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Die vorliegende Promotionsarbeit befasst sich mit der retrospektiven Untersuchung von dentalen Implantaten, die nach Augmentation mit einem synthetischen Knochenersatzmaterial Nanobone® (Artoss, Rostock, Germany) inseriert wurden.
Ziel der vorangegangenen Studie war die Untersuchung, ob durch die Verkürzung der Einheilzeit von 6 auf 3 Monaten ein vergleichbares Ergebnis an Knochenneubildung erreicht werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass eine Sinusbodenaugmentation mit dem synthetischen Knochenersatzmaterial Nanobone® schon nach einer Einheilzeit von 3 Monaten ein suffizientes Implantatbett vorweist und somit eine langzeitstabile Implantatrestauration (3-Jahres Follow up) ermöglicht.
Im Rahmen des 10-Jahres Follow-up konnten 12 der insgesamt 14 Patienten klinisch nachuntersucht werden.
Somit standen für die durchgeführte Nachuntersuchung noch 24 der insgesamt 27 Implantate zur Verfügung.
Hiervon wurden 17 Implantate nach 3 Monaten und 7 Implantate nach 6 Monaten inseriert.
Zehn Jahre nach der primären Augmentation und zweizeitigen Implantation zeigten sich bei der Nachuntersuchung 22 der 24 Implantate stabil und reizfrei in situ.
Die Parameter, die in der klinischen Untersuchung erhoben wurden waren, neben der festen und stabilen in situ Insertion der Implantate, eine Periotest-Messung (Medizintechnik Gulden, Modautal, Deutschland), das Bluten auf Sondieren (Bleeding on probing, BOP), die Bestimmung des Plaqueindex sowie die Untersuchung des Weichgewebes auf Rezessionen und Weichgewebsdehiszenzen.
Zwei der 24 Implantate mussten explantiert werden, eines davon bereits ein Jahr nach Implantation aufgrund von progredienten Entzündungszeichen und Lockerung.
Dies entspricht einer mittleren Implantatüberlebensrate von 91,66% oder einer Verlustrate von 8,34%.
Anders als im 3 Jahres Follow-up zeigte sich im Gruppenvergleich 3- zu 6 Monaten ein deutlicher Unterschied mit einer Implantatüberlebensrate in der 6- Monatsgruppe von 100% (7 von 7 Implantaten in situ) zu einer Implantatüberlebensrate der 3-Monatsgruppe von 88,24% (15 von 17 Implantaten in situ).
Somit ergibt sich ein deutlich besseres Outcome 10 Jahre post implantationem im Sinne einer erhöhten Implantatüberlebensrate und einer niedrigeren Komplikationsrate für die 6-Monatskontrollgruppe im Vergleich zu den Patienten, bei denen bereits 3 Monate post augmentationem implantiert wurde.
Die vorliegenden Untersuchungen zeigen, dass die Langzeitergebnisse nach Verwendung von alloplastischen KEM NanoBone®, auch nach 10 Jahren, mit vergleichbaren Langzeitergebnissen zu autologen Knochenersatz zur Knochenaugmentation im Oberkieferbereich mit gegebenenfalls kombinierter Sinusbodenaugmentation und zweizeitiger Implantatversorgung einhergehen.
Die Vasektomie stellt eine der einfachsten und effektivsten Methoden der permanenten Empfängnisverhütung dar. Trotzdem bevorzugen mehr Paare die Tubenligatur der Frau, die verglichen mit der Vasektomie sowohl größere Kosten als auch größere Risiken mit sich bringt. Durch mangelnde Informationen haben immer noch viele Männer Angst, dass sich eine Vasektomie negativ auf ihr Sexualleben auswirken könnte. Mit dieser Studie sollten diese Auswirkungen näher untersucht werden, um Männern und auch ihren Partnerinnen die Angst vor möglichen negativen Konsequenzen zu nehmen.
Hierfür wurden 294 vasektomierten Männern und ihren Partnerinnen drei Fragebögen zugeschickt. 95 Männer beantwortete den allgemeinen Fragebogen, 90 den IIEF und 74 Frauen den FSFI Fragebogen. Die Ergebnisse wurden mit Kontrollgruppen aus der Literatur verglichen.
Im IIEF-Fragebogen erreichten die vasektomierten Männer in allen fünf Domänen signifikant höhere Scores als das Vergleichskollektiv mit einer erektilen Dysfunktion aus der Literatur. In vier der fünf Domänen erreichten sie signifikant höhere Scores als die gesunde Kontrollgruppe aus der Literatur. Nur in der Domäne „generelle Zufriedenheit“ gab es keinen signifikanten Unterschied.
Die Partnerinnen der vasektomierten Männer erreichten in allen 19 Fragen des FSFI-Fragebogens sowie in allen sechs Domänen signifikant höhere Scores als Patientinnen mit einer sexuellen Dysfunktion aus der Literatur. In allen 19 Fragen und fünf der sechs Domänen gab es keinen signifikanten Unterschied zu der gesunden Kontrollgruppe aus der Literatur. Lediglich in der Domäne „Erregung“ hatten die Partnerinnen vasektomierter Männer signifikant bessere Ergebnisse.
Die Vasektomie hat keine negativen Auswirkungen auf das Sexualleben des Paares. Die Zufriedenheit der Partnerinnen wird nicht negativ beeinflusst. Die vasektomierten Männer sind mit ihrem Sexualleben sogar zufriedener und erzielen signifikant bessere Werte im IIEF-Fragebogen als eine nicht-vasektomierte Kontrollgruppe.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Medikamentenadhärenz an die Therapie mit oralen Antikoagulanzien (OAT) in der Schlaganfall-Sekundärprophylaxe und leitet auf Basis einer prospektiven Untersuchung Rückschlüsse über das Einnahmeverhalten unter verschiedenen Behandlungsformen ab.
Orale Antikoagulanzien werden erfolgreich zur Schlaganfallprävention bei Patienten mit Vorhofflimmern eingesetzt. Über Jahrzehnte waren Vitamin K-Antagonisten (VKA) die einzige Therapieoption, in der Praxis jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, wie etwa Medikamenten- und Nahrungsmittelinteraktionen sowie häufige Gerinnungskontrollen. Als ab dem Jahr 2011 die ersten nicht-Vitamin K oralen Antikoagulanzien (NOAK) zugelassen wurden (zunächst Rivaroxaban und Dabigatran), lag ein besonderes Augenmerk auf der Frage, ob die fehlenden Gerinnungskontrollen und dadurch selteneren Arztkontakte unter Einnahme von NOAK einen negativen Einfluss auf die Adhärenz ausüben könnte.
In der vorliegenden Studie wurden prospektiv Daten zur Adhärenz und Persistenz in Bezug auf die Therapie mit OAT zu Zwecken der Schlaganfall-Sekundärprophylaxe gesammelt. Hierbei stand die Selbsteinschätzung der Patienten anhand der 8-Punkte-Morisky Medication Adherence Scale (MMAS-8) im Vordergrund. Die Daten der Untersuchung wurden an drei großen akademischen Schlaganfallzentren der Universitätskliniken Frankfurt, Würzburg und Marburg (Klinikum Fulda) erhoben. Während des Zeitraums Oktober 2011 bis September 2012 wurden alle 596 Patienten mit der Entlassungsdiagnose eines ischämischen Schlaganfalls oder einer transient ischämischen Attacke in Kombination mit Vorhofflimmern in die Studie aufgenommen. Dabei bildeten diejenigen 324 Patienten, die nach Entlassung eine orale Antikoagulation (VKA, Dabigatran oder Rivaroxaban) erhielten, die Untersuchungskohorte dieser Arbeit. Ein Jahr nach Entlassung wurden in einem Follow-up (1) die Adhärenz bzw. Persistenz in Bezug auf die verschriebene Medikation, (2) etwaige Therapiewechsel und deren Gründe, sowie (3) patientenseitige Einflussfaktoren erfragt.
Insgesamt konnte eine sterblichkeitskorrigierte Antwortrate von 73,3% (209 Patienten) erzielt werden. Von diesen Patienten erhielten 92,8% weiterhin eine Art der oralen Antikoagulation. Auch innerhalb der spezifischen ursprünglich verschriebenen OAT konnte eine gute Persistenz festgestellt werden (VKA 80,9%; NOAK 74,8%; P=0,243), wobei Dabigatran tendenziell, aber nicht-signifikant, am schwächsten abschnitt. Sofern Wechsel zwischen verschiedenen Formen der OAT erfolgten, wurden diese zumeist mit Nachteilen der jeweiligen Wirkstoffeigenschaften, wie z.B. gastrointestinale Nebenwirkungen, eine Verschlechterung der Nierenfunktion, sowie die vereinfachte Einnahme anderer Antikoagulanzien mit nur einer täglichen Dosis, begründet.
Zusätzlich stellte sich im Rahmen einer multivariaten Analyse insbesondere der Grad der Behinderung (Modifizierte Rankin Skala, mRS) zum Zeitpunkt des Follow-ups als signifikanter Einflussfaktor auf die Adhärenz heraus. Die Wahl der OAT hatte hingegen keinen relevanten Einfluss.
Zusammenfassend wurde in der Studie eine sehr gute Einnahmetreue von über 90% beobachtet, sofern man konventionelle und neue Antikoagulanzien in Summe zählt. Zudem wurde gezeigt, dass die Wahl der spezifischen OAT keinen signifikant positiven oder negativen Einfluss auf die Adhärenz nach sich zieht. Dieses Ergebnis widerspricht der Befürchtung einer generell niedrigeren Adhärenz an NOAK. Vielmehr könnte eine Erweiterung der Therapieoptionen durch die neuen oralen Antikoagulanzien es erlauben, besser auf spezielle Patientenbedürfnisse wie beispielsweise Medikamentenverträglichkeit oder Komorbiditäten einzugehen, und in Folge die Einnahmetreue zu Zwecken der Schlaganfall-Sekundärprophylaxe zu verbessern.
Zwangsmaßnahmen stellen in der psychiatrischen Versorgung ein umstrittenes Thema dar. Obwohl soweit wie möglich eine zwangsfreie Psychiatrie angestrebt wird, können psychiatrische Erkrankungen in einzelnen Fällen die Selbstbestimmungsfähigkeit der Patienten einschränken und Zwangsmaßnahmen notwendig machen. Diese können eine erhebliche Belastung für die betroffenen Patienten darstellen und bringen das medizinische Personal unter Umständen in ein ethisches Dilemma zwischen Fürsorgepflicht für erkrankte Patienten und deren Autonomiewahrung. Da sowohl national als auch international noch kein einheitlicher Konsens bezüglich möglicher Prädiktoren einer Zwangseinweisung und deren Auswirkung auf den Therapieverlauf erreicht wurde, besteht dazu noch weiterer Forschungsbedarf.
Um diese Lücke zu verkleinern, wurde eine aktuelle, retrospektive Studie auf der Grundlage der besonderen rechtlichen Situation in Hessen bezüglich des Hessischen Freiheitsentzugsgesetzes (HFEG) durchgeführt. Hierfür wurden die Patientenakten aller volljährigen Patienten, die freiwillig oder unfreiwillig (nach §10 HFEG, §1906 BGB und §1 HFEG) auf eine der drei geschützten Stationen der Psychiatrie des Universitätsklinikums Frankfurt am Main während der Quartale I/2015 und II/2015 aufgenommen wurden, ausgewertet. Dabei wurden die Unterschiede der freiwillig und der unfreiwillig aufgenommenen Patienten in soziodemographischen Prädiktoren und die Auswirkung des Aufnahmemodus auf den Therapieverlauf durch Signifikanzprüfungen und dem Verfahren der logistischen Regression betrachtet. Analysiert wurden 543 Patienten, von denen ca. 70% freiwillig und 30% unfreiwillig aufgenommen wurden.
Es konnten vier mögliche Prädiktoren einer unfreiwilligen Aufnahme identifiziert werden: Initiierung der Aufnahme, Aufnahmezeitpunkt, Hauptdiagnose und somatische Nebendiagnosen. Eine unfreiwillige Aufnahme wurde eher durch Passanten, den Betreuer/die Einrichtung oder Nachbarn/Freunde initiiert, während freiwillige Aufnahmen eher durch die Familie oder Eigeninitiative motiviert waren. Die Betrachtung der Initiierung einer Aufnahme erfolgte in der Literatur bisher selten. Übereinstimmend mit anderen Studien wurden zwangseingewiesene Patienten eher wochentags außerhalb der Kernarbeitszeiten oder am Wochenende/Feiertag aufgenommen, während freiwillige Aufnahmen vermehrt in der Kernarbeitszeit stattfanden. Die Diagnosen F0 und F4 erwiesen sich in der Regressionsanalyse als Risikofaktoren für eine Zwangseinweisung, wodurch der in der Literatur bestehende Kenntnisstand eines Zusammenhangs zwischen der Diagnose und dem Aufnahmemodus bestätigt wurde. Unfreiwillig aufgenommene Patienten wiesen zudem signifikant weniger somatische Nebendiagnosen auf. Der Einfluss der Nebendiagnosen ist in der Literatur noch nicht ausreichend untersucht, auch wenn die Ergebnisse der vorhandenen Studien größtenteils mit der vorliegenden Studie übereinstimmen.
Hinsichtlich des Therapieverlaufs unterschieden sich die beiden Gruppen in den Variablen Aufenthaltsdauer, Unterbringung im Verlauf, Zwangsfixierung, Zwangsmedikation, medikamentöse Einstellung, Antidepressiva und andere Medikamente. Zwangseingewiesene Patienten zeigten eine kürzere Aufenthaltsdauer, was möglicherweise der besonderen rechtlichen Situation in Hessen geschuldet ist. Sie wurden zudem häufiger im Verlauf des Aufenthalts untergebracht, waren öfter von Zwangsmaßnahmen wie Fixierungen oder Zwangsmedikationen betroffen und erhielten generell weniger Medikamente. Möglicherweise wurde dies durch eine fehlende Behandlungsmotivation oder eine kürzere Aufenthaltsdauer bedingt. In zusätzlichen Analysen zeigte sich, dass sich einfach und mehrfach aufgenommene Patienten in Baseline-Parametern nicht signifikant unterschieden.
Auch wenn Limitierungen wie das Vorliegen einer unizentrischen Studie oder einem Auswertungszeitraum von einem halben Jahr vorliegen, geben die in dieser Studie gefundenen Zusammenhänge wichtige Hinweise, um das Zustandekommen und die Auswirkungen von Zwangseinweisungen besser zu verstehen. Mit dieser Studie als Vergleichsgrundlage kann in Zukunft eine erstmalige Evaluierung der PsychKHG-Einführung in Hessen durchgeführt werden.
Obesity is considered as a type of chronic inflammation. It enhances the risk of developing cardiovascular disease, diabetes, and some cancers. The key players in the induction of inflammation in adipose tissue are macrophages. However the mechanism of macrophage activation in obese fat tissue is still not fully understood. Elevated level of saturated fatty acids in adipose tissue promotes inflammation and insulin resistance. Exposure of macrophages to saturated fatty acids stimulates pro-inflammatory c-Jun N-terminal kinase (JNK), nuclear factor kappa B (NF-kB) signaling, and production of pro-inflammatory cytokines, such as IL-6, IL-8, IL-1β, and TNFα. Palmitate is a major saturated free fatty acid released by adipocytes. It activates inflammatory pathways through Toll-like receptors (TLR) 2 and 4, provokes endoplasmic reticulum (ER) stress and increases levels of diacylglycerols (DAGs) and ceramides. Saturated fatty acids also affect cellular oxidative metabolism. Thus, mitochondrial fatty acid oxidation reduces ER-stress and expression of inflammatory cytokines in palmitate-treated macrophages. On the other hand mitochondrial reactive oxygen species (ROS) promote palmitate-mediated pro-inflammatory cytokine production. Recently, mitochondrial functions were linked to their morphology. Mitochondrial fission has been reported in β-cells and myocytes in response to high levels of glucose and free fatty acids, and was associated with disruption of mitochondrial functions, increased ROS level, and cell death. The aim of this study was to investigate the role of mitochondrial fragmentation in palmitate-induced inflammation in human macrophages. In our settings fatty acids, independently of their saturation, affected mitochondrial morphology. Mixtures of long chain saturated and unsaturated fatty acids as well as triglyceride-rich lipoprotein lipolysis products promoted mitochondrial fission. Mitochondrial fragmentation in palmitate-treated macrophages revealed a time- and concentration-dependent character, and was reversible upon palmitate removal. This observation, together with unaltered levels of mitochondrial protein and DNA content, and intact mitochondrial respiration, suggested that mitochondria were not damaged and were functionally active. Mechanistically, palmitate-induced mitochondrial fragmentation was not regulated by ER stress or loss of mitochondrial membrane potential. However, inhibition of palmitate incorporation into mitochondrial membrane phospholipids decreased mitochondrial fragmentation. Other approach to prevent mitochondrial fission was the inhibition of dynamin-related protein 1 (DRP1) activity, which drives mitochondrial fission by forming ring- like structures around mitochondria and constricting mitochondrial membranes. Palmitate altered mitochondrial membrane lipid composition and promoted DRP1-oligomerization. The inhibition of palmitate-induced mitochondrial fragmentation enhanced mitochondrial ROS production, c-Jun phosphorylation, and upregulated expression of pro-inflammatory cytokines. Taken together, these results suggest that mitochondrial fragmentation is a protective mechanism attenuating palmitate-induced inflammatory responses. Future experiments will be required to investigate the role of mitochondrial fragmentation in obesity-associated diseases in vivo.
HIV ist heutzutage eine gut behandelbare, chronische Erkrankung. Insbesondere bei chronischen Erkrankungen ist es entscheidend, auch die psychischen und physischen Auswirkungen auf die Lebenssituation zu untersuchen und dabei auch geschlechtsspezifische Aspekte in der gesundheitsbezogenen Lebensqualität von PLWH mit einzuschließen.
Ziel dieser monozentrischen Beobachtungsstudie ist es, die gesundheitsbezogene Lebensqualität von Patientinnen und Patienten des HIVCENTERs Frankfurt darzustellen und diesbezügliche Einflussfaktoren zu identifizieren. Im Zuge dessen wurden zusätzlich geschlechtsspezifische Unterschiede ausgewertet. Der Mental Component Score stellte die primäre Zielgröße der Studie dar, der Physical Component Score die sekundäre.
Zur Erhebung der gesundheitsbezogenen Lebensqualität wurde der SF-12v2 Fragebogen verwendet, der insgesamt zwölf Fragen beinhaltet. Inhaltlich gliedert sich der Bogen in acht Skalen und zwölf Items, die den Mental- und Physical Component Score bilden. Zur näheren Erfassung der aktuellen Lebenssituation der Patientinnen und Patientinnen des HIVCENTERs Frankfurt, wurde ein eigens für die Studie entwickelter Fragebogen verwendet. Dieser erfasste mit 19 Fragen unter anderem soziodemographische Daten, sowie Parameter zu Religiosität oder Sexualität. Retrospektive Daten aus der Epidem-Datenbank des HIVCENTERs und aus den Patientinnen- und Patientenakten wurden ebenfalls in die Auswertung einbezogen.
Die statistische Auswertung beinhaltete neben deskriptiven Methoden, einfache Varianzanalysen für geschlechtsunabhängige Zusammenhänge und Varianzanalysen mit Interaktion für das Geschlecht zur Ermittlung von geschlechtsspezifischen Einflussgrößen. Des Weiteren wurden Spearmankorrelationen berechnet und zur Identifikation von potenziellen Prädiktoren Regressionen mit Rückwärtsausschluss durchgeführt. Für beide Zielgrößen wurde identisch verfahren. Alle statistischen Tests waren zweiseitig und nutzen ein Signifikanzniveau von alpha=5%.
Im Zeitraum von September 2016 bis Mai 2017 wurden insgesamt 275 Patientinnen und Patienten in die Studie eingeschlossen, darunter 123 Frauen, 150 Männer und 2 transgender Personen. Letztere wurden aufgrund der geringen Fallzahl nicht über die deskriptive Statistik hinaus in den Berechnungen berücksichtigt. Das durchschnittliche Alter in der Studienpopulation betrug 46 Jahre. Frauen hatten ein Durchschnittsalter von 44, Männer von 48 Jahren. 97% der Patientinnen und Patienten waren zum Erhebungszeitpunkt unter antiretroviraler Therapie. Im Durchschnitt erzielten die Teilnehmerinnen und Teilnehmer im Vergleich mit der Referenzpopulation einen unterdurchschnittlichen Mental Component Score von 46. Die Frauen der Studie erzielten einen signifikant schlechteren MCS als die Männer (45 vs. 48; p=0,02). Im Kontext mit den übrigen Prädiktoren des Regressionsmodells erreichten Frauen einen um durchschnittlich 13 Punkte schlechteren MCS als Männer (B=-13; p=<0,001). Als geschlechtsunabhängige negative Prädiktoren auf den MCS stellten sich unter anderem regelmäßiger Alkohol- und Drogenkonsum heraus, sowie das Unterlassen von regelmäßigem Sport oder eine negative Zukunftsaussicht. Als geschlechtsabhängiger negativer Prädiktor erwies sich bei den Frauen eine afrikanische versus westeuropäische Herkunft (B=-5; p=0,028). Arbeitslosigkeit stellte sich bei Männern als geschlechtsabhängiger negativer Prädiktor heraus (B=-5; p=0,033).
Vorliegende Dissertation macht deutlich, dass PLWH auch heute noch eine unterdurchschnittliche gesundheitsbezogene Lebensqualität aufweisen und darüber hinaus deutliche geschlechtsabhängige Unterschiede existieren. HIV-positive Frauen erreichten in dieser Studie signifikant schlechtere Werte für den Mental Component Score als Männer und waren hinsichtlich negativer Einflussgrößen überrepräsentiert. Anhand der hier verwendeten Fragebögen wird es behandelnden Ärztinnen und Ärzten innerhalb der Routinesprechstunde ermöglicht, ein regelmäßiges Monitoring der HRQoL durchzuführen und auch ihren Verlauf zu beurteilen. Zudem wäre ein Screening nach den in dieser Arbeit ermittelten negativen Prädiktoren der HRQoL möglich, wodurch entsprechenden Patientinnen und Patienten ein zielgruppenspezifisches Angebot erhalten könnten.
Nachdem die Sicherheit der Blutprodukte in den letzten Jahrzehnten vor allem bei transfusionsmedizinisch relevanten Viren wie HIV-1, HCV und HBV wesentlich durch die Einführung von molekularen Nachweismethoden auf Restrisiken unter 1 zu 1 Million reduziert werden konnte, liegt der aktuelle Fokus der Transfusionsmedizin auf der Vermeidung von bakteriellen Übertragungen. Dabei stehen vor allem die Thrombozytenkonzentrate im Vordergrund, da diese bei Raumtemperatur gelagert werden und somit für viele Bakterien ideale Wachstumsbedingungen darstellen. Die vorliegende Arbeit hat dabei in vier aufeinander aufbauenden Phasen systematisch die klinische Effizienz eines photochemischen Pathogeninaktivierungsverfahrens untersucht.
Phase 1: Darstellung des Wachstumsverhaltens von 8 transfusionsmedizinisch relevanten Keimen mittels der Spiking-Versuche in Thrombozytenkonzentraten. Für die nachfolgenden Phasen sind nur die Bakterienstämme ausgewählt worden, die nachweislich zu einer Vermehrung in Thrombozytenkonzentraten geeignet sind.
Phase 2: In den Experimenten mit Vollblutkonzentraten zeigt sich bei der Spikingkonzentration von 100 CFU/Beutel für alle ausgewählten Keime eine 100%ige Inaktivierungseffizienz. Bei der Anfangskonzentration von 1000 CFU/Beutel ergibt sich für den Keim Klebsiella pneumoniae (PEI-B-08-09) eine Inaktivierungseffizienz von 75% und für den Keim Bacillus cereus eine Inaktivierungseffizienz von 50%. Alle anderen Keime haben in den Experimenten mit der höheren Spikingkonzentration eine Inaktivierungseffizienz von 100%.
Phase 3: Für den Keim Klebsiella pneumoniae (PEI-B-08-09) zeigt sich in den Experimenten mit Pool-TKs schon bei der niedrigen Anfangskonzentration eine Inaktivierungseffizienz von 75%. Bei der Spikingkonzentration von 1000 CFU/Beutel ergibt sich erneut für die Keime Klebsiella pneumoniae und Bacillus cereus eine Inaktivierungseffizienz von 50%. Alle anderen Keime weisen sowohl bei der niedrigen als auch bei der hohen Bakterienkonzentration eine 100%ige Pathogeninaktivierungseffizienz auf.
Phase 4: In den Experimenten mit Apherese-TKs zeigt sich für alle untersuchten Keime sowohl bei der niedrigen als auch bei der hohen Spikingkonzentration eine 100%ige Inaktivierungseffizienz.
Aus diesen Experimenten geht hervor, dass man mittels photochemischen Pathogeninaktivierungsverfahrens keine 100%ige Inaktivierungseffizienz erreichen kann. Vielmehr ist die Inaktivierungseffizienz zum einen von der bakteriellen Ausgangskonzentration, zum anderen aber auch vom Zeitpunkt der Anwendung des Verfahrens abhängig. Somit sollte der Begriff „ Pathogeninaktivierungsverfahren“ besser durch den Begriff des Pathogenreduktionsverfahrens ersetzt werden. Ferner wird anhand der Ergebnisse deutlich, dass die Anwendung von Pathogenreduktionsverfahren möglichst schnell nach der Spende erfolgen sollte. In diesem Zusammenhang haben Apherese-Thrombozytenkonzentrate gegenüber Pool-Thrombozytenkonzentraten einen Sicherheitsvorteil.
Our understanding of human biology and disease is based on the last millennia’s gain of knowledge, which has been exponentially accelerated since the invention of optical and "biochemical" microscopes like transcriptomics and other omics technologies.
In order to broaden our knowledge of an important human transcription factor, T-Cell Acute Lymphocytic Leukemia 1 (TAL1), some of these technologies were used.
TAL1’s gene or promoter structure is altered in about 20-30% of T-ALL. In addition, there is an increase in TAL1 expression in ca. 60% of pediatric and about 45% of adult T-ALL. Physiologically, TAL1 is an indispensable factor in hematopoiesis: in the murine knockout model, blood cells vanish in the early embryonic period. In addition, the TF is also relevant in adult erythropoiesis.
Accordingly, the identification of novel TAL1 target genes was significant both for clinical reasons and in order to understand the hematopoietic functions.
We performend a combined RNA- and ChIPseq approach. After a lentiviral mediated knockdown in K562 cells RNAseq was performed using the Illumina high-throughput method. Overall, the RNAseq yielded one billion good quality sequencing fragments. They made identification of up- and downregulated transcripts as well as associated biological processes, cellular components, molecular function and dominant KEGG signaling pathways possible. Furthermore, more than 2-fold altered coding transcripts and lncRNA were analyzed for relevant TAL1-binding in the transcription start area. There were 3205 significantly altered coding transcripts and 5136 significantly altered lncRNA. By integrating an Encode TAL1-ChIPseq in K562 cells (using a cutoff fold change of 2x) a relevant TAL1 binding could be detected with 71 coding and 416 lncRNA genes.
The combination of RNA- and ChIPseq yields a wealth of relevant results. Accordingly, TAL1 has complex pro- and anti-malignant effects in all areas of oncogenesis like described by Hanahan and Weinberg. Various interactions with target genes and signaling cascades in inter alia proliferation (e.g. HEMGN, MYC, AHI1, YPEL3, BTG2), angiogenesis (e.g. EGFL7, LTBP3), apoptosis (e.g. BCL3, BCL2A1, BMF), immune evasion (e.g. CMTM6) and inflammation (e.g. IL23 and PTGS1) have been revealed, thus complementing the knowledge about pro- and anti-oncogenic effects of TAL1. In addition, it was possible to identify target genes relevant for erythropoiesis and possible osteogenesis. Concerning lncRNA, interesting potential effectors have been identified. However, they still need to be functionally characterized. Relating the results to Virchow’s first description of leukemia as "white blood" the role of TAL1 in leukemia’s genesis but also in erythropoiesis has been confirmed and extended, thus contributing to explain Virchow’s observation: "...therefore, when I speak of white blood, I mean in fact a blood in which the proportion between the red and colorless (in white) blood corpuscles is reversed ...” (Virchow R. Weisses Blut. Frorieps Notizen 1845;36:151-156).
Structured illumination microscopy (SIM) is part of the super-resolution methods developed at the beginning of this century. To produce a super-resolution image SIM requires three things: 1) illumination of the sample with a periodic pattern, 2) acquisition of multiple images per plane under different pattern’s phases and orientations and 3) the processing of these images has to be carried with a reconstruction algorithm. The result of the reconstruction is an image with a resolution gain that is proportional to the frequency of the pattern (po). The typical SIM set-up uses an epi-fluorescence configuration, thus the interference angle of the beams that create the pattern is restricted by the angular aperture of the objective. Under this restriction the maximum value of po is given by the cut-off frequency of the objective lens and sets at 2 the maximum resolution gain of SIM under linear illumination.
In the first part of this thesis we present the implementation and characterization of the 2D-SIM set-up designed by Dr. Bo-Jui Chang (B-J. Chang et al., PNAS 2017), this design exploits the concept introduced by light-sheet microscopy, i.e. separation of illumination and detection paths to obtain resolution gains larger than the usual two-fold (Chapter 3). The set-up is named coherent structured illumination light-sheet based fluorescence microscopy (csiLSFM) and it consists of a triangular array of three objectives, such that two are used for illumination and one for detection. With the independent illumination arms is possible to interfere two coherent light-sheets at angles beyond the angular aperture of the detection lens, attaining the maximum interference angle of 180° when the light-sheets counter-propagate. This condition delivers a pattern with a po 1.4 times larger than the cut-off frequency (ωo), hence our set-up provides generic resolution gains of 2.4.
The extraction of the high spatial frequencies that produce the resolution gain in the csiLSFM is a challenge due to a low pattern modulation. The low modulation inherently arises because the frequency associated to the pattern period lies beyond the cut-off frequency of the detection lens. To overcome this challenge we developed a filtering strategy that facilitates the withdrawal of information from a SIM data set, simultaneously the proposed filtering process optimizes the reconstruction algorithm by reducing the periodic artifacts that are recurrent in SIM images. In this same chapter we also performed an spectral analysis of the artifacts and determined that they originate from irregularities in the power spectrum that occur due to the partial or total lack of certain spatial frequencies (fig.4.2 and 4.3), our reconstruction reduces this information drops and diminishes the artifact occurrence. The relevance of our reconstruction pipeline is that it delivers a standardized process to enhance the SIM image in a current context in which the commonly used reconstruction algorithms employ empirical tuning to improve it (fig.4.13). Moreover, the pipeline is applicable to the csiLSFM data and also to images acquired with any other 2D-/3D-SIM set-up (fig.4.10 and 4.11).
The processing of various image data sets acquired with the csiLSFM exposed us to the question of how low the modulation of the illumination pattern can be before no super-resolution frequencies can be extracted. Answering this question is important to guarantee that the SIM data contains enough spatial frequencies to provide significant resolution gains. Thus in chapter 5 we developed a quantitative metric to indirectly determine the pattern modulation from the SIM data and find its critical value to use it as evaluation criterion. We called this metric the quality factor (Q-factor) and it represents the normalized strength (amplitude) of the extracted frequencies respect to the Gaussian noise contained in the images. Through simulations we estimated that Q=0.11 is a critical value and a SIM data set requires this as minimum value is to deliver a significant resolution gain. Q works then as an assessment tool for classifying SIM data as optimal or sub-optimal, i.e. Q≥0.11 or Q<0.11. We demonstrated such application with data acquired in various SIM commercial set-ups to prove its feasibility in the field (fig.5.6-5.11)
As mentioned at the beginning of this abstract SIM requires a specialized set-up and a processing algorithm to produce super-resolution images. This thesis contributes to these two areas in the following aspects: first, in its linear version a structured illumination microscope is highly associated to a 2-fold resolution gain. Here we demonstrated the possibility of extending this gain to 2.4 using our custom set-up the csiLSFM. Second, a reconstructed SIM image is prone to artifacts due to the mathematical process it undergoes, here we analyzed the artifact sources and identified them with drops of spatial information in the reconstructed spectrum, based on these conclusions we designed a processing pipeline to facilitate the extraction of spatial frequencies and directly reduce artifacts. A third and final outcome of this thesis is the development and practical implementation of a quantitative index to evaluate the quality of SIM data in terms of its relevant information content (Q-factor). Accordingly, the overall contributions of this work were done in the areas of SIM set-up, SIM reconstruction procedure and SIM data evaluation.
The membrane protein Green Proteorhodopsin (GPR), found in an uncultured marine γ-proteobacterium, is a retinal binding protein and contains a conserved structure of seven transmembrane helices (A-G). The retinal is bound to a conserved lysine residue (K231) in helix G via Schiff base linkage. It belongs to the widespread family of microbial rhodopsins and functions as a light dependent outward proton pump that bacteria may utilize for establishing a proton gradient across the cellular membrane. Proton pumping takes place after photon absorption, where GPR goes through a series of conformational changes, termed photocycle, causing the proton to be transported across the cellular membrane from the intra-cellular to the extracellular space. It is further mediated by the highly conserved functional residues D97 and E108, which function as the primary proton acceptor and primary proton donor for the protonated Schiff base, respectively. Another functionally important residue is the highly conserved H75 in helix B. It forms an intra-molecular cluster with D97 and is responsible for the high pKa value of the primary proton acceptor, stabilized by a direct interaction between D97 and H75.
Different Proteorhodopsin variants are globally distributed and colour tuned to their environment, depending on the water depth in which they occur. A single residue in the retinal binding pocket at position 105 is responsible for determining the absorption wavelength of the protein. GPR (from eBAC31A08) contains a leucine at position 105, while BPR (blue proteorhodopsin, from Hot75m4) in deeper waters possesses a glutamine. Although GPR shows 79% sequence identity with BPR, a single amino acid substitution (L105Q) in GPR is able to switch the absorption maximum to the one of BPR.
Protein oligomerisation describes the association of subunits (protomers) through non-covalent interactions, forming macromolecular complexes. It is an important structural characteristic of microbial rhodopsins, contributing to structural stability and promoting tight packing of the protomers in the bacterial membrane. GPR was shown to assemble into radially arranged oligomers, mainly pentamers and hexamers. No high resolution crystal structure of the whole GPR complex is available, but the structurally related BPR (Hot75m4) was successfully crystallized, showing pentameric oligomers.
The BPR crystal structure model reveals detailed information about complex assembly of the whole proteorhodopsin family. It reveals the oligomeric structures and shows residues that are part of the protomer interfaces, forming cross-protomer contacts, which is valuable information for the elaborate analysis of cross-protomer interactions of GPR oligomers.
Based on the knowledge of GPR and BPR oligomeric complexes, the aim of this study is to analyse specific cross-protomer contacts and to characterize the functional role of GPR oligomerisation. This includes the identification of residues, which are part of charged cross-protomer contacts and play an important role for the formation of the GPR oligomeric complex. Furthermore, this study deals with a detailed characterization of a potentially functional cross-protomer triad between the residues D97-H75-W34, which was detected in the BPR structural model. Hereby, the focus lies especially on the functional role H75, which is highly conserved and is positioned in between the primary proton acceptor D97 and W34 across the protomer interface. In summary, this study addresses GPR oligomerisation via specific cross-protomer contacts and its potential role for the functional mechanism of the protein.
The fundamental technique used in this study is solid-state NMR. Furthermore, an elaborate characterization of GPR oligomerisation was executed using a variety of biochemical methods and mutational approaches. Solid-state NMR is a powerful biophysical method to analyse membrane proteins in their native lipid environment and can be used to obtain diverse information about structure, molecular dynamics and orientation of the protein in the lipid bilayer.
Solid-state NMR naturally has a low sensitivity. In order to detect the low number of spins, DNP signal enhancement is of particular importance in this study. It is exhibited under cryogenic conditions and allows to drastically enhance the solid-state NMR signal by transferring magnetization from highly polarized electrons to the nuclear spins.
By applying these methods and techniques on GPR oligomers, this study reveals new insights in specific cross-protomer interactions in the complex. First the oligomeric states of GPR were determined for the specific experimental conditions used in this study. LILBID-MS, BN-PAGE and SEC analysis identified the pentameric state to be dominant for GPR. Furthermore, specific interactions across the protomer interface, which drive GPR oligomerisation, were identified. This was conducted by creating mixed 13C-15N labelled complexes. These mixed complexes show a unique isotope labelling pattern across their protomer interfaces. Solid-state NMR 13C-15N-correlation spectroscopy (TEDOR) was used to identify through-space dipole-dipole couplings, which indicate specific cross-protomer contacts. The results indicated that the residues R51, D52, E50 and T60 are important for GPR oligomerisation, and further analysis via single mutations of these residues showed a severe impact of the GPR oligomerisation behaviour.
The functional importance of GPR oligomerisation was analysed by DNP-enhanced solid-state NMR on the cross-protomer D97-H75-W34 triad. The DNP cryogenic conditions allowed to trap GPR in distinct stages of the photocycle. It could be shown that trapping GPR in a specific intermediate leads to a drastic conformational effect for the highly conserved H75 residue. Furthermore, DNP-enhanced solid-state NMR was used to characterize the cross-protomer contact between H75 and W34. Mutations of W34 could show that the cross-protomer interaction is highly important for the functionality of the protein, as negative mutants such as W34E showed a reverse proton transport across the bacterial membrane.
In summary this study represents a detailed analysis of GPR cross-protomer interactions and sheds light into the cause and functional importance of oligomeric complex formation in the microbial rhodopsin.