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Atherosklerotische Stenosen der Karotiden sind eine häufige Erkrankung mit variablem Verlauf und stellen durch ihre potentielle Emboligenität einen wichtigen Risikofaktor für zerebrale Ischämien dar. Klinische und paraklinische Parameter helfen, das individuelle Schlaganfallrisiko bei Patienten mit hochgradigen ACI-Stenosen einzuschätzen, das unmittelbar nach einem thrombembolischen Ereignis besonders hoch ist. Als histomorphologisches Korrelat dieser "Vulnerabilität" wird die Ruptur der fibrotischen Deckplatte der Plaque propagiert, die häufiger bei symptomatischen Patienten nachzuweisen ist. Sie korreliert mit der Infiltration der Gefäßwand durch aktivierte Leukozyten, die über molekulare und zelluläre Interaktionen die Zell- und Bindegewebskomposition der Plaque verändern können. Die strukturelle Integrität atherosklerotischer Läsionen beruht auf der extrazellulären Vernetzung von kollagenem Bindegewebe, das überwiegend von phänotypisch veränderten glatten Gefäßmuskelzellen produziert wird. Eine Hypothese besagt, dass die im Rahmen der Inflammation stattfindende Zunahme proapoptotischer Mediatoren über eine Ausdünnung der zellulären und bindegewebigen Strukturen zu einem Verlust an mechanischer Stabilität führt und somit eine symptomatische Ruptur begünstigt. Da der Nachweis einer Ruptur mit Exponierung des thrombogenen nekrotischen Kerns allerdings nur in einem Teil der symptomatischen Plaques und umgekehrt auch in einem Teil der asymptomatischen nachgewiesen werden kann, ist aber bislang unklar, ob o.g. Abläufe in der humanen Karotis-Atherosklerose tatsächlich mit einer klinischen Relevanz einhergehen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Auftreten der Apoptose von glatten Gefäßmuskelzellen (mittels DNA in situ end labeling Technik, TUNEL-Färbung) in 38 prospektiv gesammelten Endarterektomie-Präparaten hochgradiger Karotisstenosen quantitativ erfasst und statistisch in Beziehung gesetzt zu Parametern der Plaque-Instabilität, klinisch definiert durch kürzliche (< 60 Tage zurückliegende) ischämische Ereignisse (n=19) und histopathologisch definiert über den Nachweis einer Plaque-Ruptur (n=14). Außerdem wurde eine morphometrische Analyse der einzelnen Plaque-Komponenten durchgeführt und deren Ergebnisse zu den zellulären und klinischen Parametern in Beziehung gesetzt. Die Morphometrie ergab keine signifikanten Unterschiede zwischen symptomatischen vs. asymptomatischen und rupturierten vs. unrupturierten Plaques was die Größe der fibrotischen Deckplatte, die durchschnittliche Dicke (Kern-Lumen-Distanz) und die dünnsten bzw. dicksten Stellen der Deckplatte anbelangt. Anzahl und Konzentration apoptotischer glatter Muskelzellen war deutlich (p<0,001) erhöht in symptomatischen, klinisch instabilen, Karotisplaques. Allerdings waren die Apoptose-Raten in Präparaten, die eine Plaque-Ruptur aufwiesen, nicht signifikant erhöht. Darüber hinaus fand sich kein Hinweis darauf, dass erhöhte Apoptose-Raten zu einem quantifizierbaren Verlust glatter Gefäßmuskelzellen in der fibrotischen Deckplatte führen. Auf dem Boden dieser Ergebnisse kann gefolgert werden, dass erhöhten Apoptose-Raten glatter Gefäßmuskelzellen in der humanen Atherosklerose offenbar eine tragende Bedeutung bei der Entwicklung thrombembolischer Ereignisse zukommt. Allerdings wird die Annahme, dass erhöhte Apoptose-Raten über einen Verlust an glatten Gefäßmuskelzellen Einfluss auf die morphometrischen Eigenschaften der fibrotischen Deckplatte atherosklerotischer Karotis-Läsionen nehmen und zu deren Ausdünnung führen durch die vorliegende Untersuchung nicht gestützt. Vielmehr scheint es plausibel, dass die Apoptose glatter Muskelzellen im Rahmen inflammatorischer Prozesse Einfluss auf die Komposition der Karotisplaque nimmt und so über eine Desintegration der zellulären und bindegewebigen Bestandteile zu reduzierter mechanischer Widerstandskraft und Rupturneigung führt.
Der durchflusszytometrische Nachweis antigenspezifischer T-Lymphozyten über die
Zytokinproduktion nach Kurzeitstimulation ermöglicht Aussagen über die zelluläre
Immunität, was in bestimmten Patientenkollektiven wie z. B. stammzelltransplantierten
Patienten von großem Wert sein kann. Infektionen mit Herpesviren wie z.B. dem
humanen Zytomegalievirus (CMV) oder den Herpes-Simplex-Viren (HSV) können in
diesem Kollektiv zu schweren, zum Teil auch letal verlaufenden Erkrankungen führen.
Zwar wurde diese Methode inzwischen durch die Entwicklung kommerzieller Testkits
zum Nachweis dieser Lymphozyten direkt aus Vollblut vereinfacht. Dennoch ist die
Durchführung dieses Tests nur wenig standardisiert und sehr aufwendig. In dieser
Arbeit wurde die Methode der Bestimmung antigenspezifischer T-Lymphozyten aus
Vollblut daher im Bezug auf die Durchführbarkeit optimiert sowie die Anwendbarkeit
dieser Methode bei Patienten mit bestehender Lymphopenie evaluiert.
Im Einzelnen wurde zunächst die Messung antigenspezifischer CD4+ T-Lymphozyten
anhand des Superantigens Staphylokokkenenterotoxin-B (SEB) sowie der Herpesviren
CMV und HSV-1 eingeführt. Hierzu wurde die Spezifität der Lymphozytenreaktionen
im Hinblick auf den Immunstatus von Probanden getestet und die Reproduzierbarkeit
der Messergebnisse ermittelt. Zur Vereinfachung der Stimulation wurde der
Thermoblock eingeführt, der die Inkubation der Proben automatisch nach einer
vorgegebenen Zeitspanne beendet. Vergleichende Ansätze nach der herkömmlichen
Methode mit einer Inkubation im Brutschrank ergaben keine Differenzen zwischen den
Inkubationsmethoden hinsichtlich der Resultate. Weiterhin wurde versucht, die Proben
zu konservieren, um so das Zeitfenster zwischen Blutentnahme und Verarbeitung der
Blutprobe zu vergrößern. Hierfür wurden die Proben mit dem Reagenz CytoChex®
behandelt, einem Zellstabilisator, der der Konservierung von Leukozyten dient. Trotz
mehrfacher Abwandlung des Protokolls gelang es nicht, die Blutproben für die
antigenspezifische Stimulation zu konservieren.
Ein zentraler Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Fragestellung nach der
Anwendbarkeit dieses Testes zum Nachweis CMV-spezifischer T-Lymphozyten im
Rahmen einer Lymphopenie. Dies wurde bei einem Kollektiv stammzelltransplantierter
Patienten untersucht. Es zeigte sich, dass in diesem Kollektiv der Test durchführbar ist,
wenn mindestens 1.000 CD8+ T-Lymphozyten bzw. 3.000 CD4+ T-Lymphozyten durchflusszytometrisch nachgewiesen werden konnten. Anhand dieses Kollektivs wurde
zuletzt die Effizienz dieser Methode durch Weglassen der Kontrollantigenmessungen in
bestimmten Fällen und Einführung eines Auswertungstemplates zur indirekten
Ermittlung CD4+ T-Lymphozyten aus der CD8+ T-Lymphozytenmessung gesteigert.
Zusammenfassend bringen die in dieser Arbeit vorgestellten Modifikationen der
Standardmethode eine deutliche Vereinfachung mit sich. Weiterhin wird es möglich,
auch im Rahmen einer Lymphopenie antigenspezifische T-Lymphozyten nachzuweisen.
Dies ermöglicht zumindest weitere Untersuchungen im Hinblick auf die Fragestellung
nach einer ausreichenden Immunantwort gegen CMV bei immunsupprimierten
Patienten. So können in Zukunft auch bei Patienten mit hohem Risiko für eine CMVReaktivierung
und Erkrankung Aussagen über die Immunsituation gemacht werden um
möglicherweise eine Verbesserung der diagnostischen und damit auch therapeutischen
Situation dieser Patienten zu erzielen.
Die zunehmende Resistenzentwicklung bei der Therapie gegen Herpes Simplex Viren vom Typ-1, besonders bei immundefizienten Patienten, erfordert die Entwicklung von Therapie-Alternativen. In Anlehnung an die Erkenntnisse der Traditionellen Chinesischen Medizin, die sich die Wirksamkeit von Heilpflanzen zu Nutze macht, wurde in dieser Arbeit das antivirale Potential von Extrakten aus Rheum Spezies gegen HSV-1 untersucht. Rheum oder Rhabarber gehört zur Familie der Polygonaceae. Die hier verwendeten Extrakte stammen aus den Wurzeln und Rhizomen von Rheum palmatum L. und Rheum rhaponticum, welche ursprünglich aus Asien stammende Heilpflanzen sind. Rheum ist reich an polyphenolen Inhaltsstoffen der Gruppe der Flavonoide und Tannine, welche Gegenstand der Forschung sind und denen schon vielfache pharmakologische Wirkungen zugesprochen wurden. Die antivirale Wirksamkeit von Rheum wurde bislang nur in der chinesischen Literatur veröffentlicht, wo bestimmte Untersuchungen mit HBV und HSV vorgenommen wurden. Hier wurde in einem Zellkulturmodell mit Vero-Zellen eine antivirale Testung vorgenommen. Die Auswirkungen der Rheum Extrakte auf den durch HSV-1 verursachten zytopathischen Effekt wurden untersucht. Eine Verminderung oder das Fehlen des CPE wurde als antivirale Wirksamkeit gewertet. In zwei Versuchsreihen, einmal mit simultaner Beimpfung der Vero-Zellen mit Virus in einer MOI von 0,01 und Extrakten in Konzentrationen von 500µg/ml bis 4µg/ml und dann mit viraler Vorinkubation von 1, 6 und 24 Stunden wurde das Verhalten der Zellen beobachtet. Unter dem Auflichtmikroskop wurde das Ausmaß des CPE beurteilt und anschließend mit Hilfe des Computerprogramms CalcuSyn die IC50 Werte berechnet. Der Wert der 50% inhibitorischen Konzentration sagt aus, bei welcher Extraktkonzentration 50% der Zellen einen CPE aufweisen und ist somit Maß für die antivirale Wirksamkeit. Weiterhin wurden die Rheum Extrakte mittels MTT-Assay auf ihre Zytotoxizität hin untersucht und der TC50 Wert als Maß der Toxizität berechnet. Der aus IC50 und TC50 berechnete Therapeutische Index setzt Wirksamkeit und Toxizität in Relation und ist ein Wert für die mögliche Validität einer Substanz. Je höher dieser Wert, desto viel versprechender die Substanz. Besonders Extrakte 9, 10 und 17 bedürfen der genaueren Betrachtung, da sie in der vorliegenden Untersuchung Therapeutische Indexe von >12, >9,8 und >17,9 gezeigt haben. Dies deutet auf ein antivirales Potential, bei keiner nachweisbaren Zytotoxizität in verwendeten Konzentrationen, hin. Im Vergleich zeigte Aciclovir einen TI von 22. Mit diesen drei Substanzen wurde der Versuch dann mit viraler Vorinkubation von 1, 6 und 24 Stunden wiederholt. Vor Allem Extrakt Nr. 17 zeigte auch bei Vorinkubation von einer und sechs Stunden mit einem IC50 von 80µg/ml und 95,5 µg/ml eine signifikante Reduktion des CPE. Dies gibt einen Hinweis auf die mögliche Art des Wirkmechanismus, denn Zeichen der Wirksamkeit trotz Vorinkubation sprichen für eine Intervention im späteren Stadium des viralen Replikationszyklus. Problematisch ist die Übertragung der hier ermittelten in vitro Ergebnisse auf in vivo Verhältnisse. Allerdings sind die Ergebnisse vielversprechend und eine weiterführende Untersuchung erscheint lohnenswert. Hier ist vor Allem die genaue Charakterisierung und Isolierung der Inhaltsstoffe der wirksamen Extrakte notwendig. Nachfolgend könnte die Wirksamkeit der ermittelten Polyphenole in einem Tierversuch verifiziert werden.
Einleitung: Das Pseudoaneurysma (PSA) stellt eine der häufigsten Komplikationen nach arteriellen Punktionen dar. Dabei unterscheiden sich die Komplikationsraten kathetergestützter Verfahren bei diagnostischen Eingriffen deutlich von jenen bei therapeutischen Eingriffen. Zur Behandlung des Pseudoaneurysmas steht eine große Bandbreite an Therapieoptionen zur Verfügung, unter anderem die ultraschallgestützte Thrombininjektion (TI) sowie die Therapie mittels konventionellem Druckverband (DV). Jedoch werden venöse Thrombosen nach der Behandlung des Pseudoaneurysmas beschrieben. Der Einfluss von Antikoagulantien (AK) und Thrombozytenaggregationshemmern (TAH) sowohl auf die Erfolgsraten der Pseudoaneurysmatherapie als auch die anschließende Entstehung venöser Thrombosen wurde bisher noch nicht analysiert.
Fragestellung: Die Effektivität des Druckverbands und der Thrombininjektion bei Patienten mit Pseudoaneurysma und damit assoziierten venösen Thrombosen wurde geprüft. Außerdem wurden die Auswirkungen von Antikoagulantien und Thrombozytenaggregationshemmern auf die Erfolgsraten der Pseudoaneurysmatherapie und die damit assoziierten venösen Thrombosen untersucht.
Methoden: Es wurden von Januar 2010 bis Dezember 2018 insgesamt 468 Patienten mit Pseudoaneurysma untersucht, wovon 238 Patienten in die retrospektive Studie eingeschlossen wurden. Die Behandlung des Pseudoaneurysmas erfolgte mittels Thrombininjektion oder Druckverband. Nach Ablauf von 24 Stunden wurde der Therapieerfolg sonographisch kontrolliert, wobei auch auf das Neuauftreten venöser Beinvenenthrombosen geachtet wurde. Bei allen Patienten wurde die Medikation mit Antikoagulantien und Thrombozytenaggregationshemmern zum Zeitpunkt der Pseudoaneurysmatherapie erhoben.
Ergebnisse: Die Thrombininjektion war dem Druckverband sowohl hinsichtlich des größeren Therapieerfolgs (TI 86% vs. DV 52%, p<0,001) als auch der geringeren Thromboseinzidenz (TI 7,7% vs. DV 21,3%, p=0,039) signifikant überlegen.
Insgesamt erlitten 40 der 238 Patienten eine neu aufgetretene venöse Thrombose der unteren Extremität. Auch bei Betrachtung des Einflusses von Antikoagulantien und Thrombozytenaggregationshemmern erwies sich die 5 Thrombininjektion als dem Druckverband signifikant überlegen. Jedoch wurde bei der Thrombininjektion eine um 18% niedrigere Erfolgsrate unter Antikoagulation festgestellt (TIoAK 97% vs. TImAK 79%, p=0,22), wohingegen bei Druckverbandanlage unter Antikoagulation die Erfolgsrate nur um 6% geringer war (DVoAK 57% vs. DVmAK 51%, p=0,38). In Bezug auf die Thromboseraten nach Thrombininjektion bzw. Druckverband unter Antikoagulation oder Thrombozytenaggregationshemmern konnten keine signifikanten Unterschiede beobachtet werden.
Fazit: Es konnte nachgewiesen werden, dass die Thrombininjektion eine sichere Methode zur Behandlung des Pseudoaneurysmas darstellt und nach Ansicht der Autoren, bei vorhandener Expertise, primär angewandt werden sollte.
Denn die Thrombininjektion ist dem Druckverband in Bezug auf Erfolgs- und Thromboseraten signifikant überlegen. Antikoagulantien beeinträchtigen den Erfolg der Thrombininjektion stärker als den des Druckverbands, weshalb bei Notwendigkeit einer Pseudoaneurysmatherapie die Pausierung der Antikoagulantien im Rahmen einer patientenspezifischen Risiko-Nutzen-Abwägung in Betracht gezogen werden sollte.
Das Nierenzellkarzinom (NZK) ist der häufigste maligne Tumor der Niere. In vielen Fällen sind bereits bei der Erstdiagnose Metastasen vorhanden oder entstehen im Verlauf der Therapie. Die Behandlungsmöglichkeiten für diese NZK-Patienten sind äußerst limitiert. Nahezu 2/3 der Betroffenen versterben an ihrer Erkrankung. Die Etablierung neuer Therapieansätze zur Behandlung des NZK ist dringend gefordert. Es wird postuliert, dass ein Therapiekonzept basierend auf dem Histondeacetylase (HDAC)-Inhibitor Valproat (VPA) kombiniert mit niedrig dosiertem Interferon (IFN)-alpha eine innovative und effiziente Behandlungsoption für austherapierte NZK-Patienten eröffnen könnte. In der vorliegenden Studie wurde der Einfluss einer VPA-Mono- versus VPA/IFN-alpha-Kombinationstherapie auf die malignen Eigenschaften verschiedener NZK-Zelllinien evaluiert. Mittels funktioneller Untersuchungen wurden Proliferations- und Adhäsionsphänomene unter den entsprechenden Therapien näher betrachtet. Fluorimetrische und molekularbiologische Studien dienten der detaillierten Aufklärung der den Veränderungen zugrunde liegenden Wirkmechanismen. Zur translationalen Gestaltung wurden zusätzlich tierexperimentelle Untersuchungen durchgeführt. VPA induzierte eine signifikante Reduktion der Proliferation von NZK-Zellen, die durch die additive Gabe von IFN-alpha weiter verstärkt wurde. Die anti-proliferativen Effekte korrelierten mit einer Zunahme der Zellen in der G0/G1-Phase und einer damit einhergehenden verminderten Anzahl an Zellen in der S-Phase. Die Verschiebung der Zellzyklusphasen war mit einer deutlichen Modulation relevanter regulatorischer Zellzyklusproteine assoziiert. Des Weiteren resultierte VPA und die korrespondierende Kombination mit IFN-alpha in einer signifikanten Inhibition der Adhäsion an Endothel und die extrazellulären Matrixproteine. VPA und die VPA/IFN-alpha-Kombination übten ihren Einfluss dabei offensichtlich über eine Modulation von Adhäsionsrezeptoren, implizit Integrine und CD44-Varianten, aus. Die antiproliferative und –adhäsive Wirkung war in der Regel nach längerer Inkubationszeit von 5 Tagen deutlich stärker als nach 3 Tagen. In analog behandelten normalen Nierenzellen zeigten sich im Vergleich keine solchen Effekte. Die Behandlung mit VPA und IFN-alpha scheint somit spezifisch maligne Zellen zu beeinflussen. VPA induzierte in den NZK-Zellen ferner die Reduktion von Protoonkogenen und MAP-Kinasen sowie die Zunahme von Tumorsuppressoren. Die zusätzliche Gabe von IFN-alpha resultierte in einer weiteren Wirkungsverstärkung gegenüber VPA allein. VPA und die Kombination mit IFN-alpha inhibierten zudem signifikant die HDAC6-Aktivität und -Proteinexpression der NZK-Zellen. Diese Hemmung ging mit einer Hyperacetylierung der Histone einher. Die epigenetische Modulation führte zur veränderten Genregulation und Transkription. So nahmen VPA und die korrespondierende Kombination neben den genannten funktionellen und molekularbiologischen Veränderungen maßgeblich Einfluss auf das Genexpressionsprofil der Tumorzellen. Die Expression negativer Regulatoren der Proliferation, Migration und Adhäsion sowie von Genen involviert in Differenzierung und Immunantwort wurden erhöht, wohingegen die Anzahl der Transkripte von Genen mitverantwortlich für die Ausbildung von Resistenzen und die Nährstoffversorgung der Tumoren reduziert wurde. Translationale tierexperimentelle Studien bestätigten die klinische Relevanz der VPA- und VPA/IFN-alpha-Behandlung, die in einer signifikanten Hemmung des Tumorwachstums resultierten. Die Wachstums-Inhibition war mit einer starken Modulation regulatorischer Proteine des Zellzyklus, der Apoptose und des HDAC-Systems assoziiert. Die vorliegenden Ergebnisse demonstrieren das viel versprechende Wirkungspotential von VPA und der korrespondierenden Kombination mit niedrig dosiertem IFN-alpha. VPAs anti-proliferative und -adhäsive Effekte in vitro und in vivo eröffnen die Perspektive für eine innovative Strategie in der Behandlung des NZK. Aufgrund der präsentierten Daten lässt sich postulieren, dass VPA und IFN-alpha die Grundlage für ein neues, effizientes Therapiekonzept bei austherapierten NZK-Patienten darstellen könnte.
In this thesis we introduce the imaginary projection of (multivariate) polynomials as the projection of their variety onto its imaginary part, I(f) = { Im(z_1, ... , z_n) : f(z_1, ... , z_n) = 0 }. This induces a geometric viewpoint to stability, since a polynomial f is stable if and only if its imaginary projection does not intersect the positive orthant. Accordingly, the thesis is mainly motivated by the theory of stable polynomials.
Interested in the number and structure of components of the complement of imaginary projections, we show as a key result that there are only finitely many components which are all convex. This offers a connection to the theory of amoebas and coamoebas as well as to the theory of hyperbolic polynomials.
For hyperbolic polynomials, we show that hyperbolicity cones coincide with components of the complement of imaginary projections, which provides a strong structural relationship between these two sets. Based on this, we prove a tight upper bound for the number of hyperbolicity cones and, respectively, for the number of components of the complement in the case of homogeneous polynomials. Beside this, we investigate various aspects of imaginary projections and compute imaginary projections of several classes explicitly.
Finally, we initiate the study of a conic generalization of stability by considering polynomials whose roots have no imaginary part in the interior of a given real, n-dimensional, proper cone K. This appears to be very natural, since many statements known for univariate and multivariate stable polynomials can be transferred to the conic situation, like the Hermite-Biehler Theorem and the Hermite-Kakeya-Obreschkoff Theorem. When considering K to be the cone of positive semidefinite matrices, we prove a criterion for conic stability of determinantal polynomials.
G protein coupled receptors (GPCRs) constitute the largest family of cell-surface receptors in mammals and are key players in signal transduction. By responding to a plethora of extracellular stimuli ranging from photons to amines to fatty acids to peptides and proteins, these receptors trigger intracellular signalling cascades and regulate a variety of cellular responses. Approximately 800 genes in humans encode GPCRs which are classified according to sequence conservation into rhodopsin-like, glutamate, adhesion, frizzled/taste2 and secretin receptors. GPCRs share a seven transmembrane domain fold undergoing a conformational change upon ligand binding which is translated to the intracellular surface of the receptor thereby allowing a heterotrimeric G protein to couple. Heterotrimeric G proteins consist of a Ga, Gb and Gg subunit and dissociate into their Ga and Gbg entities upon activation by a GPCR. Subsequently, distinct signalling cascades are triggered by each G protein protomer.
Membrane proteins and GPCRs in particular, are highly important targets in drug design and development as currently approximately 60% of all marketed drugs target membrane proteins. Although these classes of proteins are of high therapeutic interest, our understanding of their mechanism of action and structure remains limited. The first structure of a human GPCR was determined in 2007 and required the development of protein engineering and innovative crystallisation techniques. Since then, approximately 130 GPCR structures of less than 40 individual receptors have been determined providing insights into the structural arrangement of the transmembrane helices, ligand binding pockets and G protein interactions. Combined with spectroscopic methods, these studies allowed a more detailed understanding of the molecular aspects of GPCR activation and signalling. Despite the tremendous advances in GPCR structural biology, certain aspects of GPCR function still remain poorly understood. Due to their size and inherent flexibility, the interaction of protein and peptide ligands with their receptors remains a challenging aspect in the structural characterisation of GPCRs. Moreover, structural information on subtype selectivity of peptide ligands continues to be scarce. To contribute functional and structural information on the molecular mechanisms of peptide interactions with GPCRs, this thesis focused on characterising receptors from the chemoattractant cluster using radioligand binding assays as well as NMR spectroscopy.
The chemoattractant cluster mainly groups the kinin, angiotensin, anaphylatoxin chemotactic complement and apelin receptors according to conserved residues in their ligand binding cavities. All receptors in this cluster bind to peptide ligands deriving from high molecular weight protein precursors upon proteolytic processing. Comparable to the conserved binding pocket of the chemoattractant receptors, the peptide ligands display a certain sequence conservation although they differ strongly in size. The largest ligands used in this thesis are the anaphylatoxins complement 3a and 5a, comprising 77 or 74 residues, respectively. Due to their size and complex fold involving three intramolecular disulphide bonds, solid phase synthesis is impossible, which prompted us to develop a modified cell-free expression system to produce these ligands in tritiated form for subsequent functional characterisation of the complement receptors. To demonstrate the versatility of the developed system, it was applied to another disulphidebond containing peptide ligand, the 21 amino acid endothelin-1. We describe a reliable and multifaceted tool to generate custom labelled peptide ligands for the structural and functional characterisation of GPCRs. The system allows the production of custom radioligands, peptides labelled for NMR studies or with fluorescent amino acids.
Apart from the modulation of GPCR activity by orthosteric ligands, GPCR signalling has long been described to be regulated by allosteric ligands including peptides, small molecules and ions. In this thesis, the influence of sodium ions on the activity state of the chemoattractant cluster receptors and in particular on the apelin, bradykinin 2 and angiotensin II type 1 receptors was examined. In recent high resolution crystal structures an allosteric sodium ion pocket beneath the orthosteric ligand binding cavity was identified and residues contributing to the coordination of sodium ions are conserved throughout the chemoattractant cluster receptors. This allosteric sodium ion coordinated within the transmembrane domain bundle has been described to negatively influence the affinity of agonists but not of antagonists. It was found that sodium ions have distinct influences on the affinity state as well as the available number of binding sites of the chemoattractant receptors. In case of the apelin and bradykinin 2 receptors, sodium ions drastically reduced the number of available binding sites whereas the affinity of peptide ligands to the bradykinin 2 receptors remained constant and the ligand binding affinities to the apelin receptor were completely abolished. In contrast, the angiotensin II type 1 receptor affinity state towards the endogenous peptide ligand angiotensin II is highly dependent on the presence of sodium ions, whereas binding of the synthetic peptide antagonist Sar1-Ile8-angiotensin II remained unaffected by the sodium ion concentration. As differential effects irrespective of the efficacy class but dependent on the amino acid composition of the applied ligands are observed, it can be concluded that electrostatic interactions between charged residues of the peptide ligands and amino acids on the extracellular surface of the receptors are influenced by sodium ions thereby adding another layer of complexity on GPCR signalling.
To elucidate the structure-function relationship of ligand selectivity between the kinin receptors, the structure of desArg10-kallidin (DAK) bound to the bradykinin 1 receptor was determined using solid state NMR (SSNMR) in the course of this thesis. The kinin peptides DAK and bradykinin bind with high affinity and high selectivity to either the bradykinin 1 or bradykinin 2 receptor, respectively. The binding pockets of the receptors are highly conserved and the two peptide ligands only differ in one amino acid at their N- and C-termini whereas the remaining eight amino acids are fully conserved. DAK adopts a U-shaped structure when bound to the bradykinin 1 receptor which resembles a horse shoe-like conformation. Using 2D TEDOR spectroscopy it could furthermore be demonstrated that positively charged residues at the N-terminal part of the peptide engage in ionic interactions with negatively charged amino acids on the extracellular surface of the bradykinin 1 receptor. In contrast, bradykinin displays a distinct b-turn at the C-terminus and an S-shaped conformation of the N-terminal segment when bound to the bradykinin 2 receptor. By using SSNMR to study the binding mode of DAK on the bradykinin 1 receptor we could determine that subtype selectivity between the kinin receptors is conferred by distinct conformational restraints within the peptide ligands and by the formation of specific ionic interaction between charged residues on the peptide and receptor, respectively.
In brief, this thesis contributes structural and functional data on the binding mechanisms and binding mode of different peptide-ligand GPCRs helping to understand subtype selectivity and allosteric modulation of the chemoattractant cluster receptors. In addition, a versatile cell-free expression system was developed that allows the custom synthesis of isotopically labelled peptides containing disulphide bonds for the functional characterisation of GPCRs.
Evaluierung der zellfreien Produktion sekundär aktiver Transporter für die Proteinkristallisation
(2013)
Infektionen mit HBV, HCV und HIV verlaufen potentiell chronisch und besonders bei HIV auch tödlich. Komplexe, zum Teil lebenslange Therapien stellen eine große Belastung für die betroffenen Patient*innen und das Gesundheitssystem dar. Die Sicherheit von Blutprodukten hat sich durch Testung auf HBV, HCV und HIV in den vergangenen Jahrzehnten weltweit stark verbessert. Ein kontinuierliches Risikoassessment ist notwendig um diesen Trend aufrecht zu erhalten und auf Änderungen von Einflussfaktoren rechtzeitig reagieren zu können. Die Zusammenschau der Spendenscreeningdaten des DRK Baden-Württemberg Hessen, Nord-Ost, West und des Bayrischen Roten Kreuzes aus den Jahren 2008 bis 2015 ergab, dass in allen Blutbanken unterschiedliche Testsystem verwendet wurden. In zurückliegenden Analysen kamen zudem verschiedene mathematische Modelle zur Anwendung um die TTVI-Risiken in Deutschland abschätzen zu können. Ein direkter Vergleich der Blutspendedienste untereinander sowie eine Analyse der Risikoentwicklung über die Zeit sind somit erschwert. Eine Vereinheitlichung der verwendeten Testsysteme sowie der angewandten Modelle ist anzustreben. Die Anwendungen der Risikomodelle von Busch et al., Hourfar et al. und Weusten et al. ergaben für alle untersuchten Blutbanken Ergebnisse, die geringfügig höher als die beobachteten Risikowerte ausfielen. Das von Weusten et al. entwickelte Modell erwies sich als am besten geeignet zur Risikostratifizierung, da unterschiedliche Eigenschaften der Viren am genauesten berücksichtigt und TTVI-Risiken im Vergleich mit den anderen Modellen sowie zu den beobachteten Fallzahlen konservativ eingeschätzt werden. Nach diesem Modell lagen die Risiken für eine Transmission pro eine Million transfundierter Einheiten in den Jahren 2008 bis 2015 für HBV bei 1, für HCV bei 0,3 und für HIV bei 0,1. Der Vergleich der Zeiträume 1997 bis 2005 und 2008 bis 2015 mittels des Modells von Hourfar et al. ergab aktuell höhere Risiken für TTVIs mit HCV und HIV, wohingegen die Risiken von TTVIs mit HBV gesunken sind. Diese Entwicklungen sind auf erhöhte HCV- und HIV-NAT Only Inzidenzen sowie auf den wachsenden Anteil HBV-geimpfter Spender*innen zurückzuführen. Modellierungen anhand der Spenderscreeningdaten des DRK Baden-Württemberg Hessen mittels des Modells von Weusten et al. zeigten, dass der Faktor Plasmavolumen nicht zur Risikooptimierung geeignet ist. Ein erhöhter Forschungsbedarf im Bereich minimal infektiöse Dosen konnte betont werden, da sich der Einfluss der N50 auf die Risiken als sehr hoch herausstellte und eine Übersicht aktueller Arbeiten teils stark differierende Werte ergab. Die Verkleinerung der Poolgrößen erwies sich als potente Option zur Risikoreduktion, bedarf jedoch weiter Kosten-Nutzen-Analysen bei aktuell bereits sehr geringen TTVI-Risiken. Eine Vergrößerung der Spendeintervalle konnte als ebenso wirkungsvolle Möglichkeit zur Verringerung der Transmissionsrisiken ermittelt und eingeordnet werden. In diesem Zusammenhang wurde überdies gezeigt, dass TTVI-Risiken von Aphereseprodukten um ein Vielfaches höher liegen als die Risiken von Vollblutspenden.
Die Verarbeitung während des Hörprozesses von Säugetieren verläuft von der Kochlea mit den inneren und äußeren Haarsinneszellen (äHZ) über afferente Nervenbahnen bis zum auditorischen Kortex (AK). Die daran beteiligten Schaltstationen und deren Funktion sind überwiegend aufgeklärt. Die Hörbahn ist zudem in besonderer Weise durch efferente Rückkopplungen gekennzeichnet, die interne Modulationen sowie sekundäre Reaktionen auf den Reiz ermöglichen. Anatomisch betrachtet verlaufen efferente Projektionen vom AK zu sämtlichen am Hörprozess beteiligten Kerngebieten. Vom Olivenkomplex erfolgt über mediale und laterale Fasern eine Innervation der äHZ bzw. des Hörnervs. Trotz der gut beschriebenen Anatomie ist die funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie weitgehend ungeklärt. In der vorliegenden Arbeit wurde der funktionelle Zusammenhang vom AK zu den äHZ in der mongolischen Wüstenrennmaus untersucht. Dafür wurde entweder eine pharmakologische Blockierung der Kortexaktivität durch den Natriumkanalblocker Lidocain erzeugt oder eine Aktivierung der Kortexaktivität durch die Anwendung elektrischer Reize ausgelöst. Der Einfluss der Manipulationen wurde in der Kochlea mittels Messungen von Distorsionsprodukt-otoakustischen Emissionen (DPOAE) erfasst. Diese entstehen durch die nichtlineare Verstärkung leiser Schallsignale durch die äHZ zur Erzielung hoher Sensitivität und Frequenzauflösung. Die DPOAE treten als kubische (z. B. 2f1-f2) und quadratische (z. B. f2-f1) Verzerrungen auf und geben Aufschluss über unterschiedliche Parameter der äHZ-Verstärkungsfunktion.
Die Lidocainversuche wurden entweder kontra- oder ipsilateral zur DPOAE-Messung durchgeführt. In beiden Konstellationen traten nach der Lidocaininjektion Erhöhungen und Verringerungen der DPOAE-Pegel im Vergleich zur Basismessung oder unveränderte DPOAE-Pegel auf. Im Mittel lagen die Pegeländerungen bei ca. 11 dB, in Einzelfällen betrugen sie bis zu 44,8 dB. In den Gesamtdaten waren die Effekte nach kontralateraler Injektion oft signifikant größer als nach ipsilateraler Injektion. Ebenso waren die Effekte in der 2f1-f2 Emission meist signifikant größer als in der f2-f1 Emission. Zudem wurde beobachtet, dass signifikant größere Effekte bei einer Stimulation mit Pegeln von 60/50 dB SPL im Vergleich zu 40/30 dB SPL erreicht wurden. Grundsätzlich trat in allen Datensätzen eine Reversibilität der DPOAE-Pegel mit zunehmender Versuchsdauer auf. Die Effekte waren direkt nach der Injektion am größten und erreichten je nach Stimuluspegel und Emissionstyp nach 28-100 min die Basispegel. In keinem der Datensätze lag eine Abhängigkeit der im Kortex gereizten charakteristischen Frequenz (CF) zum betroffenen Frequenzbereich in der Kochlea vor. Die Effekte waren über den gesamten gemessenen Frequenzbereich von 1-40 kHz nachweisbar. Allerdings waren die Frequenzbereiche von 1-10 kHz und 30,5-40 kHz besonders stark von der Lidocaininjektion betroffen.
Auch nach der elektrischen Reizung wurden die drei oben beschriebenen Effekttypen definiert. Mit 54,6 % war der Prozentsatz unveränderter DPOAE-Pegel allerdings sehr hoch. In den anderen beiden Kategorien konnten zusätzlich Differenzierungen im zeitlichen Verhalten der DPOAE-Pegel vorgenommen werden. In 21,6 % bzw. 16,5 % der Datensätze waren die Verringerungen bzw. Erhöhungen bis zum letzten gemessenen Zeitpunkt nach der elektrischen Reizung irreversibel und nur in jeweils 2,8 % der Datensätze war eine Reversibilität zu verzeichnen. In diesen Fällen war die Effektdauer mit im Mittel 31 bzw. 25 min kürzer als in den Lidocainversuchen. Auch die Effektstärken waren mit maximal 23,9 dB und je nach Effekttyp im Mittel 5,1-13,7 dB geringer als nach der Lidocaininjektion. Die größten Effekte traten in einem mittleren Stimuluspegelbereich von 45-55 dB SPL auf. Wiederum konnte keine Abhängigkeit des betroffenen Frequenzbereichs von der kortikal gereizten CF nachgewiesen werden. In Einzelfällen waren auf DPOAE-Ebene nur die Frequenzen ober- und unterhalb der kortikalen CF beeinflusst, wohingegen bei der CF selbst keine Effekte auftraten.
Durch Kontrollexperimente (Salineinjektion bzw. Einführen der Elektrode ohne elektrische Reizung) konnte nachgewiesen werden, dass die Effekte durch die Manipulation der Kortexaktivität hervorgerufen wurden. Somit liegt eine funktionelle Beziehung zwischen dem AK und der Peripherie vor, die langanhaltende massive Ausmaße annehmen kann. Die Effektrichtung ist vermutlich durch die exzitatorisch oder inhibitorisch wirkenden Neurone vom Colliculus inferior zum Olivenkomplex bedingt. Die größeren Effekte in der kontralateralen Konfiguration lassen sich durch die Diskrepanz in der Anzahl der gekreuzten (2/3) und ungekreuzten (1/3) medialen Efferenzen erklären. Die kubischen Komponenten der äHZ-Verstärkungsfunktion scheinen stärker beeinflusst zu sein als die quadratischen Komponenten, was in größeren Pegeländerungen in der 2f1-f2 Emission resultiert. Die teils großen Effektstärken sowie die nicht vorhandene Frequenzabhängigkeit zwischen AK und Kochlea sind vermutlich auf den großen Kortexbereich zurückzuführen, der von den gewählten Injektionsvolumina bzw. elektrischen Reizstärken betroffen war. Die großen Effekte im mittleren Stimuluspegelbereich lassen sich sowohl mit einer möglichen Schutzfunktion der Efferenzen vor zu lauten Schallereignissen als auch mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur erleichterten Detektion akustischer Signale in Einklang bringen. Insgesamt deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Aktivität des AK einen starken Einfluss auf periphere auditorische Mechanismen hat, wodurch die kochleäre Verarbeitung akustischer Signale je nach kortikalem Verarbeitungsstatus massiv modifiziert werden kann.
Hintergrund: In der allgemeinmedizinischen Versorgung ist die Einbindung von Arzthelferinnen in der Betreuung depressiver Patienten ein innovatives Vorgehen. Jedoch ist wenig darüber bekannt, wie Arzthelferinnen ihre neue Aufgabe erleben. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Sichtweise und Erfahrungen von Arzthelferinnen, die ein Case Management für depressive Patienten in deutschen Hausarztpraxen durchgeführt haben. Methodik: Es handelt sich um eine qualitative Studie, die im Rahmen der PRoMPT-Studie (Primary Care Monitoring for Depressive Patients Trial) durchgeführt wurde. Mithilfe eines semistrukturierten Interviewleitfadens wurden 26 Arzthelferinnen interviewt und anschließend eine Inhaltsanalyse durchgeführt. Der Fokus lag dabei auf drei Schlüsselthemen: Rollenverständnis, Belastungsfaktoren und Krankheitskonzept. Ergebnisse: Die meisten Arzthelferinnen empfanden ihre neue Rolle als Bereicherung auf einer persönlichen und beruflichen Ebene. Sie sahen Ihre Hauptaufgabe in der direkten Interaktion mit den Patienten, während die Unterstützung der Hausärzte für sie von untergeordneter Bedeutung war. Belastende Faktoren durch die neue Arbeitsaufgabe betrafen die Arbeitsbelastung, die Arbeitsbedingungen und die Interaktion mit depressiven Patienten. Es zeigte sich ein sehr heterogenes Krankheitsverständnis bezüglich der Erkrankung Depression. Schlussfolgerung: Arzthelferinnen sind bereit, ihren Aufgabenbereich von Verwaltungsarbeiten auf mehr patientenzentrierte Tätigkeiten auszudehnen. Auch wenn Arzthelferinnen dabei verstärkt protokollierende Aufgaben übernehmen, ist die sich daraus ergebende Mehrbelastung nicht zu unterschätzen.
Die Arbeit beschreibt in ihrer komparatistischen Anlage die sozialpädagogische Betreuung in den Bewährungshilfeorganisationen der Niederlande, Österreichs und der Bundesrepublik. Neben einer umfassenden Beschreibung der Organisations-strukturen werden auch Handlungsabläufe in der Bewährungshilfearbeit dargelegt, wobei qualitative Aspekte der sozialpädagogischen Tätigkeit fokussiert werden. In einem weiteren Kapitel findet sich die begriffliche Eingrenzung der Bewährungshilfe als soziale Dienstleistung. Die beschriebenen Bewährungshilfeinstitutionen werden anschließend in ihren Struk-tur-, Prozess- und Ergebnisqualitäten abgebildet und einem direkten Vergleich zuge-führt. Die abschließende Diskussion stellt aus dem Vergleich der Systeme Anregungen für eine Weiterentwicklung der deutschen Bewährungshilfe, im Sinne einer Verbesse-rung der Dienstleistungsqualität, vor.
Synaptic transmission is a fundamental process that involves the transfer of information from a presynaptic neuron to a target cell through the release of neurotransmitters. The SV cycle is a complex series of events that enables the recycling of SVs, allowing for the sustained release of neurotransmitters. This process is mediated by a variety of proteins and enzymes, and its regulation is critical for maintaining proper synaptic function. Despite extensive research efforts, many aspects of the SV cycle and the underlying synaptic proteins remain poorly understood, highlighting the need for continued investigation into this important process. During this work, multiple aspects of synaptic transmission were studied by performing
behavioural, pharmacological, optogenetic, electrophysiological and ultrastructural assays on Caenorhabditis elegans. First, the role of two proteins (ERP-1 and RIMB-1) were analysed in the synaptic vesicle cycle. Second, a new optogenetic tool, the pOpsicle assay was described, which enables the direct visualization of synaptic vesicle (SV) release.
Activity-dependent bulk endocytosis (ADBE) enables the endocytosis of SV membrane and proteins in a fast manner during intense stimulation, resulting in bulk endosomes (also so-called large vesicles, LVs). Recycling proteins can be characterized by its site of action, whether they act at the plasma membrane (participating at the LV formation), or at the LV membrane (participating at the SV formation). ERP-1 (the C. elegans ortholog of Endophilin B) was recently identified as a possible SV recycling factor, its contribution to synaptic transmission has not been analysed before. During this project the function and possible cooperation of three proteins, ERP-1, UNC-57 (the C. elegans ortholog of Endophilin A) and CHC-1 (the C. elegans ortholog clathrin heavy chain) were studied, with a special emphasis of the site of action. It has been confirmed that these proteins participate together in synaptic vesicle recycling. Endophilins (ERP-1 and UNC-57) act both at the PM and the LV level, but while UNC-57 has been identified as the main player, ERP-1 rather has a minor role and acts as a back-up protein. CHC-1 functions the LV level in the first place, but it can compensate for the loss of UNC-57 and acts as a back-up protein at the PM.
RIM-binding protein is an evolutionarily conserved active zone protein, which interacts directly with RIM and N, P/Q, as well as L-type Ca2+ channels. RIM-BP and RIM have redundant functions in different model organisms including C. elegans, however, while the loss of UNC-10 (the C. elegans ortholog of RIM) led to drastic behavioural defects, the loss of RIMB-1 (the C. elegans ortholog of RIM-BP) led only to mild phenotypes. During this work the synaptic function of RIMB-1 and its interaction with UNC-10 and UNC-2 (C. elegans ortholog of the CaV2 1 subunit) were extensively investigated. It has been shown that RIMB-1 contributes to the precise localization of VGCCs in cooperation with UNC-10. Furthermore, it has been demonstrated, that RIMB-1 plays different roles in cholinergic and GABAergic neurons, thus it contributes to maintain a proper excitation/inhibition balance.
There are numerous available assays, which enable the indirect analysis of synaptic transmission, however, a tool, that enables the direct visualization of SV release, is highly desired. pOpsicle is a method which combines the optogenetic stimulation of cholinergic neurons with real-time visualization of SV release. A pH-sensitive fluorescence protein, pHuji, was inserted into the second intravesicular loop of the synaptic vesicle membrane protein, synaptogyrin (SNG-1). The fluorescence of pHuji is quenched inside the vesicles, but once they are released, the pH increases and pHuji can be detected. pOpsicle enables not only the direct visualization of SV exo-, and endocytosis events, but also the identification of putative SV recycling proteins.
Einleitung: Patienten nach operativen Eingriffen haben ein hohes Risiko in Folge von nosokomialen Infektionen, Wundinfekten oder Nahtdehiszensen eine Sepsis zu entwickeln. Die Sterblichkeitsraten des septischen Schocks haben sich mit 40-60% in den letzten 20 Jahren kaum verändert. Der Zeitpunkt der Diagnose und damit der frühzeitige Beginn v.a. einer kausalen, aber auch einer frühzeitigen supportiven Therapie sind entscheidende Determinanten der Überlebenswahrscheinlichkeit. Die vorliegende Arbeit untersucht erstmalig, ob IL-22, ein Mitglied der IL-10 Familie und, zur angeborenen Immunität gehörend, zur besseren Differenzierung von Inflammation und Infektion bei Patienten im perioperativen Kontext geeignet ist. Material & Methoden: 115 Patienten wurden in einem Zeitraum zwischen November 2005 und November 2007 in drei Gruppen untersucht. Nach Genehmigung durch die Ethikkommission wurden nach entsprechender Einwilligung durch die Patienten, oder die gesetzlichen Betreuer, zum einen Patienten mit schwerer Sepsis [n= 36], elektiven großen viszeralchirurgischen Eingriffen (CAB) [n= 31] und Patienten bei orthotoper Lebertransplantation (LTX) [n= 48] rekrutiert. Es wurden Blutproben prä-, postoperativ sowie an den ersten fünf postoperativen Tagen entnommen. Die Proben wurden unmittelbar nach Abnahme kühl zentrifugiert, aliquotiert und anschließend bei -70°C gelagert. Parallel wurden Blutkulturen angefertigt und Procalcitonin, IL-6, IL-10, Lipopolysaccharid-bindendes Protein (LBP), C-reaktives Protein (CRP) und Leukozyten sowie ein Standardlabor bestimmt. Mittels ELISA in Sandwichtechnik bestimmten wir in nachfolgenden Labormessungen die IL-22 Konzentrationen. IL-6, IL-10 und LBP wurden mittels Immulite® gemessen. Die Daten der Hämodynamik wurden entsprechend einem Protokoll erhoben und in einer Datenbank gespeichert. Ergebnisse: Große, elektive viszeralchirurgische Eingriffe sowie die orthotope LTX haben keinen Einfluss auf Serumkonzentrationen von IL-22. Die Blutspiegel liegen sowohl prä-, als auch postoperativ nahe unter der Nachweisgrenze von 10pg/ml (CAB 7,3pg/ml, LTX 9,4pg/ml). Patienten mit einer schweren Sepsis hatten im Vergleich zu Patienten nach viszeralchirurgischen Eingriffen signifikant höhere IL-22 Konzentrationen im Serum (75pg/ml, p= 0,003, Mann-Whitney-Test). Bei Unterteilung nach dem Sepsisfokus hatten Patienten mit einer vom Abdomen ausgehenden Infektion einen Median von 101,6pg/ml, bei Sepsis pulmonaler Genese eine signifikant niedrigere IL-22 Konzentration von 56,9pg/ml (p= 0,037). Die Stimulation von IL-22 hält postoperativ nach Fokussanierung bei Patienten mit abdomineller Sepsis an, so dass ein Abfall in den ersten fünf postoperativen Tagen bis auf 30% des Ausgangswertes beobachtet werden kann. Auch bei den LTX Patienten zeigt sich, wenn auch nicht signifikant, dass eine bakterielle Infektion (primäre Sepsis) zu einer deutlichen Stimulation von IL-22 führt (9,4pg/ml versus 49,7pg/ml bei Sepsis). Quo ad vitam führt IL-22 bei LTX Patienten in der 1-Jahresüberlebenswahrscheinlichkeit zu einer signifikanten Reduktion des Überlebens, wenn die präoperativen IL-22 Serumspiegel über 100pg/ml liegen. Eine kausale Verknüpfung kann zum jetzigen Zeitpunkt nicht hergestellt werden. Der MELD Score (Model for end-stage liver disease) korreliert mit den erhobenen IL-22 Werten, so dass auch ein MELD > 30 mit erhöhten IL-22 Spiegeln einhergeht. Zusammenfassung: IL- 22 eignet sich im postoperativen Verlauf nach viszeralchirurgischen Eingriffen zur Detektion von Patienten mit schweren Komplikationen. Bei Erhöhung des IL-22 Serumspiegels >100pg/ml kann von einer Darmperfusionsstörung bzw. peritonealen Reizung ausgegangen werden. Unsere Daten weisen weiter darauf hin, dass bei schweren Perfusionsstörungen bis hin zu kompletter Ischämie einzelner Darmabschnitte Werte von >500pg/ml erreicht werden. Hingegen führen eine primäre Sepsis sowie Pneumonien zu einer IL-22 Stimulation mit Serumspiegeln zwischen 50 und 100pg/ml. Eine Korrelation mit anderen Markern der Inflammation war bei relativ kleinen Fallzahlen nicht zu beobachten. Lediglich auffällig erscheinen hohe IL-22 Spiegel, welche eher mit einer Leukopenie einhergehen als mit einer Leukozytose. Ist IL-22 bei Patienten vor Lebertransplantation erhöht, d.h. unabhängig einer Sepsis bei >100 pg/ml, ist die 1-Jahres Überlebenswahrscheinlichkeit signifikant erniedrigt. Dies korreliert entsprechend einer Überlebenswahrscheinlichkeit mit einem MELD>30 vor Transplantation. Hiermit ist zu prüfen, ob eine ggf. längerfristige Aktivierung der angeborenen Immunität bei Leberzirrhose vor Transplantation auf das Überleben nach Transplantation einen wesentlichen Einfluß hat. Eine entsprechende Anpassung der Therapie vor Transplantation könnte dann möglicherweise das eingeschränkte Überleben positiv beeinflussen.
A framework for the analysis and visualization of multielectrode spike trains / von Ovidiu F. Jurjut
(2009)
The brain is a highly distributed system of constantly interacting neurons. Understanding how it gives rise to our subjective experiences and perceptions depends largely on understanding the neuronal mechanisms of information processing. These mechanisms are still poorly understood and a matter of ongoing debate remains the timescale on which the coding process evolves. Recently, multielectrode recordings of neuronal activity have begun to contribute substantially to elucidating how information coding is implemented in brain circuits. Unfortunately, analysis and interpretation of multielectrode data is often difficult because of their complexity and large volume. Here we propose a framework that enables the efficient analysis and visualization of multielectrode spiking data. First, using self-organizing maps, we identified reoccurring multi-neuronal spike patterns that evolve on various timescales. Second, we developed a color-based visualization technique for these patterns. They were mapped onto a three-dimensional color space based on their reciprocal similarities, i.e., similar patterns were assigned similar colors. This innovative representation enables a quick and comprehensive inspection of spiking data and provides a qualitative description of pattern distribution across entire datasets. Third, we quantified the observed pattern expression motifs and we investigated their contribution to the encoding of stimulus-related information. An emphasis was on the timescale on which patterns evolve, covering the temporal scales from synchrony up to mean firing rate. Using our multi-neuronal analysis framework, we investigated data recorded from the primary visual cortex of anesthetized cats. We found that cortical responses to dynamic stimuli are best described as successions of multi-neuronal activation patterns, i.e., trajectories in a multidimensional pattern space. Patterns that encode stimulus-specific information are not confined to a single timescale but can span a broad range of timescales, which are tightly related to the temporal dynamics of the stimuli. Therefore, the strict separation between synchrony and mean firing rate is somewhat artificial as these two represent only extreme cases of a continuum of timescales that are expressed in cortical dynamics. Results also indicate that timescales consistent with the time constants of neuronal membranes and fast synaptic transmission (~10-20 ms) appear to play a particularly salient role in coding, as patterns evolving on these timescales seem to be involved in the representation of stimuli with both slow and fast temporal dynamics.
Um Wissen in einer Form abzulegen, in der es automatisiert verarbeitet werden kann, werden unter anderem Ontologien verwendet. Ontologien erlauben über einen als Inferenz bezeichneten Prozess die Ableitung neuen Wissens. Bei inhaltlichen Überschneidungen werden Ontologien über Ontologie-Alignments miteinander verbunden, die Entitäten aus den verschiedenen Ontologien in Beziehung zueinander setzen. Üblicherweise werden diese Alignments als Mengen von Äquivalenzen formuliert, die beschreiben, welche Konzepte aus einer Ontologie Konzepten aus einer anderen Ontologie entsprechen. Ebenfalls verbreitet sind Ober- und Unterklassenbeziehungen in Alignments.
Diese Ontologie-Alignments werden zum Beispiel in der Biomedizin in Forschungsdatenbanken verwendet, da durch Alignments Informationen aus verschiedenen Bereichen zusammengeführt werden können. Der manuelle Aufwand, um große Ontologien und Alignments zu erstellen, ist sehr hoch. Dementsprechend wäre es wünschenswert, bei einer Veränderung von Ontologien nicht wieder von vorne beginnen und eine neue Ontologie erstellen zu müssen und möglichst viel aus der veränderten Ontologie und den die Ontologie betreffenden Alignments wiederverwenden zu können. Daher sollten möglichst automatisierte Verfahren verwendet werden. Diese Arbeit untersucht vier Ansätze, um die Anpassung von Alignments an Veränderungen in Ontologien zu automatisieren.
Der erste Ansatz bezieht Inferenzen in den Prozess zur Vorhersage von Alignment-Änderungen mit ein. Dazu werden die Inferenzen vor und nach der Änderung der Ontologien berechnet und auf Basis der Unterschiede mit einem regelbasierten Algorithmus bestimmt, wie sich das Alignment ändern soll. Der zweite Ansatz, wie auch die weiteren Ansätze, hat nicht zum Ziel das Alignment direkt anzupassen. Stattdessen soll vorhergesagt werden, welche Teile des Alignments angepasst werden müssen. Dazu werden die Ontologien und das Alignment als Wissensgraph-Embeddings repräsentiert. Diese Embeddings bilden Knoten aus den Ontologien in einen Raum mit 300-1000 Dimensionen so ab, dass in dem Raum auch die Beziehungen zwischen den Entitäten der Ontologien repräsentiert werden können. Diese Embeddings werden dann verwendet, um verschiedene Klassifikationsalgorithmen zu trainieren. Auf diese Weise wird vorhergesagt, welche Teile des Alignments sich verändern werden. Der dritte Ansatz verbindet Embeddings mit einem Veränderungsmodell. Das Veränderungsmodell kategorisiert die an den Ontologien vorgenommenen Veränderungen. Auf diese Kategorisierung und das Embedding werden dann Klassifikationsalgorithmen angewandt. Der vierte Ansatz verwendet eine speziell auf Wissensgraphen ausgerichtete Architektur für neuronale Netze, sogenannte Graph Convolutional Networks, um Veränderungen an Alignments vorher zu sagen.
Diese Ansätze werden auf ihre jeweiligen Vor- und Nachteile untersucht. Dazu werden die Verfahren an zwei Anwendungsfällen untersucht. Der Ansatz zur regelbasierten Einbeziehung von Inferenzen wird anhand eines Anwendungsbeispiels aus dem Bereich der Interweaving Systems betrachtet. In dem Beispiel wird eine allgemeine Methode für Interweaving Systems angewandt um das Selbstmanagement von Ampelsteuerungen zu ermöglichen. Die auf maschinellem Lernen aufbauenden Ansätze werden auf einem Auszug aus der biomedizinischen Forschungsdatenbank UMLS evaluiert.
Dabei konnte festgestellt werden, dass die betrachteten Ansätze grundsätzlich zur Anpassung von Alignments an Ontologie-Veränderungen eingesetzt werden können. Der Ansatz zur regelbasierten Einbeziehung von Inferenzen kann dabei vor allem auf sehr kleinen Datensätzen eingesetzt werden, bei denen alle Gesetzmäßigkeiten der Veränderungen grundsätzlich bekannt sind. Diese Anwendbarkeit ergibt sich aus dem Entwurf der Problemstellung für den ersten Ansatz. Die auf maschinellem Lernen aufbauenden Ansätze eignen sich besonders für große Datensätze und bieten den Vorteil, dass auch ohne ein vollständiges Verständnis des Veränderungsprozesses Vorhersagen getroffen werden können.
Unter den Ansätzen, die maschinelles Lernen einsetzen, zeigte die Einbeziehung von Veränderungsmodellen keine Vorteile gegenüber den anderen Ansätzen. Auf einem etwas
kleineren Datensatz waren die Ergebnisse des Embedding-basierten Ansatzes und der Relational Graph Convolutional Networks vergleichbar, während auf einem größeren Datensatz
die Graph Convolutional Networks etwas bessere Ergebnisse erreichen konnten.
Weitere Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Formalisierung der Problemstellung der Anpassung von Ontologie-Alignments an Veränderungen sowie eine formale Darstellung der Ansätze dar. Ein weiterer Beitrag der Arbeit ist die Vorstellung eines Anwendungsfalls aus dem Bereich der Interweaving Systems für Ontologie-Alignments. Außerdem wurde das Problem der Anpassung von Alignments an Veränderungen so formuliert, dass es mithilfe von
maschinellem Lernen betrachtet werden kann.
Savanna regions in West Africa are valuable cultural landscapes and provide a wide range of ecosystem services for human well-being and are frequently affected by human-induced disturbances. Aside from agricultural activities (crop production and animal husbandry), the harvesting of timber and non-timber forest products is crucial for household income, alimentation and medicinal purposes. Most indigenous woody species have undergone increasing anthropogenic pressure as social and economic conditions have changed dramatically during recent decades, resulting in further habitat fragmentation and increased disturbance severity. Human land use activities influence growth conditions for plants by altering various abiotic factors, such as light, nutrient availability and water supply. They are found to alter demographic parameters (e.g., germination, seedling and sapling growth, survival and mortality rates) of woody plant individuals and alter the structure and stability of populations. The degree of anthropogenic disturbance varies between land-cover types, distance to settlements, and protection status. In the context of land-use change, there is an urgent need to better understand and evaluate the impact of land-use on savanna vegetation, particularly on the population biology of common savanna woody species. A major conclusion to be drawn from this thesis is that land use influences savanna vegetation in a complex way and does not necessarily lead to a decline or loss of tree populations and species. It is rather that in a constantly changing landscape, as a result of human-induced disturbances, populations of ubiquitous and some common species can be stable over time. The abundance of some species tends to decline consistently, whereas others benefit from human disturbance. Moreover, the study provides an insight into the structure and dynamics of common, dominant and less dominant savanna woody plants in a communal and a protected area. There is a need for further basic studies to assess the impact of land use and ecological preferences of all species, including repeated density studies that look at survivorship and transition probabilities over a number of seasons as well as longterm in-situ experiments in settlement areas in order to better understand woody plant populations in settlement areas as the few remaining semi-natural sites are likely to decrease in the future. A challenge will be the development of strategies to protect species within a landscape under cultivation.
Der Fokus der Dissertation liegt auf der Betrachtung von Items zur Messung von fremdsprachlichem Leseverständnis in verschiedenen europäischen Ländern. Insbesondere wird der Einfluss unterschiedlicher Testkulturen auf die internationale Vergleichbarkeit und Validität dieser Items analysiert. Haupthypothese der Arbeit ist, dass sich Differentielle Item Funktionen (DIF, z.B. Holland & Wainer, 1993), eine durch Gruppenzugehörigkeit verursachte Varianz der Itemschwierigkeit, durch unterschiedliche Profile von Stärken und Schwächen von Gruppen im Hinblick auf sprachliche Teilaspekte vorhersagen lassen sollten. Dem liegt die Annahme zugrunde, dass in unterschiedlichen Bildungskulturen unterschiedliche Schwerpunkte bezüglich der unterrichteten sprachlichen Teilaspekte existieren. Ferner wird angenommen, dass sich dies auf den in einem Land konstruierten Testitems abbilden sollte, indem bestimmte schwierigkeitsbestimmende Charakteristika eines Items (z.B. Schwierigkeit von Vokabular/ Grammatik) mehr oder weniger häufig bei der Itemkonstruktion verwendet wurden. Signifikante Unterschiede dahingehend bei in unterschiedlichen Ländern konstruierten Items sollte demzufolge auf unterschiedliche testkulturelle Profile von Ländern hinweisen. Die Hauptfragestellung der Arbeit lautet: „Existiert ein Zusammenhang zwischen Differentiellen Item Funktionen und Indikatoren nationaler Testkulturen bei Aufgaben zur Messung des fremdsprachlichen Leseverständnissen in englischer und deutscher Sprache?“ Die Analysen wurden am Datensatz der europäischen EBAFLS-Studie (European Bank of Anchor Items for Foreign Language Skills; Fandel et al., 2007) durchgeführt. Im Rahmen der Studie wurden Daten an ca. 10.500 Schülern der 9.-11. Klasse in acht europäischen Ländern in den Sprachen Englisch, Deutsch und Französisch erhoben; die verwendeten Testitems stammten aus den verschiedenen Teilnehmerländern. Experten ordneten die Items hinsichtlich der verschiedenen Itemcharakteristika mit Hilfe des Kategorisierungsinstruments „Dutch Grid“ (Alderson et al., 2006) ein. Für diese Dissertation wurden die EBAFLS Items und Datensätze zur Messung des fremdsprachlichen Leseverständnissen für Englisch (Länder: Frankreich, Deutschland, Spanien, Ungarn) und Deutsch (Länder: Frankreich, Niederlande, Ungarn, Schweden) verwendet. In einem ersten Auswertungsschritt wurden zunächst für die Analysen notwendige Voraussetzungen überprüft: die Rasch-Skalierbarkeit der Items innerhalb der Länder, die Anzahl signifikanter DIF-Parameter zwischen den einzelnen Länderpaarungen, sowie das Vorhandensein unterschiedlicher testkultureller Profile der Teilnehmerländer im Sinne unterschiedlich häufig vorkommender Itemcharakteristika bei den in den unterschiedlichen Ländern konstruierten Items. Es zeigte sich, dass diese Voraussetzungen als gegeben angesehen werden konnten. Des Weiteren wurden anhand der unterschiedlichen testkulturellen Profile Hypothesen hinsichtlich der zu erwartenden Stärken und Schwächen der einzelnen Länder im Hinblick auf Items mit bestimmten kognitiv-linguistischen Charakteristika formuliert. Im zweiten Analyseschritt zeigten sich innerhalb aller Länder korrelative Zusammenhänge zwischen den ausgewählten Itemcharakteristika und der Itemschwierigkeit. Somit konnten die Itemcharakteristika auch für weitere Analysen, d.h. zur Erklärung von Unterschieden der Itemschwierigkeiten zwischen den Ländern, verwendet werden. Im dritten Auswertungsschritt wurden zunächst paarweise DIF-Parameter (zw. jeweils 2 Ländern) berechnet. Zur Analyse von Zusammenhängen zwischen DIF und den Itemcharakteristika wurden dann die Itemcharakteristika mit den DIF-Parametern korreliert sowie im Rahmen einer multiplen Regression als Prädiktoren für DIF eingesetzt. Die Korrelationen lagen zwischen r = -.47 und r = .47. Dabei bedeutet eine negativer Zusammenhang, dass dieses Item aus Sicht der Fokusgruppe eine im Vergleich zur Referenzgruppe niedrigere Itemschwierigkeit aufweist, und somit ein Zusammenhang zwischen einem Itemmerkmal und für diese Gruppe vorteilhaften DIF besteht, bzw. umgekehrt. In einem letzten Schritt wurde überprüft, inwieweit die Richtung der gefundenen Zusammenhänge mit den testkulturellen Profilen einhergeht. Kommt ein Itemmerkmal bei den Items der Fokusgruppe signifikant häufiger vor als beiden Items der Referenzgruppe, sollte dies mit einem negativen, d.h. vorteilhaften, Zusammenhang zwischen diesem Itemmerkmal und DIF einhergehen und umgekehrt. Es zeigte sich, dass 23 von 29 (Englisch) bzw. 25 von 34 (Deutsch) signifikanten Korrelationen ihrer Richtung nach den aufgrund der Testkultur aufgestellten Hypothesen entsprachen. Ferner konnte zwischen 21% und 49% der DIF-Varianz anhand von Prädiktoren erklärt werden, die ihrer Richtung nach den aufgrund der testkulturellen Profile gemachten Annahmen entsprachen. Die Hauptannahme, dass ein Zusammenhang zwischen Differentiellen Item Funktionen und Testkulturen existiert, konnte somit insgesamt beibehalten werden.
Visual information is processed hierarchically in the human visual system. Early during processing basic features are analysed separately while at later stages of processing, they are integrated into a unified percept. By investigating a basic visual feature and following its integration at different levels of processing one can identify specific patterns. In certain visual impairments, these patterns can function defectively and their detailed study can clarify the cause of the visual deficit. Here we investigate orientation as a basic feature and use a property of the visual system called adaptation. Adaptation occurs as a decrease in the level of neural activity during repetitive presentation of the same stimulus. Psychophysical studies have shown that adaptation transfers interocularly, meaning that if only one eye is adapted the other eye shows also adaptation effects. Our aim was to investigate interocular transfer by means of functional magnetic resonance imaging (fMRI). Even though adaptation was demonstrated in the fMRI environment, the interocular transfer was never investigated in such a setup. First, we developed a method to measure interocular transfer of adaptation to gratings with fMRI. We then went further to test it in various groups of subjects. In normally sighted humans interocular transfer was present both in early (striate) as well as later visual areas (extrastriate). In subjects with impaired stereovision (with or without normal visual acuity) interocular transfer was absent in the investigated regions. Detailed analysis of the recorded differences between subjects with and subjects without stereovision was performed. The results of this analysis are presented in detail in this book. These results suggest that the neuronal mechanisms involved in the interocular transfer of pattern adaptation share, at least in part, the neural circuitry underlying binocular functions and stereopsis. We conclude that fMRI adaptation can be used for the assessment of cortical binocularity in humans with normal and impaired stereopsis. Further investigations are needed to address more subtle aspects of the lack of interocular transfer. Towards this purpose, through a fourth experiment we propose further directions that might shed more light on the issue of stereovision and its clinical implications. We show that carefully tuned variations in our experimental procedure might reveal other aspects of binocularity in the human visual system. We believe that the method we developed, apart from the interesting results shown here, has a high potential to be further used for other research questions. Following the above summarized ideas, the thesis comprises of three parts (chapters). The first chapter provides the main theoretical backgrounds of the visual system and of the MRI imaging technique, chapter two describes the experimental procedures while the results and their detailed discussion are detailed in chapter three.