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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.
The production cross section and the transverse momentum distribution of charged particles is measured in pp collisions at √s = 2.76 TeV, 5.02 TeV, 7 TeV and 13 TeV, as well as for Pb-Pb collision at √s_NN = 5.02 TeV and Xe-Xe at √s_NN = 5.44 TeV in ALICE at the LHC. The measurement is performed in the transverse momentum region of 0.15 < p_T < 50 GeV/c and in the pseudorapidity range of |η| < 0.8. The precision of the measurement has been substantially enhanced as a result of the improved corrections, by taking into account a more realistic particle composition in the MC simulations. As a result, the systematic uncertainties have been reduced by more than a factor two in all systems and energies.
The average transverse momentum <p_T> results show a faster-than-linear increase with the center-of-mass energy and follow a similar trend with respect to previous measurements. The analysis of the p_T spectra in multiplicity intervals show a weak center-of-mass energy dependence when they are compared to their respective inelastic (INEL) pp measurement. The average multiplicity as a function of the collision energy shows a quadratic trend, and the comparison with other ALICE multiplicity measurements exhibits a remarkable agreement, within uncertainties.
The transverse momentum spectra in pp collisions are compared to state-of-the-art MC simulations, EPOS LHC and PYTHIA 8 event generators; none of them is able to reproduce the distributions over the full p_T range.
The differential cross section in pp collisions is an essential observable for the study of the Quark Gluon Plasma (QGP) created in ultra-relativistic heavy-ion collisions. The absence of a medium formation in pp collisions serves as an essential baseline for studies of particle production and suppression due to parton energy-loss in the QGP. Since pp collisions at √s = 5.44 TeV were not measured by ALICE, the pp reference at this energy was constructed by using a power law interpolation between the s = 5.02 TeV and 7 TeV data. The pp results are compared to the particle production in Pb-Pb collisions at √s_NN = 5.02 TeV and Xe-Xe collisions at √s_NN = 5.44 TeV.
The nuclear modification factor R_AA for Pb-Pb and Xe-Xe collisions was calculated and a strong suppression of high-p_T particles is observed in central collisions. The R AA in different systems allows for a differential study of the parton energy loss in the QGP. The comparison of the R AA in multiplicity intervals between the two systems provide insights into the path length dependence of a parton that propagates in the medium.
FPP und GGPP sind Intermediate des Mevalonat-Weges und fungieren als post-translationale Modifikation kleiner GTPasen. Die Prenylierung kleiner GTPasen erfolgt katalysiert von spezifischen Prenyltransferasen und ist notwendig um die kleinen GTPasen in Membranen zu verankern, wo ihre Aktivierung stattfindet. Zu den intrazellulären Funktionen der GTPasen gehören unter anderem der Aufbau des Cytoskeletts, das neuronale Zellwachstum, die Leitung und Ausläuferbildung von Axonen, das Dendritenwachstum, die Synapsenformation, die synaptische Plastizität und die Apoptose. Diese Funktionen spielen in der Gehirnalterung sowie in neurodegenerativen Erkrankungen wie der Alzheimer Demenz (AD) und auch bei der Glioblastoma multiforme (GBM) eine wichtige Rolle.
Im Zuge einer in vivo Studie an C57BL/6 Mäusen konnten in der vorliegenden Arbeit altersbedingte Veränderungen der Lokalisation verschiedener Rho- und Rab-GTPasen in Membran- und Cytosol-Präparationen sowie der GGTase-I in Gehirnen gealterter Tiere gezeigt werden. Die zelluläre Lokalisation der Rho GTPasen Rac1, RhoA und Cdc42 verschiebt sich im Alter zu reduzierten Membran-gebundenen und erhöhten cytosolischen Gehalten. Dies ist mit einer Reduktion der Protein- und mRNA- Gehalte des Enzyms GGTase-Iβ assoziiert, der Untereinheit der GGTase-I, die die Bindung des Isoprenoids GGPP an die Rho-GTPasen reguliert. Diese wiederum korrelieren direkt mit der altersbedingten Reduktion der relativen GGTase-Aktivität. Die in vitro Inhibition der GGTase-I mittels GGTI-2133 an SH-SY5Y Zellen erwies sich als Modell, welches die gleichen Effekte wie die gealterten Gehirne in vivo zeigt.
7, 8-Dihydroxyflavon (7, 8-DHF) ist ein natürlich vorkommendes Flavon, welches als hoch affiner selektiver TrkB-Rezeptor-Agonist fungiert und hierdurch wie das Neurotrophin BDNF das Überleben von Neuronen, deren Differenzierung, synaptische Plastizität und Neurogenese vermittelt. In vivo verursacht die orale Gabe von 7, 8-Dihydroxyflavon in Gehirnen alter Tiere eine Abnahme des Isoprenoids GGPP, die Zunahme der prenylierten Membran-gebundenen GTPase Rac1 und eine Reduktion des Gehaltes an Membran-gebundenem Rab3A auf das Niveau der Gehalte in den Gehirnen der jungen Kontroll-Tiere. Das Neurotrophin BDNF interagiert mit dem TrkB-Rezeptor und ist in der Lage direkt an den Rac1-spezifischen GEF Tiam1 zu binden, wodurch dieser aktiviert wird und Veränderungen der zellulären Morphologie der betroffenen Neurone induziert. Während das Alter und die orale Gabe von 7, 8-Dihydroxyflavon in vivo keine Effekte auf die Proteingehalte von BDNF und TrkB in der Tierstudie aufzeigten, konnte eine alterbedingte Reduktion von Tiam1 im Hirngewebe detektiert werden, die wiederum durch 7, 8-Dihydroxyflavon aufgehoben werden konnte.
Die Isoprenoide FPP und GGPP, sowie die Regulation kleiner GTPasen spielen auch eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit Veränderungen der APP-Prozessierung in der molekularen Pathogenese der AD. Bei der APP-Prozessierung sind die beiden Sekretasen β- und γ-Sekretase für die Bildung des β-Amyloid-Peptids verantwortlich. In vitro Studien mit dem β-Sekretase-Inhibitor IV und dem γ-Sekretase-Inhibitor DAPT an untransfizierten und APP-transfizierten HEK293 Zellen (HEK293-APP695wt und HEK293-APPsw Zellen) konnten zeigen, dass sowohl die β- als auch die γ-Sekretase an der Regulation der Isoprenoide FPP und GGPP beteiligt sind. FPP und GGPP liegen in APP-transfizierten HEK293 Zellen erhöht vor. Die Inhibition der β-Sekretase führt zur Reduktion von FPP und GGPP. Durch die Inhibition der γ-Sekretase wird ausschließlich FPP reduziert. Weiterhin liegen in APP-transfizierten HEK293 Zellen die Membran-gebundenen prenylierten Rho-GTPasen Rac1, Cdc42 und RhoA erhöht vor. Das Membran-gebundene prenylierte H-Ras kommt jedoch in APP-transfizierten Zellen im Vergleich zu untransfizierten HEK293 Zellen in deutlich niedrigeren Mengen vor. Die Inhibition der β-Sekretase bedingt die Reduktion von Membran-gebundenem prenylierten Rac1 und auch von Membran-gebundenem H-Ras in HEK293-APPsw Zellen.
Veränderungen von Signaltransduktionswegen, die durch kleine GTPasen vermittelt werden, haben sich auch bei der GBM als zentraler Teil der molekularen Pathogenese herausgestellt. Hierbei ist die Prenylierung durch FPP und GGPP die Voraussetzung für die Membran-Insertion und onkogenen Funktion der Ras- und Rho-Proteine über die Stimulierung des Ras-Raf-MEK-ERK Signalweges. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der HMG-CoA-Reduktase Inhibitor Lovastatin die Bildung der beiden Isoprenoide FPP und GGPP in U87 und U343 Glioblastoma Zellen verringert und hierdurch die Isoprenylierung von H-Ras und Rac1 reduziert. Das natürlich vorkommende Monoterpen Perrilylalkohol hingegen inhibiert die Prenyltransferasen FTase und GGTase und verändert dadurch die post-translationale Prenylierung der GTPasen Rac1 und H-Ras in U87 und U343 Zellen ohne die Isoprenoide FPP und GGPP signifikant zu beeinflussen. Jedoch bewirkt Perillylalkohol in U343 Zellen eine Erhöhung des GGPPs. Beide Substanzen bewirkten die Reduktion der ERK-Phosphorylierung und der Migration, Invasion und Proliferation der untersuchten U87 und U343 Glioblastoma Zellen.
The focus of this thesis is the integral membrane protein Escherichia coli diacylglycerol kinase (DGK). It is located within the inner membrane, where it catalyzes the ATP-dependent phosphorylation of diacylglycerol (DAG) to phosphatic acid (PA). DGK is a unique enzyme, which does not share any sequence homology with typical kinases. In spite of its small size, it exhibits a notable complexity in structure and function. The aim of this thesis is the investigation of DGK’s structure and function at an atomic level directly within the native-like lipid bilayer using MAS NMR. This way, a deeper understanding of DGK’s catalytic mechanism should be obtained.
First, the preparation of DGK was optimized, leading to a sample, which provides well-resolved MAS NMR spectra. The high quality MAS NMR spectra formed the foundation for the second step, the resonance assignment of DGK’s backbone and side chains. The assignment was performed at high magnetic field (1H frequency 850 MHz). The sequential assignment of immobile domains was carried out using dipolar coupling based 3D experiments, NCACX, NCOCX and CONCA. The measurement time could be reduced by paramagnetic doping with Gd3+-DOTA in combination with an E-free probehead. The sequential assignment was mainly performed using a uniformly labelled sample (U-13C,15N-DGK). Residual ambiguities could be resolved by reverse labelling (U-13C,15N-DGK-I,L,V). Resonances could be assigned for 82% of the residues, from which 74% were completely assigned. For validation, ssFLYA was applied, which is a generally applicable algorithm for the automatic assignment of protein solid state NMR spectra. Its principal applicability for demanding systems as membrane proteins could be proven for the first time. Overall, ~90% of the manually obtained assignments could be confirmed by ssFLYA. For the completion of DGK’s assignment, J-coupling based 2D experiments, 1H-13C/15N HETCOR and 13C-13C TOBSY, were carried out to detect highly mobile residues. This way, residues of the two termini and the cytosolic loop, which were not detectable by dipolar coupling based experiments, could be assigned tentatively. Whereupon, peaks for arginine and lysine were assigned unambiguously to Arg9 and Lys12. Overall, ~84% of the residues could be assigned by the applied NMR strategy. Furthermore, a secondary structure analysis was carried out. It showed substantial similarities between wild-type DGK, its thermostable mutant determined both by MAS NMR and the crystal structure of wtDGK. However, there are few differences around the flexible regions most likely caused by the high mobility of these regions. During the assignment procedure, no systematic peak doublets or triplets were detected, indicating that the DGK trimer adopts a symmetric conformation. This is in contrast to the X-ray structure, which shows asymmetries between the three subunits. Especially, crystal packing may be a potential source for these structural asymmetries.
On the basis of the nearly complete assignment of DGK, the apo state was compared with the substrate bound states. Perturbations in peak position and intensity of the substrate bound states were analysed for all assigned residues in 3D and 2D spectra. The nucleotide-bound state was emulated by adenylylmethylenediphosphonate (AMP-PCP), a non-hydrolysable ATP analogue, whereas the DAG-bound state was mimicked by 1,2-dioctanoyl-sn-glycerol (DOG, chain length n = 8). Upon nucleotide binding, extensive chemical shift perturbations could be observed. These data provide evidence for a symmetric DGK trimer with all of its three active sites concurrently occupied. Additionally, it could be demonstrated that the nucleotide substrate induces a substantial conformational change. This most likely supports the enzyme in binding of the lipid substrate, indicating positive heteroallostery. In contrast, the overall alterations caused by DOG are very minor. They involve mainly changes in peak intensities. For DGK bound with either AMP-PCP+DOG or only AMP-PCP, a similar spectral fingerprint was observed. This implies that binding of the nucleotide seems to set the enzyme into a catalytic active state, triggering the actual phosphoryl transfer reaction.
The investigation of DGK’s remarkable stability and the cross-talk between its subunits forms the last part of this thesis. This demands for the identification of key intra- and interprotomer contacts, which are of structural or functional importance. For this purpose, 13C-13C DARR and 2D NCOCX spectra with long mixing times were recorded using high field MAS NMR. Additionally, DNP-enhanced 13C−15N TEDOR experiments were conducted on mixed labelled DGK trimers to enable the visualization of interprotomer contacts. With the applied NMR strategy, intra- (Arg32 - Trp25/ Glu28/ Ala29 and Trp112 - Ser61) and interprotomer (ArgNn,e - AspCg/ GluCd/ AsnCg) long-range interactions could be identified.
In this research project we aimed to generate genetically modified megakaryocytes and platelets, by targeting protein expression to their secretory alpha-granules to delivery ectopic or therapeutic proteins, to be stored and kept there until an external stimulus triggers platelet activation and platelet secretion takes place. During platelet activation, the therapeutic proteins would then be released to the extracellular space, either as a soluble protein or exposed as a transmembrane protein on the cell surface of platelets. For long-term approaches, genetic modifications must be introduced at the hematopoietic stem cell level.
AIMS: As first approach, we aimed to characterize the lineage-specificity of expression of six different promoter fragments in lentiviral vectors: the murine platelet factor 4 (mPf4) 1222 bp (-1074 to +148), human glycoprotein Ib alpha (hGP1BA) 595 bp (-265 to +330), a short and a longer fragment of the human glycoprotein 6 (hGP6 / hGP6s) 351 bp (-322 to +29) / 726 bp (-697 to +29), as well the human glycoprotein 9 (GP9) promoter 794 bp (-782 to -12). These promoter fragments were included as internal cellular promoters in self-inactivating lentiviral vectors (SIN), using an enhanced green fluorescent protein (eGFP) as gene reporter. GFP detection was evaluated in vitro (in transduced non-megakaryocitc blood cell progenitors and in-vitro differentiated megakaryocytes) and in vivo (Bone marrow cells, blood cells and spleen cells). For targeting of proteins to the secretory alpha granules of megakaryocytes and platelets, we followed two strategies: A) The sorting signal of the cytokine RANTES was fused N-terminally to the destabilized GFP, d2eGFP (RANTES. d2eGFP), to deliver the protein into the granules as soluble cargo. B) The transmembrane granular targeting sequence of P-selectin (the transmembrane domain and cytoplasmic tail (referred as TDCT) was fused to d2eGFP or the B domain deleted codon optimized human coagulation Factor VIII cDNA (referred as BDcohFVIII_TDCT or FVIII_TDCT), to deliver the protein into the membrane of alpha granules. These two strategies were tested in-vitro, from transduced differentiated megakaryocytes in liquid cultures, and in-vivo, by analysis of genetically modified platelets by means of Laser Scanning Confocal Microscopy (LSM) in colocalization analysis (performed at the single cell level) and fluorescence intensity analysis.
RESULTS: GFP expression in blood cells from transplanted mice was significantly higher in platelets, with a smaller background promoter activity in leukocytes and erythrocytes. The highest expression was observed from the mPf4-vector, followed by hGP1BA, hGP6 and hGP6s vectors, identifying the hGP6 vectors as the most restricted to the megakaryocyte and platelet lineage. Analysis in bone marrow cells showed that hGP6-vectors have the lowest activity in the hematopoietic stem and progenitor cells (HSPC) with less than 10% of GFP positive stem cells. Surprisingly, the mPf4 and hGP1BA vectors were both highly active in the HSPC, in a range of 20 to 70% of GFP-positive cells. Polyploidization in later stages of MK-maturation of in-vitro Mks differentiated from Mpl-/- lineage marker negative cells were recovered after gene transfer of the thrombopoietin receptor Mpl, under the control of MK-specific vectors in differentiated into MKs. These results were corroborated in in-vivo analysis, where Mpl-/- mice transplanted with lin-BM cells transduced with the mPf4.Mpl and hGP6.Mpl vectors, showed significantly elevated platelet counts compared to control mice transplanted with a GFP-encoding control vector (PGK-GFP). In the Fluorescent intensity and colocalization analysis of transduced megakaryocytes with the targeting vectors, we observed a significant difference in the GFP targeting compared with those MK transduced with the non-targeting vectors. The median of the WCC values observed from the RANTES.d2eGFP targeting vector was 0.8 (80 % of colocalization) with P-selectin stained granules, and 0.7 (70%) with von Willebrand Factor stained granules. In the case of the non-targeting vector SFFV.d2eGFP the median of the WCC observed were <0.3 (30%) both in P-selectin and von Willebrand Factor stained granules. We observed as well that the GFP signal of MK transduced with the P-selectin.d2eGFP fusion overlapped the signals emitted by P-selectin and von Willebrand factor stained granules, not just in LSM-digitalized images but in the fluorescens intensity analysis as well, indicating a clear signal of GFP colocalization. Likewise, an evident signal overlap between the targeted FVIII (FVIII_TDCT) with the P-selectin / von Willebrand marker was observed. Colocalization and fluorescens intensity analysis performed on activated platelets from transplanted mice with the targeting vectors, corroborated what was previously observed in in-vitro megakaryocytes. The genetic modification of megakaryocyte and platelets will allow in the furture, not just the development of new generation of cells with advanced functions, but it will help us to elucidate new mechanisms and pathways of important cellular processes, by modifying cell function and cell interactions.
All lifeforms have to sense changes in their environment and adapt to possibly detrimental conditions. On a cellular level, the highly elaborate proteostasis network (PN) consisting of housekeeping and stress-induced proteins, confers this tolerance against stress and maintains cellular protein homoestasis. This is essential for survival, as an accumulation of stress-induced protein aggregation will eventually affect the functionality of crucial cellular components and ultimately lead to cell death. The guardians of this balance are the molecular chaperones and their activity-regulating co-haperones. They are engaged in all aspects of protein biogenesis, maintenance and degradation, especially during stress.
The heat shock proteins (HSPs) are the major chaperones in mammals and encompass constitutive and stress-induced isoforms. Among them, the HSP70 and the HSP90 family are the most abundant HSPs and their activity is involved in a great variety of homoestasis and stress-induced tasks.
As part of the protein triage the E3 ligase CHIP (C-terminal HSC70-interacting protein) is an essential activity regulating co-chaperone of HSP70 and HSP90 which provides a link between chaperone mediated protein-folding and various degradation pathways. Due to its decisive function, CHIP is involved in a wide array of cellular processes, especially in clearing misfolded HSP70 client proteins that are prone to aggregate. As a consequence, CHIP was reported to confer protection against many aggregation-induced pathologies of the neuronal system. Additionally, CHIP has been identified as a critical factor in various types of cancer and is implied to affect the development and the longevity of mammals.
Despite the significant progress in the understanding of CHIP’s structure and function, many aspects surrounding its chaperone dependency and its substrate recognition remain unclear. Moreover, due to the variety of substrates in diverse cellular pathways, there are yet many connections to elucidate between CHIP and components of the cellular proteostasis network.
The work of this thesis was focused on the role of CHIP in acute stress response and the corresponding status of chaperone association. Moreover, it was investigated if CHIP, as the connecting ligase of folding and degradation systems, might also provide a link between the PN and the reorganisation of the cellular architecture upon stress exposure.
This has become of increasing interest as recent reports highlight the importance of spatial sequestration in protein quality control.
To this end, subcellular distribution of CHIP was analysed by live-cell microscopy during heat stress. It became obvious that during the heat-induced challenge of the chaperone system, CHIP migrated to new cellular sites. Further experiments suggested that the observed migration to the plasma membrane is a chaperone-independent process and in vitro reconstitution of membrane association confirmed the competitive nature of membranes and chaperones for CHIP binding. A detailed in vivo and in vitro analysis of the newly observed membrane association of CHIP revealed a distinct lipid specificity and a novel direct association with lipids. Binding experiments with recombinantly purified deletion mutants of CHIP identified the TPR domain and a positive patch in the coiled-coil domain as main determinants for the lipid association. Through biochemical and biophysical approaches, the structural integrity and functionality of CHIP upon membrane binding was confirmed and further characterised.
Moreover, mass spectrometry analysis provided a high confidence identification of chaperone-free interactors of CHIP at the plasma membrane and other membranous compartments.
In accordance with the lipid specificity, the Golgi apparatus was one of these sites. Only chaperone-free CHIP had a significant effect on the morphology of the organelle, again confirming the competitive role of chaperones and lipids. With respect to the physiological consequences of the changed localisation of CHIP, preliminary results indicated increased cell death when the ligase localises to cellular membranes. The results lead to the conclusion that CHIP acts as an initiator of early stress adaptation and as a sensor for the severity and strength of the stress reaction.
Bluttransfusionen ermöglichen es jährlich tausenden von Menschen das Leben zu retten. Allerdings bringt ein unreflektierter Einsatz auch zahlreiche Nachteile mit sich. Patient Blood Management (PBM) beschäftigt sich damit, das optimale Kosten-Nutzen-Verhältnis dieser Maßnahme auszuschöpfen.
Das Programm verfolgt einen multimodalen Ansatz zur Reduktion von Transfusionen. Es zielt darauf ab präoperative Anämie zu erfassen und, wenn möglich, zu therapieren, iatrogenen Blutverlust zu reduzieren und die Anämietoleranz des Körpers maximal auszunutzen. Diese Maßnahmen wurden durch Schulungsprogramme und die Bereitstellung von Informationsmaterial begleitet, um die Sensibilität und das Wissen zu diesem Thema zu vergrößern.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Einflüssen der Einführung von PBM auf die Mortalität und Morbidität von Malignompatienten in der Viszeralchirurgie. Die retrospektive Analyse war darauf ausgerichtet, einen Unterschied von 10 % im Zweijahresüberleben vor und nach Einführung festzustellen. Hierfür wurden die Daten von 836 Patienten ausgewertet, die sich über einen Zeitraum von vier Jahren einer onkologischen Operation in der Abteilung für Allgemein- und Viszeralchirurgie der Universitätsklinik Frankfurt am Main unterzogen haben. Davon befanden sich 389 vor und 447 nach der Einführung des Projekts in Behandlung.
Das Ziel der Untersuchung bestand darin, die Sicherheit und den Nutzen von PBM in dieser speziellen Patientengruppe näher zu untersuchen. Dazu wurden der primäre Endpunkt des Zweijahresüberlebens und die sekundären Endpunkte 30-Tages- und 90-Tagesüberleben, Prozentsatz an Patienten mit Anämie, Anzahl der transfundierten Erythrozytenkonzentrate (EK) sowie das Auftreten von Komplikationen nach der Dindo-Clavien Klassifikation festgelegt.
Die erhobenen Daten zeigen ein um 13,1 % (p = < 0,001) verbessertes Überleben nach zwei Jahren in den Vergleichsgruppen vor und nach Einführung des Patient Blood Managements. Es haben 21,5 % (p = < 0,001) weniger Patienten Erythrozytenkonzentrate erhalten, zudem wurde die Gesamtsumme der transfundierten Konzentrate signifikant (p = < 0,001) reduziert.
Dabei kam es zu keinem vermehrten Auftreten von Komplikationen. Dies spricht dafür, dass die Einführung von PBM zur Verbesserung der Patientensicherheit beigetragen hat. Es hat sich gezeigt, dass Patienten ohne oder mit moderaten postoperativen Komplikationen (Dindo-Claven < IIIb) von den Veränderungen im besonderen Maße profitieren.
Eine flächendeckende Implementierung des Konzepts in den klinischen Alltag ist als sicher und empfehlenswert zu betrachten. Neben den Patienten profitiert auch das ärztliche Personal, denn im Rahmen von strukturierten Fortbildungsveranstaltungen wird tiefergehendes Wissen vermittelt und klare Handlungsempfehlungen gegeben. Dies reduziert Unsicherheiten, erhöht die Sensibilität und verringert auf diesem Weg Fehler im Transfusionsmanagement. Des Weiteren ergeben sich ökonomische Vorteile. Durch Schulungen, Anämiescreening und der Anschaffung neuer blutsparender Systeme entstehen zwar zunächst zusätzliche Kosten, allerdings stehen diese Einsparungen, durch einen geringeren EK-Verbrauch sowie geringeren Ausgaben durch eine Senkung der Morbidität, gegenüber.
Es wäre von Interesse, in zukünftigen Untersuchungen die genauen Ursachen für den beobachteten Effekt im verbesserten Langzeitüberleben zu analysieren. Mit diesem Wissen kann eine optimale Nutzung der Einflussfaktoren gewährleistet werden. Zudem sollte es auf dieser Basis möglich werden, das Patientenkollektiv, das von einer Transfusion profitiert, genauer einzugrenzen.
Biologische Signalwege bilden komplexe Netzwerke aus, um die Zellantwort sensibel regulieren zu können. Systembiologische Ansätze werden eingesetzt, um biologische Systeme anhand von Computer-gestützten Modellen zu untersuchen. Ein mathematisches Modell erlaubt, neben der logischen Erfassung der Regulation des biologischen Systems, die systemweite Simulation des dynamischen Verhaltens und Analyse der Robustheit und Anfälligkeit.
Der TNFR1-vermittelte Signalweg reguliert essenzielle Zellvorgänge wie Entzündungsantworten,
Proliferation und Zelltod. TNFR1 wird von dem Zytokin TNF-α stimuliert und fördert daraufhin die Bildung verschiedener makromolekularer Komplexe, welche unterschiedliche Zellantworten einleiten, von der Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB, welcher die Expression von proliferationsfördernden Genen reguliert, bis zu zwei Formen des Zelltods, der Apoptose und der Nekroptose. Die Regulation der verschiedenen Zellantworten wird auch als molekularer Schalter bezeichnet. Die exakten molekularen Vorgänge, welche die Zellantwort modulieren, sind noch nicht vollständig entschlüsselt. Eine Fehlregulation des Signalwegs kann chronische Entzündungen hervorrufen oder die Entstehung von Tumoren fördern.
In dieser Thesis haben wir die neuesten Erkenntnisse der Forschung des TNFR1-Signalwegs anhand von umfangreichen Interaktionsdaten aus der Literatur erstmals in einem Petrinetz-Modell erfasst und analysiert. Das manuell kuratierte Modell umfasst die sequenziellen Prozesse der NF-κB-Aktivierung, Apoptose und Nekroptose und berücksichtigt den Einfluss posttranslationaler Modifikationen.
Weiterhin wurden Analysemethoden für Signalwegs-Modelle entwickelt, welche die spezifischen Anforderungen dieser biologischen Systeme berücksichtigen und eine biologisch motivierte Netzwerkanalyse ermöglichen. Die Manatee-Invarianten identifizieren Signalflüsse im Gleichgewichtszustand in Modellen, die Zyklen aufweisen, und werden als Linearkombination von Transitions-Invarianten gebildet. Diese Signalflüsse erfassen idealerweise einen Prozess von der Rezeptorstimulation zur Zellantwort in einem Modell eines Signalwegs. Die Bestimmung aller möglichen Signalflüsse in Modellen von Signalwegen ist eine notwendige Voraussetzung für weitere biologisch motivierte Analysen, wie die in silico-Knockout Analyse. Wir haben ebenfalls ein neues Konzept zur Untersuchung von in silico-Knockouts vorgestellt. Die Effekte der in silico-Knockouts auf einzelne Komplexe und Prozesse des Signalwegs werden in der in silico-Knockout-Matrix repräsentiert. Wir haben die Software-Anwendung isiKnock entwickelt, welche beide Konzepte kombiniert und eine systematische Knockout-Analyse von Petrinetz-Modellen unterstützt.
Das Petrinetz-Modell des TNFR1-Signalwegs wurde auf seine elementaren Eigenschaften geprüft und die etablierten Analysen wie Platz-Invarianten und Transitions-Invarianten durchgeführt. Hierbei konnten die Transitions-Invarianten nicht in allen Fällen komplette biologische Signalflüsse beschreiben. Wir haben ebenfalls die neu vorgestellten Methoden auf das Petrinetz-Modell angewandt. Anhand der Manatee-Invarianten konnten wir die zusammenhängenden Signalflüsse identifizieren und nach ihrem biologischen Ausgang klassifizieren sowie die Auswirkungen der Rückkopplungen untersuchen. Wir konnten zeigen, dass die survival-Antwort durch die Aktivierung von NF-κB am häufigsten auftritt, danach die Apoptose, gefolgt von der Nekroptose. Die alternativen Signalflüsse in Form der Manatee-Invarianten spiegeln die Robustheit des biologischen Systems wider. Wir führten eine ausgiebige in silico-Knockout-Analyse basierend auf den Manatee-Invarianten durch, um die Proteine des Signalwegs nach ihrem Einfluss einzustufen und zu gruppieren. Die Proteine des Komplex I wiesen hierbei den größten Einfluss auf, angeführt von der Rezeptorstimulation und RIP1. Wir betrachteten und diskutierten die Regulation des molekularen Schalters anhand der Knockout-Analyse von selektierten Proteinen und deren Auswirkung auf wichtige Komplexe im Modell. Wir identifizierten die Ubiquitinierung in Komplex I sowie die NF-κB-abhängige Genexpression als die wichtigen Kontrollpunkte des TNFR1-Signalwegs. In Komplex II ist die Regulation der Aktivierung der Caspase-Aktivität entscheidend.
Die umfangreiche Netzwerkanalyse basierend auf Manatee-Invarianten und systematischer in silico-Knockout-Analyse verifizierte das Petrinetz-Modell und erlaubte die Untersuchung der Robustheit und Anfälligkeit des Systems. Die neu entwickelten Methoden ermöglichen eine fundierte, biologisch relevante Untersuchung von in silico-Modellen von Signalwegen. Der systembiologische Ansatz unterstützt die Aufklärung der Regulation und Funktion des verflochtenen Netzwerks des TNFR1-Signalwegs.
Viele Studien konnten in den letzten Jahren aufzeigen, dass Stickstoffmonoxid (NO)/cGMP-Signaling eine wichtige Rolle in der Verarbeitung chronischer Schmerzprozesse einnimmt. Bei Verletzung peripherer Nerven oder Entzündung im Gewebe wird NO gebildet, das durch Stimulation der NO-sensitiven Guanylatzyklase (NO-GC) die cGMP-Bildung katalysiert. Seit einigen Jahren ist bekannt, dass zwei Isoformen dieses Enzyms existieren, NO-GC1 und NO-GC2. Das Expressionsmuster der beiden Isoformen im nozizeptiven System und der jeweilige Einfluss auf die Schmerzverarbeitung ist jedoch bisher völlig unbekannt. In dieser Arbeit wurde die Expression der NO-GC1 und NO-GC2 in den Spinalganglien (DRGs) und im Rückenmark von Mäusen charakterisiert und das Verhalten von NO-GC1 und NO-GC2 Knockout (KO)-Mäusen in verschiedenen Schmerzmodellen untersucht. Mit Immunfluoreszenzfärbungen und In-situ-Hybridisierungen wurde in dieser Arbeit dargestellt, dass die zwei Isoformen in Interneuronen des Rückenmarks lokalisiert sind, wobei die NO-GC1 vorwiegend in inhibitorischen Interneuronen exprimiert wird. In den DRGs konnte die Expression in nicht-neuronalen Zellen nachgewiesen werden, wobei nur die NO-GC2 in Satellitenzellen detektiert werden konnte. Die NO-GC1 KO-Mäuse zeigten eine verringerte mechanische Hypersensitivität in neuropathischen Schmerzmodellen, aber ein normales Verhalten in Modellen inflammatorischer Schmerzen. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen zeigten die NO-GC2 KO-Mäuse ein erhöhtes Schmerzverhalten in Entzündungsmodellen, aber kein verändertes Verhalten in Modellen neuropathischer Schmerzen. Die gezielte Deletion der NO-GC1 und NO-GC2 in Interneuronen des Rückenmarks führte in den entsprechenden Tieren zu Verhaltensänderungen in der Schmerzwahrnehmung, die den Phänotypen der globalen NO-GC KO-Tieren in Schmerzmodellen ähnelte. Zusammengefasst zeigen die Daten dieser Arbeit, dass die NO-GC1- oder NO-GC2-vermittelte cGMP-Produktion in Interneuronen des Rückenmarks sehr wichtige, und teilweise gegensätzliche Funktionen bei der Verarbeitung chronischer Schmerzsignale einnimmt.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte der tonische BZR-Signalweg im Burkitt Lymphom näher untersucht werden. Ziel war die Identifizierung von Zielstrukturen, die für die Zellen essentiell für die Aufrechterhaltung des tonischen Signalwegs sind und gleichzeitig die Viabilität der Zellen fördern. Durch die Identifizierung noch unbekannter Zielstrukturen wäre man in der Lage, neue Behandlungsstrategien zu entwickeln oder bereits bestehende zu optimieren. Des Weiteren sollte die Signaltransduktion in der B-ALL, die über einen Vorläufer des BZRs, dem prä-BZR vermittelt wird, hinsichtlich eines tonischen Überlebenssignals untersucht werden.
Durch massenspektrometrische Analysen der tonischen BZR-Signaltransduktion im Burkitt Lymphom, die für die Viabilität der Zellen essentiell ist und die Ergebnisse eines Inhibitorscreens konnte HSP90 als potenzielle neue Zielstruktur im Burkitt Lymphom identifiziert werden.
So konnte gezeigt werden, dass Burkitt-Lymphom-Zellen nach Inhibition der Chaperonfunktion von HSP90 durch zwei auf dem Markt bereits verfügbare Inhibitoren einen Zellzyklusarrest erfahren, der letztlich zur Apoptose der Zellen führt. Dieser Effekt wurde auf einen Verlust des (tonischen) BZR-Signals zurückgeführt, der überwiegend durch den aktiven lysosomalen Abbau von SYK nach HSP90-Inhibition zustande kommt. Demnach führte die Überexpression einer HSP90-resistenten Variante von SYK (TEL-SYK) zu einer Aufhebung der apoptotischen Effekte nach HSP90-Inhibition. Zudem wurde SYK als Interaktionspartner von HSP90 (HSP90-Klientprotein) im Burkitt Lymphom und die für die Interaktion essentielle Phosphorylierungsstelle (pY197 in HSP90α bzw. pY192 in HSP90β) identifiziert bzw. validiert.
Das therapeutische Potenzial der HSP90-Inhibitoren im Burkitt Lymphom offenbarte sich ferner durch den Vergleich der Wirkungseffektivität in gesunden B-Zellen mit der in Tumorzellen. So zeigten HSP90-Inhibitoren eine erhöhte Affinität zu Tumorzellen. Bei verwendeten Konzentrationen der Inhibitoren, die bereits eine apoptotische Wirkung in Tumorzellen hervorriefen, waren gesunde B-Zellen resistent.
In der B-ALL konnte durch den Knockdown von CD79a und der Inhibition von SYK eine tonische Antigenrezeptor-Signalleitung identifiziert werden, die wie im Burkitt Lymphom über den PI3K/AKT-Signalweg vermittelt wird. Durch die Kombination der im Rahmen dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse und weiterführende Analysen (wie zum Beispiel durch Inhibitor- oder CRISPR/Cas-Screens) kann so eine Identifizierung von potenziellen Zielstrukturen mit therapeutischem Nutzen in der B-ALL erfolgen.