierungstechniken Matte und Roulette in den Fundplätzen spiegelt sich in ihrer Variationsbreite wider. Einzelne Matten- und Roulettetypen nehmen die Stellung von Leitformen ein. Im Later Stone Age sind nur Randparallele/Diagonale Geflechte und kombinierte Roulettes (cord wrapped stick roulette) vorhanden. Ab dem Early Iron Age wird das Formenspektrum erweitert. Zwirnbindige Geflechte und gezwirnte Schnurroulettes (twisted string roulette) bilden die charakteristischen Arten in der Frühphase des Early Iron Age, aber ab der Spätphase des Early Iron Age gewinnen die kombinierten Roulettes (cord-wrapped stick with spacing roulette) wieder an Bedeutung. Danach treten nur noch Roulettearten neu hinzu. Im Late Iron Age ist es das Schnitzroulette (carved roulette) und gegen Ende des Late Iron Age, aber vor allem ab der historischen Periode das gezwirnte Bandroulette (twisted strip roulette). Anders als bei den Roulettetechniken ist das Vorkommen von Matten an bestimmte Herstellungstechniken von Gefäßen gebunden, vorausgesetzt die Matten wurden nicht nach der Herstellung in die Oberfläche des Gefäßes eingeklopft. Ihr flächendeckender oder auf das Gefäßunterteil beschränkter Auftrag auf der Keramik der untersuchten Fundplätzen deutet auf die Anwendung von Treibtechnik zur Herstellung der Gefäße hin. Die begrenzte Handhabung der Matten und ihre primär technische Bedeutung (Oberflächenbehandlung) spielten vermutlich eine Rolle bei ihrer Verdrängung durch die Roulettetechnik. Insgesamt zeigt die chronologische Entwicklung der Keramik, daß die Tonebenen ohne längere Unterbrechung kontinuierlich besiedelt waren. Der Übergang von einer Periode zur nächsten ist zwar durch Veränderungen im Keramikmaterial gekennzeichnet, es werden aber immer auch verschiedene Merkmale aus der vorangegangenen Periode übernommen. Am markantesten stellt sich der Übergang vom Later Stone Age zum Early Iron Age dar. Hier finden Entwicklungen in der Keramik statt, die heute noch ihren Niederschlag (Roulettetechnik) finden. Die politischen Veränderungen im Gebiet der firki zu Beginn der sogenannten historischen Periode (Integration in das Kanem-Bornu-Reich) fallen keramiktypologisch betrachtet weniger ins Gewicht, d. h. die bestehende Keramiktradition wurde nicht vollständig durch eine andere ersetzt. Das Keramikmaterial aus den firki-Tonebenen Nordost-Nigerias zeigt, wie zu erwarten, die größten Übereinstimmungen zu dem anderer Fundplätze aus den Tonebenen der heute angrenzenden Staaten Kamerun und Tschad. Mit den Fundinventaren aus der südlich angrenzenden Mandara-Region in Kamerun und Nigeria haben unsere Keramikinventare die Entwicklung zu vorwiegend Rouletteverzierter Keramik (genauer gesagt Schnurroulette) in der Eisenzeit gemeinsam. In der nördlichen Mandara-Region scheint die Keramikentwicklung allerdings statischer verlaufen zu sein, da hier die markanten Veränderungen aus der firki während der Eisenzeit fehlen. Dennoch läßt das Keramikmaterial auf Beziehungen zwischen beiden Regionen schließen, die nach der Fundlage im Handel von Steinen und vermutlich auch Eisenerzen und Metallobjekten bestanden. Ebenso ist die politische Entwicklung in den Tonebenen (Integration in das Kanem-Bornu Reich) eng mit der in der nördlichen Mandara-Region (Bildung des Wandala-Reiches) verknüpft, was sich auch im Keramikmaterial widerspiegelt. Dagegen offenbaren die Fundstellen des östlichen Tschadbeckens in der Republik Tschad gänzlich andere Keramiktraditionen. Typische Keramikelemente aus der firki treten dort erst später oder gar nicht auf. Die Integration der firki Nordost-Nigerias in das Kanem-Bornu-Reich stellt sich als eine Verbreitung bestimmter Keramikelemente (twisted strip roulette, Sgraffito) westlich des Tschadsees (Yobe Valley) weiter nach Süden dar, wobei diese Keramikmerkmale von der autochthonen Bevölkerung westlich des Tschadsees schon vor der Ankunft der Kanuri verwendet wurden. Dies bedeutet, daß die Kanuri die Keramikmerkmale entweder von der einheimischen Bevölkerung übernommen haben oder schon vorher ein kultureller Austausch zwischen dem Yobe Valley und Kanem bestand. Die firki-Region war im Laufe ihrer Besiedlung verschiedenen Einflüssen anderer Regionen ausgesetzt. So müssen die ersten Siedler von außerhalb in das Gebiet eingewandert sein, da es längere Zeit für eine Besiedlung unzugänglich war. Weder die westlich angrenzenden Sandflächen noch die südlich angrenzenden Ebenen der Mandara-Region oder der östliche Teil des Tschadbeckens kommen derzeit dafür in Frage. Die Wirtschaftsweise der ersten Siedler deutet in nördliche Richtung, denn sie brachten domestizierte Rinder, Schafe, Ziegen und die Kenntnis vom Anbau domestizierter Perlhirse (Pennisetum glaucum) mit. Ihre Keramik steht in der Tradition des saharischen und sudanesischen Endneolithikums, was sich aus zonal begrenzten Verzierungen und der häufigen Verwendung von Ritztechnik und Spatelstich ableiten läßt. Die für das Later Stone Age in der firki typische Rouletteund Mattentechnik wurde in der Sahara/Sahel entwickelt. Ob die ersten Siedler nun aus östlicher oder westlicher Richtung kamen, läßt sich nicht definitiv sagen. Allerdings ist eine westliche Richtung durch die dort nachgewiesene Verwendung von Matten in Köperbindung und der eines kombinierten Roulette (cord-wrapped stick with spacing roulette) zu favorisieren. Der Übergang zum Early Iron Age in der firki ist mit neuen Einflüssen aus der südwestlichen Sahara und dem angrenzenden Sahel verbunden. Dies geht aus der Verwendung von twisted string roulette und zwirnbindiger Geflechte hervor. Auch wirtschaftlich hat mit Beginn des Early Iron Age ein Wandel stattgefunden, denn zu diesem Zeitpunkt setzt ein großflächiger Anbau von Perlhirse (Pennisetum glaucum) ein. Erst jetzt kann man von einer vollentwickelten seßhaften Lebensweise in der firki sprechen. Archäobotanische und archäozoologische Untersuchungen bezeugen einen Umschwung zu arideren klimatischen Bedingungen am Übergang vom Later Stone Age zum Early Iron Age, der die wirtschaftlichen Veränderungen nach sich gezogen haben könnte. Die grundlegenden Veränderungen in der Keramik unterstützen diese Hypothese, denn sie spiegeln vielleicht dieselbe Entwicklung nur auf anderer Ebene wider. Der Einfluß von Keramiktechniken aus dem Nordwesten läßt Bevölkerungsverschiebungen aus dem trockenen Norden in die von Wasservorkommen begünstigten firki-Tonebenen vermuten. Ein Einfluß aus anderer Richtung zeigt sich für das Late Iron Age. So hat sich wahrscheinlich die Technik des carved roulette im Savannenraum von Nigeria, Kamerun und der Zentralafrikanischen Republik entwickelt und weiter ausgebreitet. Für die historische Periode und den mit ihr in Zusammenhang stehenden politischen Veränderungen wurde schon auf Einflüsse aus dem westlichen Tschadbecken (Yobe Valley) Nordost-Nigerias hingewiesen. Dennoch muß die Bevölkerung in den Tonebenen nicht erst mit der Ausbreitung der Kanuri am Ende des 16. Jh. AD mit der Verwendung von twisted strip roulette in Berührung gekommen sein, wie Funde aus dem Late Iron Age zeigen. Diese Technik ist typisch für die Eisenzeit in Mali, sie wurde aber auch im 1. Jt. AD in der nördlichen Mandara-Region vereinzelt verwendet. Die Verbreitung der Roulette- und Mattentechniken ist für die Rekonstruktion von Beziehungen zu anderen Regionen ausschlaggebend. Am Keramikmaterial von Kursakata, Mege und Ndufu läßt sich sehr gut beobachten, daß verschiedene Roulette- und Mattentechniken hier zeitlich versetzt voneinander im Later Stone Age und Early Iron Age in Gebrauch kommen, die weiter nördlich schon im Later Stone Age bekannt waren und gemeinsam verwendet wurden. Die Bedeutung von twisted string roulette als Indikator für das Early Iron Age teilen sich die Fundplätze aus der firki mit anderen Fundplätzen aus dem Savannenraum. In der firki stehen Schnurroulettes und zwirnbindige Geflechte als Synonym für Eisen und seßhafte Lebensweise. Mit der hier vorliegenden Arbeit ist zum ersten Mal eine grundlegende Keramikchronologie für die firki-Tonebenen Nordost-Nigerias erstellt worden. Die verschiedenen Verzierungstechniken und auch die bislang wenig berücksichtigten Gefäßformen wurden näher bestimmt. Weiterhin ermöglichten es die Analysen, das Fundmaterial anderer Plätze besser zu beurteilen bzw. eine fundiertere Grundlage für Vergleiche zu bilden, d. h. es wurde ein detaillierter und kritischer Vergleich mit allen wichtigen Fundplätzen aus dem südlichen Tschadbecken vorgenommen. Darüber hinaus wurden die für die Keramikchronologie wichtigen Roulette- und Mattentechniken dokumentiert und anhand ihrer technischen Merkmale definiert. Eine zusammenfassende Darstellung zur Verbreitung der Rouletteund Mattentechniken in Afrika erlaubte es, ihre Vorkommen in Nordost-Nigeria in einen größeren vorgeschichtlichen Zusammenhang zu sehen. Somit bietet die hier vorliegende Arbeit genügend Grundlagen, auf die nachfolgende Forschungen aufbauen können. Für das östliche Tschadbecken und die nördliche Mandara Region steht bislang eine solche Keramikchronologie noch aus.
Das zeitdiskrete Rohrmodell besitzt für die Modellierung der menschlichen Sprachproduktion eine wichtige theoretische und praktische Bedeutung, da es ein mathematisch handhabbares Modell darstellt und zugleich eine vereinfachte akustische Beschreibung des Sprechtraktes beinhaltet. Dies ist einerseits begründet durch die modellhafte Beschreibung der Ausbreitung von ebenen Wellen durch den Sprechtrakt und andererseits in der Darstellung des Rohrmodells als zeitdiskretes lineares System. Erst durch die Verfügbarkeit von adäquaten Schätzalgorithmen, welche die Modellparameter aus dem Sprachsignal bestimmen, ist das Rohrmodell für Anwendungen in der Sprachverarbeitung interessant. Diese liegen allerdings nur für die einfachsten unverzweigten Rohrmodelle vor, welche den Sprechtrakt nur stark vereinfacht modellieren. Für erweiterte Rohrmodelle existieren nur in eingeschränkter Weise adäquate Schätzalgorithmen, mit denen die Modellparameter aus dem Sprachsignal geschätzt werden können. Daher wird mit dieser Arbeit versucht diesen Mißstand aufzulösen, wofür Schätzalgorithmen auch für erweiterte Rohrmodelle entwickelt und vorgestellt werden. Die Erweiterungen des Rohrmodells beziehen sich auf Rohrverzweigungen, die auch mehrfach auftreten können, und Rohrabschlüsse, die frequenzabhängig oder zeitvariabel sein können. Zusätzlich werden Sprechtraktmodelle behandelt, die zwei Systemausgänge aufweisen. Dies wird für Analysen von getrennt aufgenommenen Mund- und Nasensignalen von nasalierten Lauten diskutiert, um die Lippen- und Nasenabstrahlung einzeln zu berücksichtigen. Ebenso werden verzweigte Modelle mit zwei Systemausgängen für eine Beschreibung des Nasaltraktes unter Berücksichtigung der beiden Nasengänge behandelt. Die Erweiterungen des Rohrmodells durch Verzweigungen und angepaßte Rohrabschlüsse ermöglichen eine genauere Beschreibung des Sprechtraktes infolge der Verzweigungen durch den Nasaltrakt und infolge der Abschlüsse an den Lippen, Nasenlöchern und der Glottis. Die Parameterbestimmung wird durch Minimierung eines Fehlers durchgeführt, welcher ein spektrales Abstandsmaß zwischen dem Rohrmodell und dem analysierten Sprachsignal darstellt. Für die Definition des Fehlers wird die inverse Filterung herangezogen, welche eine Leistungsminimierung des Ausgangssignals des inversen Systems beinhaltet. Dabei hat sich gezeigt, daß die Fehlerdefinition der inversen Filterung modifiziert werden muß, um auch erfolgreich auf erweiterte Rohrmodelle angewendet werden zu können. Die Modifikation kann für erweiterte Rohrmodelle einheitlich für den zeitinvarianten und zeitvariablen Fall vorgestellt werden. Über den allgemeinen Ansatz der Schätzung hinaus werden auch effiziente Schätzverfahren für ausgewählte Rohrstrukturen und allgemeine Pol-Nullstellen-Systeme vorgestellt. Die diskutierten Schätzverfahren ermöglichen eine gute Approximation der Sprachspektren durch die Modellbetragsgänge. Darüber hinaus konnte auch gezeigt werden, daß durch entsprechende Rohrmodellstrukturen und eine geeignete Vorverarbeitung des Sprachsignals realistische Querschnittsflächen des Sprechtraktes geschätzt werden können. Daher eignen sich die erweiterten Sprechtraktmodelle auch für die Sprachproduktion. In Synthesebeispielen wurden Lautübergänge auf der Basis von geschätzten Vokaltraktflächen realisiert und in Resynthesebeispielen mittels unverzweigter Rohrmodelle wurde insbesondere die Anregung der Modelle diskutiert. Daß durch die Verwendung von Rohrmodellen auch Lauttransformationen möglich sind, zeigt die vorgestellte künstliche Nasalierung von Sprachsignalen unnasalierter Laute, welche mittels verzweigter Rohrmodelle und Analysen von getrennt aufgenommenen Mund- und Nasensignalen erreicht werden konnte.
Durch die beiden Ionisationstechniken Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI) und Electrospray-Ionization (ESI) sind Biopolymere für die Massenspektrometrie zugänglich geworden und die Zahl der biochemischen Applikationen ist sprunghaft angestiegen. Dagegen sind die zugrundeliegenden Prozesse der Ionenbildung nur zum Teil bekannt. Bei MALDI wird die Laserstrahlung durch die Matrix absorbiert, wodurch es zur explosiven Auflösung der festen Phase unter Bildung von geladenen Molekülen kommt. Der genaue Mechanismus vom Festkörper zum gasförmigen Ion ist nur teilweise aufgeklärt und Gegenstand vieler Diskussionen. Eine wichtige Funktion der Matrix ist die räumliche Separierung und Isolierung der Analyte beim Einbau in die Matrixkristalle. Während der Einschluß von Molekülen in Wirtskristalle schon früh als wesentliches Merkmal von MALDI erkannt wurde, ist bisher noch nicht systematisch untersucht worden, in welcher Form die Analyte im Kristall vorliegen. Genau diese Information ermöglicht jedoch Aussagen über die Relevanz verschiedener Mechanismen der Ionenbildung bei MALDI. Die Bestimmung des Ausgangszustandes des Analyten im Matrixkristall und die Abschätzung möglicher Reaktionen bei der nachfolgenden Freisetzung der Analytionen ist das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit. In dieser wurde insbesondere der Ladungszustand der Analyte sowie der Einschluß von Lösungsmittel untersucht. Des weiteren wurden Experimente zur Zahl und Koordination möglicher Gegenionen, zur Neutralisation dieser Ionenpaare und zur Adduktbildung bei MALDI durchgeführt. Die Ergebnisse erlauben Aussagen über primäre und sekundäre Ionisationsreaktionen, die zu einem stimmigen Bild der Ionenbildung bei MALDI zusammengefaßt wurden. Grundlage des vorgestellten Modells sind bereits veröffentlichte Modelle, deren wesentliche Aspekte teilweise schon in den ersten Jahren nach der Einführung von MALDI, zu einem erheblichen Teil aber erst in jüngster Zeit erkannt wurden. Einen erneuten Anstoß für die Diskussion um den Mechanismus von MALDI gab die Hypothese, daß die Ionisation eng mit der Bildung von Clustern verbunden ist und dabei sowohl eine Freisetzung präformierter Ionen als auch nachfolgende Reaktionen unter Transfer von Protonen und Elektronen erfolgen. Der Ausgangspunkt für all diese Prozesse ist der Analyt im Matrixkristall. Die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente zeigen, daß einige wesentliche Postulate des "Cluster-Modells" richtig sind. Insbesondere konnte der Beweis geführt werden, daß Analyte geladen im Matrixkristall existieren und daß die gelöste Form des Analyten weitgehend im Matrixkristall konserviert wird. Als einfache Testsysteme wurden Matrixlösungen mit verschiedenen pH-Indikatoren versetzt und die Farbe der Kristalle dokumentiert. Dabei zeigte sich, daß in Abhängigkeit vom pH-Wert der Lösung sowohl Moleküle mit einer positiven oder negativen Nettoladung als auch neutrale Zwitterionen gleichermaßen effizient in Matrixkristalle eingebaut werden. Die Ladung aller sauren und basischen funktionellen Gruppen des Analyten im Kristall ist damit durch den pH-Wert der Matrixlösung bestimmt. Wenn eine Nettoladung vorhanden ist, muß zudem diese Ladung durch Gegenionen kompensiert sein, so daß Ionenpaare entstehen. Aber auch bei Zwitterionen können Gegenionen vorhanden sein. Darüber hinaus gelang durch 1H-NMR-Spektroskopie der Nachweis, daß Lösungsmittel im Kristall eingeschlossen ist und selbst nach Trocknen der Kristalle bei erhöhter Temperatur oder im Vakuum dort verbleibt. Dies führt zu dem anschaulichen Bild, daß Analyte in Abhängigkeit vom pH-Wert als "Multi-Ionenpaare" und partiell solvatisiert im Matrixkristall konserviert werden. Ausgehend von diesen präformierten, solvatisierten Ionenpaaren wird durch den plötzlichen Energieeintrag des Laserpulses die explosive Bildung von Clustern ausgelöst. Für die Bildung von geladenem Clustern gibt es zwei plausible Erklärungsansätze. Durch die Existenz der geladenen Analyte im Kristall ist eine besonders einfache Ionisation unter Freisetzung "präformierter" Ionen durch die Trennung eines Ionenpaares denkbar. Eine zweite Möglichkeit wäre die Photoionisation eines Matrixmoleküls mit nachfolgendem Protonentransfer. Da aber stets negative Ladungen vorhanden sind (entweder im Analyten selbst oder als Gegenion), wird bevorzugt ein Anion neutralisiert. In beiden Fällen entsteht ein Cluster, der durch ein fehlendes oder neutralisiertes Gegenion geladen ist. Die Freisetzung des Analytions erfolgt durch Verdampfen von Neutralmolekülen (Matrix, Lösungsmittel). Ionenpaare werden durch Protonentransfer neutralisiert, so daß kleine Neutralmoleküle abdampfen und mit Ausnahme von Metallkationen keine ionischen Addukte detektiert werden. Der Protonierungsgrad des Analyten beim Einbau hat einen erheblichen Einfluß auf die detektierten Ionen. Sind bereits in Lösung und damit im Kristall positiv geladene Gruppen vorhanden, werden besonders leicht protonierte Molekülionen gebildet. Dagegen entstehen aus deprotonierten Vorläuferionen (in der Regel negativ geladen) verstärkt kationisierte Molekülionen. Dabei ist nicht die Nettoladung entscheidend, sondern die Existenz und Anzahl positiver und negativer Gruppen im Analyten. Die Kationisierung erfolgt bereits im Kristall, da die Ionen eine hohe, MALDI-typische Anfangsgeschwindigkeit zeigen. Die Koordination der Kationen an der negativen Ladung verhindert die Neutralisation durch Protonierung, die wesentlich für die Freisetzung von protonierter Molekülionen ist. Diese Neutralisation von Ionenpaaren ist auch die Ursache dafür, daß Anionenaddukte normalerweise nicht nachgewiesen werden. Durch Zugabe einer sehr starken Säure wird jedoch diese Zwischenstufe stabilisiert und erscheint in Form von Anionenaddukten im Spektrum. Dabei zeigte sich, daß die Anzahl der detektierten Addukte mit der Zahl der basischen Stellen im Analytmolekül korreliert, welches den Einbau von (mehrfach) geladenen Analytionen zusammen mit ihren Gegenionen bestätigt. Neben der Koordination der Anionen an positiv geladenen Stellen des Analyten ist die Energiebilanz des Protonentransfers dafür entscheidend, ob die Anionenaddukte den MALDI-Prozeß überstehen, so daß Anionen mit einer vergleichsweise geringen Gasphasenbasizität zur Adduktbildung neigen. Des weiteren kann die Konkurrenz verschiedener Anionen bei der Bildung der Ionenpaare eine Verschiebung der Adduktverteilung bewirken. Aber auch eine höhere Energiezufuhr (z.B. durch höhere Laserenergie) bewirkt eine verstärkte Neutralisation der Ionenpaare, wobei ein erheblicher Anteil metastabiler Fragmentierungen auftritt. Die Koordination von Gegenionen und die "metastabile Neutralisation" führt bei Verbindungen, die zur Ionenpaarbildung neigen, zur Peakverbreiterung und zu einer begrenzten Auflösung. Darüber hinaus sind bei MALDI weitere Sekundärreaktionen beteiligt. Dazu zählt die Übertragung von Wasserstoffatomen, die wahrscheinlich auch die Ursache für prompte Fragmentierungen ist (in-source decay, ISD). Ob eine Ladungsreduktion mehrfach geladener Vorläuferionen durch Elektronen auch bei Biopolymeren eine wesentliche Rolle spielt, bleibt dagegen weiterhin offen. Durch die in Abhängigkeit von der Nettoladung zunehmende Coulomb- Anziehung der koordinierten Gegenionen werden vermutlich erst gar keine hochgeladenen Ionen in die Gasphase freigesetzt. Die vorgestellten Ergebnisse ergeben ein plausibles, qualitatives Bild der Ionenbildung bei MALDI. Es wurde gezeigt, daß die gelöste Form des Analyten inklusive Ladungen, Gegenionen und Solvathülle bei der Kristallisation weitgehend erhalten bleibt, und daß diese Ausgangssituation entscheidend für die Art der letztendlich gebildeten Gasphasenionen ist. Zudem ist nicht die Protonierung neutraler Analyte, sondern eine Neutralisation von Ionen(paaren) durch Protonentransfer ein zentraler Bestandteil von MALDI.
Über lange Zeit wurden in der EPR-Spektroskopie hauptsächlich cw-Experimente bei einer Mikrowellenfrequenz von 9 GHz durchgeführt. In den letzten 10 bis 15 Jahren aber haben zwei verschiedene Entwicklungen immer stärkere Verbreitung gefunden. Dies sind zum einen die Verwendung von immer höheren Magnetfeldern und damit Mikrowellenfrequenzen, und zum anderen die Anwendung von Puls-Experimenten. Hochfeld-EPR bietet zwei wesentliche Vorteile gegenüber den klassisch verwendeten Magnetfeldstärken. Dies ist einerseits die erhöhte spektrale Auflösung bei Systemen mit anisotropen g-Tensoren, andererseits die höhere absolute Empfindlichkeit in Verbindung mit einem geringeren Probenvolumen. Puls-Experimente andererseits bieten die Möglichkeit, Informationen zu gewinnen, die mit cw-EPR Spektroskopie nicht oder nur sehr schwer zu erhalten sind. Die Kombination dieser beiden Weiterentwicklungen der EPR-Spektroskopie eröffnet die Möglichkeit, mittels mehrdimensionaler Spektroskopie detaillierte orientierungsabhängige Informationen zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Puls EPR-Spektrometer aufgebaut, welches bei einer Mikrowellenfrequenz von 180 GHz und einem statischen Magnetfeld von 6,4 T arbeitet. 180 GHz ist derzeit weltweit die höchste Mikrowellenfrequenz, bei der routinemäßig ein zylindrischer Hohlraumresonator verwendet wird und bei der Puls EPR-Experimente durchgeführt werden. Da bei solchen Mikrowellenfrequenzen einige benötigte Bauteile nicht mehr in konventioneller Bauweise erhältlich sind, wurden quasioptische Elemente verwendet, um einen Zirkulator aufzubauen. Der Transport der Mikrowellenstrahlung von der Quelle zur Probe und von dort zurück zur Detektion geschieht mittels überdimensionierter Hohlleiter, um die Verluste zu minimieren. Ein zylindrischer Hohlraumresonator wird in einer fundamentalen Mode betrieben, um am Probenort die für Puls-Experimente notwendige Mikrowellenleistung zu erzeugen. Mit der erreichten Mikrowellenleistung und der Ankopplung des Resonators werden Pulslängen von ca. 60 bis 80 ns für Systeme mit S=1/2 erzielt. Die Eigenschaften des aufgebauten Spektrometers wie die Empfindlichkeit oder die Totzeit im Pulsbetrieb werden ausführlich dargestellt und diskutiert. Ebenso werden die Eigenschaften der implementierten Spektrometersteuerung, insbesondere im Hinblick auf das Zeitverhalten bei Puls-Experimenten, dargestellt und diskutiert. Im letzten Teil der Arbeit wird ein ausführliches Anwendungsbeispiel für Hochefeld-EPR diskutiert. Das Ras-Protein spielt eine wichtige Rolle in der intrazellulären Signalweiterleitung und reguliert solche Prozesse wie Zellwachstum, Differentiation und Apoptose. In ca. 30 % aller menschlicher Tumore werden Mutationen dieses Proteins gefunden, was die wichtige Rolle dieses Proteins demonstriert. Trotz dieser wichtigen Funktion ist der genaue Mechanismus des Aktivierungszykluses noch nicht im Detail aufgeklärt worden. Mittels cw-EPR Spektroskopie wurden die GDP-gebundenen inaktiven Proteinkomplexe verschiedener Mutanten untersucht. Durch Messungen in H217O-angereichertem Wasser konnte gezeigt werden, dass bei Raumtemperatur beim Wildtyp ein Wasserligand weniger am aktiven Zentrum der Proteinkomplexe vorliegt als bei einer onkogenen Mutante. Dieses Ergebnis widerspricht den bisher durch verschiedene Röntgenstrukturuntersuchungen gewonnen Erkenntnissen. Es wird ausführlich darüber diskutiert, dass diese unterschiedlichen Ergebnisse vermutlich auf Kristallbildungseffekte zurückzuführen sind.
Durch Substitution der vier Cysteine des a-Amylase-Inhibitors Tendamistat wurden Disulfidmutanten erzeugt. Zur Herstellung wurde im Rahmen dieser Arbeit die statistische Mutagenese angewandt. Die beiden Mutanten 11H27I45R73T und 11H27N45S73D wurden mit einem kombinierten Verfahren aus Olignukleotidsynthese und PCR erzeugt. Dieses hat als Grundlage die Genkassette, die in pT136 und pAX5a enthalten ist. Durch die gleichzeitige Veränderung beider Cysteine einer Disulfidbrücke sind Probleme mit der Einschränkung in der Variantenvielfalt nicht vorhanden, sowie mehrfache Mutationszyklen nicht notwendig. Die 4-fach-Mutanten wurden in Streptomyces lividans kloniert und exprimiert. Dabei konnte gezeigt werden, daß stabiles Tendamistat erhalten wird. Damit wurde Disulfidbrücken-freies Tendamistat erhalten, ohne zusätzliche Mutationen einführen zu müssen.
In dieser klinischen Studie wurden 10 normalgewichtige und 10 übergewichtige Patienten mit Diabetes mellitus 2 und einer unbehandelten diabetischen Polyneuropathie über vier Wochen mit a-Liponsäure 1200 mg/die per os behandelt. Vor und nach der Therapie wurde ein intravenöser Glucosebelastungstest bei jedem Patienten durchgeführt und die ermittelten Glucose-, Insulin-, Pyruvat- und Lactatspiegel mit einer Kontrollgruppe (10 normalgewichtige und 10 übergewichtige normoglykämische Kontrollpersonen) verglichen. Die SI und SG Werte wurden mit Hilfe der Minimalmodeling Technik ermittelt. In dieser Studie wurden folgende Ergebnisse erzielt: 1. Die SI- und SG-Werte waren bei der normalgewichtigen Kontrollgruppe höher als bei den übergewichtigen Kontrollpersonen. 2. Die SI und SG waren bei beiden diabetischen Gruppen verglichen mit den Kontrollgruppen vermindert. 3. Die SI-Verminderung in beiden diabetischen Gruppen deutet auf eine primäre Insulinresistenz hin, die für die Entwicklung der Erkrankung entscheidend ist. 4. Bei den Kontrollgruppen waren die Nüchternpyruvatspiegel bei den Über-gewichtigen höher als bei den Normalgewichtigen, wobei die Steigerung der Lactat- und Pyruvatspiegel und damit die errechnete AUC für Pyruvat und Lactat unter dem Glucosebelastungstest keine signifikanten Unterschiede in beiden Gruppen zeigte. 5. Die Nüchternlactatspiegel waren sowohl bei normal- als auch bei übergewichtigen Patienten mit Diabetes mellitus 2, verglichen mit der jeweiligen Kontrollgruppe, deutlich erhöht. Die Nüchternpyruvatspiegel waren bei übergewichtigen Diabetikern jedoch deutlich höher als bei normalgewichtigen Diabetikern. 6. Die deutlich erhöhten Lactat- und Pyruvatspiegel im Nüchternzustand bei diabetischen Patienten weisen auf eine beeinträchtigte basale Glucoseoxidation hin. 7. Unter intravenöser Glucosebelastung stiegen die Pyruvatspiegel stärker als die Lactatspiegel an und waren vor allem bei übergewichtigen Diabetikern deutlich erhöht. Dieser starke Anstieg belegt die verminderte Glucoseoxidation bei Diabetikern. 8. Die vierwöchige a-Liponsäuretherapie verbessert signifikant die SG sowohl bei normalgewichtigen- (** P<0.01) als auch bei übergewichtigen Diabetikern (* P<0.05). Der Therapieeffekt von a-Liponsäure auf die SI war bei normalgewichtigen Patienten deutlich höher als bei übergewichtigen Patienten. Der SG- und SI-Effekt auf die Glucose-Wiederaufbaurate war nach der Therapie verbessert. 9. Bei normalgewichtigen Patienten führte eine vierwöchige a-Liponsäuretherapie zu einer verbesserten Glucoseverstoffwechselung. Der weniger ausgeprägte Therapieeffekt von a-Liponsäure bei übergewichtigen Diabetikern mag wohl auf der Schwere der Stoffwechselentgleisung in dieser Patientengruppe beruhen. 10. a-Liponsäure führte zu einer deutlichen Abnahme der AUC für Pyruvat und Lactat in beiden Gruppen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass a-Liponsäure wahrscheinlich über eine Stimulation auf dem Niveau des Pyruvat-Dehydrogenasekomplexes wirkt. a.Liponsäure scheint also sowohl im Nüchternzustand als auch unter Glucosebelastung die Glucoseoxidation bzw. den Pyruvatmetabolismus zu verbessern. Bei Patienten mit Diabetes mellitus 2 ist die Glucoseabbaurate durch eine verminderte aerobe und anaerobe Glucoseoxidation gehemmt. Grund dafür ist wahrscheinlich eine PDH Aktivitätsabnahme. Die ständige Hyperglycämie führt zu einer Zunahme der Pyruvat- und Lactatkonzentration und einer Abnahme der SI und SG. Die orale Einnahme von a-Liponsäure beschleunigt anscheinend den intrazellulären Glucosemetabolismus durch Stimulation der PDH und erhöht das intrazelluläre Redox- potential. Es kommt dadurch wahrscheinlich zu einer Verbesserung der Energiegewinnung aus Phosphaten und mobilisiert den Glucosetransporter, wodurch sich der Glucosetransport in die Muskelgewebe verbessert. Damit führt a-Liponsäure zu einer verbesserten Glucoseutilisation bei Patienten mit Diabetes mellitus 2.
Die Osseointegration in der dentalen Implantologie wurde anhand einer Literaturübersicht dargestellt und ausgewertet. Die Literaturübersicht beinhaltet Verlaufsstudien, in vitro und in vivo Studien, die ultrastrukturelle, biomechanische und biochemische Untersuchungen und deren Resultate aufzeigen. Im 1. Kapitel wurden die Kriterien zur Beurteilung des Implantaterfolges dargestellt. Es lässt sich feststellen, dass nicht nur ein Implantatverlust als Misserfolg zu bewerten ist, sondern auch klinische und röntgenologische Erfolgskriterien eine Rolle spielen. Die Mobilität, der Knochenabbau, Entzündungsreaktionen, Schädigungen von anatomischen Strukturen und die Funktionstüchtigkeit des Implantates werden mitbewertet. Im 2. Kapitel wurden die Voraussetzungen für die Erzielung der Osseointegration aufgezeigt. Zu diesen gehören die Physiologie der Knochenheilung, die Implantatwerkstoffe, das operative Vorgehen und die Einheilungsphase. Der Vorgang der Knochenheilung, speziell der primären Frakturheilung, wird der Implantateinheilung gleichgesetzt. Dies bedeutet, dass ein ausreichender belastungsfreier Zeitraum für die Implantateinheilung einzuhalten ist. Bei den Implantatwerkstoffen wurden die Metalle und die Keramiken verglichen. Der Implantatwerkstoff der Wahl ist aufgrund seiner mechanischen und biokompatiblen Eigenschaften das Titan. Andere Materialien, wie z.B. Tantal und Hydroxylapatit, haben sich als problematisch erwiesen. Beim operativen Vorgehen haben sich die Aspekte der atraumatischen, aseptischen und standardisierten Operationsbedingungen als vorteilhaft erwiesen. Der Einfluss der Knochenqualität und des Implantatdesigns auf die erreichbare Primärstabilität wurde dargestellt. Bei der Einheilphase wurde eine Übersicht über die bis dato gültigen Einheilzeiten gegeben. Die Vorgänge während der Implantateinheilung wurden unter Bezug auf die ultrastrukturellen Aspekte dargestellt. Der Einfluss von osteogenetischen Faktoren wurde speziell aufgezeigt. Die Implantateinheilung ist als komplexer Vorgang zu verstehen, bei dem die Wechselwirkung der verschiedenen Faktoren eine wichtige Rolle spielt. Die Morphologie des Interface wurde anhand von Studien diskutiert. Unterschiede in der Morphologie sind in Abhängigkeit von den Implantatwerkstoffen, der Remodelingphase und den verschiedenen Versuchstieren zu finden. Im 3. Kapitel wurden die Voraussetzungen für den Erhalt der Osseointegration besprochen. Zu diesen gehören die Knochenbelastung, die Konstruktionsprinzipien dentaler Implantate, die prothetischen Konzepte und Implantat-Systembeispiele. Bei der Knochenbelastung wurden die Aspekte der okklusalen Überbelastung, der axialen bzw. nicht-axialen Krafteinleitung, Zahn-Implantat- und rein implantat-getragene Rekonstruktionen und materialabhängige Faktoren der Suprakonstruktion berücksichtigt. Hierbei stellte sich heraus, dass Überbelastungen vermieden werden sollten. Die Art der Krafteinleitung sowie die Verbindung von Implantaten mit der natürlichen Bezahnung haben keinen negativen Einfluss auf die Osseointegration. Rekonstruktionen auf Kuststoffbasis werden als problematisch dargestellt. Bei den Konstruktionsprinzipien wurden die Bereiche des enossalen Teils, die Implantatdimension, die Implantatform, der Durchtritt durch die Weichgewebe und die Position der Implantatoberkante dargestellt. Die Unterschiede in den Konstruktionsprinzipien der dentalen Implantate sind heutzutage gering und sind in der Strukturierung der Oberflächen, der Positionierung der Implantatoberkante und im Durchtritt durch die Weichgewebe zu finden. Die Bedeutung der Weichgewebsmanschette beim Osseointegrationsvorgang wurde hervorgehoben. Die Vorteile von konischen Schraubenimplantaten im Vergleich zu Zylinderimplantaten werden aufgezeigt. Ein wurde ein Überblick über die etablierten Okklusionskonzepte und prothetischen Konzepte gegeben. Eine Abhängigkeit von der Ausgangssituation im natürlichen Restgebiss wurde festgestellt, so dass das Konzept sich nach dieser richten muss. Bei den Systembeispielen wurden sechs Implantattypen dargestellt: das Brånemark-System, das Astra-System, das Ankylos-System, das Frialit 2, das ITI- und das 3i-System. Im 4. Kapitel wurden weitere Einflüsse auf die Osseointegration diskutiert. Dazu gehören die Knochenqualität, die Regenerationsfähigkeit des Knochens, neue OP-Verfahren, "neue" Oberflächen und deren Wirkung auf die zelluläre Umgebung, die fraktionierte Lasteinleitung und die Früh- und Sofortbelastung. Die Beurteilung der Knochensituation, d.h. das Erkennen von Veränderungen, die Evaluation der Knochendichte und die Regenerationsfähigkeit des Knochens wurden als prächirurgische Aspekte besprochen. Neue Op-Verfahren wie die Knochen -kondensation und -verdrängung wurden als Möglichkeit vorgestellt, die eine Implantatversorgung auch in schwierigen anatomischen Verhältnissen erlaubt. Der Einfluss der Implantatoberfläche auf den Knochen-Implantatkontakt, die Verankerungsfestigkeit und die Zellaktivität wurde dargestellt. Bei den Implantatoberflächen ist erkennbar, dass eine Vergrößerung der Gesamtoberfläche durch Mikro und -Makrostruktur angestrebt wird. Eine optimale Primärstabilität durch einen besseren Verzahnungseffekt wird dadurch möglich. Die Prinzipien der fraktionierten Lasteinleitung und des progressive bone loadings, sowie die Früh- und Sofortbelastung wurden vorgestellt. Eine Verkürzung der Einheilphase und somit eine Frühbelastung ist unter optimierten Bedingungen möglich. Ein sich anschließendes Knochentraining verbessert die vorgefundene Knochensituation und somit die Prognose der Implantattherapie. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass eine Osseointegration unter Einhaltung von standardisierten Operationsbedingungen mit jedem der hier vorgestellten Implantattypen erzielbar ist. Beim Erhalt der Osseointegration spielen die Unterschiede bei den Implantattypen und die Belastung über die prothetische Versorgung eine wichtige Rolle.
Die Dissertationsarbeit mit dem Titel "Aufhebung der peripheren Immuntoleranz durch Kopplung eines Melanomantigens mit immunogenen Fremdproteinen" befasst sich mit der Weiterentwicklung einer effektiven Melanomvakzine im tierexperimentellen Modell im Hinblick auf die spätere klinische Anwendung im Patienten. Als Antigen wurde das in Melanomzellen und in Melanozyten natürlicherweise exprimierte Protein TRP2 verwendet. Dieses Antigen kann bei Mäusen und Menschen von zellulären Komponenten des Immunsystems erkannt werden. Durch die Fusion des wenig immunogenen Selbstantigens mTRP2 mit dem immunogenen Fusionspartner EGFP gelang es bei C57BL/6 Mäusen, die körpereigene Toleranz gegen Selbstantigene zu umgehen und so eine antigenspezifische Immunantwort zu induzieren. In den mit der cDNA von EGFPmTRP2aa30-519 immunisierten Mäusen konnte eine vitiligoartige Felldepigmentierung nachgewiesen werden, die nach Immunisierung mit der cDNA von mTRP2 nicht beobachtet wurde. In diesen Tieren ließen sich auch im Elispot TRP2-spezifische T-Zellen nachweisen. Tiere, die mit Ad-EGFPmTRP2aa30-519 immunisiert wurden waren gegen das Wachstum von transplantierten Melanomzellen geschützt. Eine Immunantwort und ein Tumorschutz konnte jedoch nur induziert werden, wenn eine direkte Fusion zwischen dem Selbstantigen TRP2 und dem immunogenen Fusionspartner EGFP besteht. In Versuchen mit knockout Mäusen und Depletionsexperimenten konnte gezeigt werden, das CD4+ T-Zellen eine entscheidende Rolle in der Primingphase CD8+T-Zellen von die Induktion von antigenspezifischen CD8+T-Zellen spielen. In weiteren Experimenten nach Immunisierung mit dem Fusionskonstrukten EGFPmTRP2aa30-188, EGFPmTRP2aa30-179 und EGFPmTRP2aa180-188 konnte gezeigt werden, dass das Peptidepitop mTRP2 aa180-188 für die Induktion einer Felldepigmentierung und für eine effektive Abwehr von transplantierten Melanomzellen vorhanden sein muss. Um den Einfluss von kompetitiven MHC-Klasse I bindenden Peptidepitopen auf die Induktion einer Immunantwort zu untersuchen wurden Mäuse mit dem Fusionskonstrukt ß-Galaktosidase-mTRP2aa180-188 immunisiert. In diesen Mäusen konnte eine vtiligoartige Felldepigmentierung der beschossenen Bauchhaut und im Elispot-Test gleichzeitig TRP2 und ß-gal spezifische T-Zellen nachgewiesen werden. Im Gegensatz zu Arbeiten anderer Arbeitsgruppen scheint in diesem System keine kompetitive Hemmung zwischen dem ß-gal und dem TRP2 Peptid zu bestehen. Um den Einfluss der Kopplung auf die intrazelluläre Lokalisation zu charakterisieren wurden Fusionskonstrukte bestehend aus EGFP und mTRP2 mit unterschiedlichen Lokalisationssequenzen generiert, DCEK-Zellen stabil transfiziert und die intrazelluläre Lokalisation mit konfokaler Mikroskopie bestimmt. Nach Immunsisierung von Mäusen mit diesen Fusionskonstrukten konnte gezeigt werde, das die intrazelluläre Lokalisation keinen Einfluss auf die Entstehung einer Immunantwort hat. Für die spätere Anwendung der Kopplung in klinischen Studien wurde ein Fusionskonstrukt bestehend aus mTRP2 und dem gut charakterisiertem Antigen des humanen Cytomegalovirus pp65 generiert. Nach Gene-Gun Immunisierung von C57BL/6 Mäusen mit pp65mTRP2 zeigte sich ähnlich wie bei EGFPmTRP2 eine vitiligoartige Felldepigmentierung. Im Elispot-Test ließen sich TRP2 spezifische T-Zellen nachweisen. Das Ergebnis bestätigt die Annahme, dass auch pp65 zur Verstärkung einer antigenspezifischen Immunantwort gegen ein wenig immunogenes Selbstantigen in der Lage ist.
MHC Klasse I Moleküle liegen im Endoplasmatischen Reticulum (ER) als Dimer bestehend aus einer schweren Kette mit Transmembrandomäne und einem 12 kDa-Protein, dem ß2-Mikroglobulin vor. Nach der Beladung des MHC-Klasse I-Moleküls mit einem antigenen Peptid, welche vorwiegend im Cytosol durch proteasomalen Abbau generiert und durch den Transportkomplex TAP ins ER transloziert werden, findet der Transport des MHC-Peptid-Komplexes zur Zelloberfläche statt. Dort wird das Antigen cytotoxischen T-Zellen präsentiert. An der Assemblierung und Reifung von MHC-Klasse I-Molekülen sind verschiedene Chaperone beteiligt. Eine wichtige Rolle beim Peptidbeladungsprozess von MHC-Klasse I-Molekülen spielt Tapasin. Dabei handelt es sich um ein 48 kDa, MHC-codiertes Typ I Transmembran-Glycoprotein aus der Immunglobulinsuperfamilie. Es verbrückt den TAP-Komplex mit MHC-Klasse I-Molekülen, hält unbeladene MHC-Klasse I-Moleküle im ER zurück und führt eine Qualitätskontrolle des gebundenen Peptids durch. Bei dieser Peptideditierung werden Peptide wieder selektiv aus der MHC-Bindungstasche entfernt, wenn sie mit einer niedrigen Affinität gebunden sind. Dadurch wird sichergestellt, dass keine leeren oder suboptimal beladenen MHC-Peptid-Komplexe an die Zelloberfläche gelangen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein System etabliert, mit dem der Einfluss von Tapasin auf die Peptidbeladung von MHC-Klasse I-Molekülen in vitro untersucht werden kann. Dazu wurde ein Verfahren zur heterologen Expression und Reinigung von funktionalem, löslichem Tapasin aus E. coli-Zellen aufgestellt. Weiterhin wurden ß2m und die schwere Kette von HLA-B*2705 heterolog in E. coli-Zellen exprimiert, isoliert und zusammen mit einem Reporterpeptid zum funktionalen HLA-B*2705 renaturiert. Bei Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen Tapasin und HLA-B*2705-Molekülen konnte mittels der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz-Spektroskopie eine direkte Interaktion zwischen Tapasin und unbeladenem HLA-B*2705 gezeigt werden. Detailliertere Untersuchungen zur Rolle von Tapasin bei der Peptidbeladung wurden mittels einer Gelfiltration gekoppelt mit der Fluoreszenzdetektion des Reporterpeptids durchgeführt. Dabei konnte festgestellt werden, dass unbeladene MHC-Klasse I-Moleküle in Anwesenheit von Tapasin stabilisiert werden und in einer Konformation gehalten werden, die eine Assoziation mit Peptid fördert. Weiterhin wurde gezeigt, dass durch Tapasin die Assoziationsrate für die Peptidbindung erhöht ist. Somit kann in Anwesenheit von Tapasin eine größere Anzahl an Peptiden auf eine stabile und hochaffine Bindung an MHC-Klasse I-Moleküle überprüft werden. In Experimenten mit bereits beladenen MHC-Klasse I-Molekülen konnte gezeigt werden, dass der neugebildetete Komplex auch nach erfolgter Peptidassoziation durch Tapasin stabilisiert wird. Dies ist vermutlich auf eine Erniedrigung der Dissoziationsrate für das Peptid zurückzuführen. Mit dem in dieser Arbeit etablierten Untersuchungssystem ist die Grundlage zu detaillierten Studien der Rolle von Tapasin bei der Peptidbeladung von MHC-Klasse I-Molekülen geschaffen.