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This research project investigated how motor activity, such as cycling, influences the acquisition of foreign language vocabulary under two distinct conditions of auditory-motor-synchronisation. In a mixed subject design, 48 participants had to learn 40 Polish-German vocabulary pairs by auditory presentation over headphones in two different conditions, in which they performed motor activity cycling on a bicycle ergometer: in experiment 1, vocabulary was presented in a fixed rhythm while in experiment 2, participants self-initiated the presentation of vocabulary through pedalling. After having listened to the word pairs, they had to perform online vocabulary tests, one directly after the learning session and a second one 24 hours later from home. Additionally, the individual pitch perception preference (i.e. fundamental vs. spectral pitch perception) of the participants was determined.
The results showed that fundamental listeners forgot significantly more vocabulary than spectral listeners during the fixed than during the self-initiated condition. There was no difference within the groups for the self-initiated condition. The analysis of the motor data revealed a significantly more accurate synchronisation for fundamental listeners during the fixed condition. Therefore, this study provides first evidence for the benefit of self-initiated auditory-motor synchronisation in the process of learning a foreign language in adults. It also reveals that pitch preference has an effect on auditory-motor synchronisation.
Einleitung: Das Arbeiten in einer Notfallsituation ist stark von einer strukturierten Herangehensweise im Patientenmanagement abhängig. Junge Assistenzärzte sind in ihrem Alltag häufig die ersten vor Ort und sollten daher bereits mit Abschluss des Studiums in der Lage sein, häufige Notfallsituationen zu meistern. In den letzten Jahren hat sich die Simulation als hauptsächlich genutzte Methode für die Ausbildung im Fach Notfallmedizin herauskristallisiert, sodass immer mehr Universitäten realitätsnahe Szenarien für die Ausbildung nutzen. Jedoch ist unklar welches Ausmaß an Realitätsnähe in Hinblick auf Kosten/Aufwand-Nutzen-Bilanz sinnvoll ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Effekt von zwei unterschiedlich realitätsnahen Lernumgebungen (Seminarraum vs. realistische Simulationsumgebung) auf die erlernten notfallmedizinischen Kompetenzen zu analysieren. Dazu wurden Krankheitsbilder gewählt, die jedem Arzt in Präklinik, auf Station und im ambulanten Bereich begegnen können und die zügig erkannt und behandelt werden müssen: Asthma, Sepsis und Apoplex.
Material und Methoden: Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine vergleichende Effektivitätsanalyse im crossover-Design. Teilnehmende waren Studierende des 4. Studienjahres der Goethe-Universität Frankfurt am Main, die den 3-TagesNotfallmedizinkurs im Rahmen ihrer curricularen Ausbildung im Querschnittsbereich Notfallmedizin absolvierten. Am ersten Tag durchliefen alle Studierenden ein standardisiertes Skillstraining notfallmedizinischer Basiskompetenzen. An den Folgetagen wurden verschiedene leitsymptombasierte Module vermittelt, die neben der interaktiven Erarbeitung der theoretischen Lerninhalte eine direkte Anwendung in themenspezifischen Szenarien fokussierten. Für die vorliegende Studie wurden die Teilnehmenden in vier Gruppen randomisiert, wobei Gruppen eins und zwei das Training in der Seminarraumumgebung durchliefen, während drei und vier die Szenarien in der realitätsnahen Simulationsumgebung absolvierten. Am dritten Tag fand eine formative Überprüfung der erlernten Fähigkeiten in Form eines OSCEs statt. Bei dieser Überprüfung absolvierten die Gruppen eins und drei in der Seminarraumumgebung und Gruppen zwei und vier im realitätsnahen Umfeld der Simulation das Assessment. Die Datenauswertung erfolgte mit MS Excel und bias.
Ergebnisse und Fazit: Die vorliegende Studie fand zwischen Juli und Oktober 2018 an der Goethe-Universität in Frankfurt am Main statt. 134 Teilnehmer absolvierten die Studie vollständig. Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede in der Performance der vier Gruppen, sowohl insgesamt als auch nach Geschlechtern und mit dem van-Elteren-Test. Prozentual betrachtet zeigten die Teilnehmenden der Gruppe 4 (Training und Prüfung im realitätsnahen Umfeld) die höchsten Ergebnisse. Die Realitätsnähe hat einen positiven Einfluss auf die Performance der Studierenden.
Human GLUTs represent a family of specialized transporters that facilitate the diffusion of hexoses through membranes along a concentration gradient. The 14 isoforms share high sequence identity but differ in substrate specificity and affinity, and tissue distribution. According to their structure similarity, GLUTs are divided into three classes, with class 1 comprising the most intensively studied isoforms GLUTs1 4. An abnormal function of different GLUT members has been related to the pathogenesis of various diseases, including cancer and diabetes. Hence, GLUTs are the subject of intensive research, and efforts concentrate on identifying GLUT-selective ligands for putative medical purposes and their application in studies aiming to further unravel the metabolic roles of these transporters.
The hexose transporter deficient (hxt0) yeast strain EBY.VW4000 is devoid of all its endogenous hexose transporters and unable to grow on glucose or related hexoses. This strain has proven to be a valuable platform to investigate heterologous transporters due to its easy handling, increased robustness, and versatile applications. However, the functional expression of GLUTs in yeast requires certain modifications. Single point mutations of GLUT1 and GLUT5 led to their functional expression in EBY.VW4000, whereas the native GLUT1 was actively expressed in EBY.S7, a hxt0 strain carrying the fgy1 mutation that putatively reduces the phosphatidylinositol-4-phosphate (PI4P) content in the plasma membrane. GLUT4 was only actively expressed in the hxt0 strain SDY.022, which also contains the fgy1 mutation and in which ERG4 is additionally deleted. Erg4 is one of the late enzymes in the ergosterol pathway, and therefore SDY.022 probably has an altered sterol composition in its membrane.
The goal of this thesis was to actively express GLUT2 and GLUT3 in a hxt0 yeast strain, providing a convenient system for their ligand screening. A PCR-derived amino acid exchange in the sequence of GLUT3 enabled its functional expression in EBY.VW4000 and the unmodified GLUT3 protein was active in EBY.S7. Functional expression of GLUT2 was achieved by rational design. The extracellular loop between the transmembrane regions 1 and 2 is significantly larger in GLUT2 than in other class 1 GLUTs. By truncating this loop by 34 amino acids and exchanging an alanine for a serine, a GLUT3-like loop was implemented. The resulting construct GLUT2∆loopS was functional in EBY.S7. With an additional point mutation in the transmembrane region 11, GLUT2∆loopS_Q455R was also actively expressed in EBY.VW4000. Inhibition studies with the known GLUT inhibitors phloretin and quercetin showed a reduced transporter activity for GLUT2 and GLUT3 in uptake assays and growth tests when inhibitors were present, demonstrating that both systems are amenable for ligand screening experiments.
The newly established GLUT2 yeast system was then used to screen a library of compounds pre-selected by in silico screening. Thereby, eleven identified GLUT2 inhibitors exhibited strong potencies with IC50 values ranging from 0.61 to 19.3 µM. By employing the other yeast systems, these compounds were tested for their effects on GLUT1, and GLUTs3-5, revealing that nine of the identified ligands were GLUT2-selective. In contrast, one was a pan-class 1 inhibitor (inhibiting GLUTs1-4), and one affected GLUT2 and GLUT5, the two fructose transporting isoforms. These compounds will serve as useful tools for investigations on the role of GLUT2 in metabolic diseases and might even evolve into pharmaceutical agents targeting GLUT2-associated diseases.
Due to the beneficial effect of the putatively changed sterol composition in SDY.022 (by ERG4 deletion) on the functional expression of GLUT4, it was hypothesized that the presence of the human sterol cholesterol, or cholesterol-like sterols, might have a beneficial effect on GLUT expression, too. Thus, it was attempted to generate hxt0 strains that synthesize these sterols by genetic modifications targeting the ergosterol pathway. In the scope of these experiments, several strains with different sterol compositions were generated. Drop tests on glucose medium with the different strains expressing GLUT1 or GLUT4 revealed that the deletion of ERG6 is clearly advantageous for a functional expression of GLUT1 (but not GLUT4). This indicates that the methyl group at the ergosterol side chain (introduced by Erg6 and reduced by Erg4) negatively influences GLUT1 activity. However, this effect on GLUT1 activity was less pronounced than the putative altered PI4P content in EBY.S7.
Additionally, in this thesis, a new tool to measure glucose transport rates of transporters expressed in the hxt0 yeast system was developed to facilitate their kinetic characterization. For this, the pH-sensitive GFP variant pHluorin was employed as a biosensor for the cytosolic pH (pHcyt) by measuring the ratio (R390/470) of emission intensities at 512 nm from two different excitation wavelengths (390 and 470 nm). Sugar-starved cells exhibit a slightly acidic pHcyt because ATP production is depleted, reducing the activity of ATP-dependent proton pumps.
...
Hintergrund: Die Verankerung der Kompetenzorientierung und die Betonung der praktisch-klinischen Ausbildung im Rahmen des Medizinstudiums sind zentrale Punkte in den Neuerungen der Ärztlichen Approbationsordnung. Mit der Entwicklung des Nationalen Kompetenzbasierten Lernzielkatalogs Medizin (NKLM) ist ein Rahmenwerk erstellt und verabschiedet worden, das die Inhalte des gesamten Medizinstudiums in Deutschland abbilden und eine Implementierung kompetenzorientierter Lernziele an den Fakultäten forcieren soll. Um diesem Ziel gerecht zu werden, müssen bereits an den Fakultäten vorhandene Lehrveranstaltungen mit dem NKLM abgeglichen und im Rahmen eines Curriculum Mappings kartiert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Kartierung der im Frankfurter Blockpraktikum Chirurgie erlernten Kompetenzen im Sinne eines Curriculum Mappings in Anlehnung an die im NKLM formulierten Lernziele. Zudem wurde folgenden Fragestellungen nachgegangen: Welcher Umfang kompetenzorientierter Lernziele kann Studierenden in einem zweiwöchigen Praktikum Chirurgie vermittelt werden? Wie ist die Vermittlung der einzelnen Kapitel des NKLM im Blockpraktikum Chirurgie gewichtet? Gibt es Unterschiede der erreichten Lernziele in Abhängigkeit des Geschlechts der Studierenden, der besuchten Fachrichtung bzw. des besuchten Lehrkrankenhauses?
Material und Methoden: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Medizinstudierende im zweiten bzw. dritten klinischen Semester unmittelbar nach Abschluss ihres Blockpraktikums Chirurgie gebeten, unter Nutzung eines Online-Fragebogens anzugeben, welche der im NKLM formulierten Lernziele sie im zweiwöchigen Blockpraktikum Chirurgie gelernt haben. Somit konnte für jedes Kapitel dargestellt werden, zu welchem prozentualen Anteil die Lernziele dieses Kapitels erreicht worden sind. Zudem wurden die soziodemographischen Daten der Studierenden, die Fachrichtung des Blockpraktikums und das Lehrkrankenhaus erfasst. Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Wilcoxon-Mann-Whitney Test und dem Kruskal-Wallis Test.
Ergebnisse: Insgesamt nahmen 81 Studierenden (28 Männer, 53 Frauen) aus dem 2. bzw 3. klinischen Semester an der Studie teil. Insgesamt wurden im zweiwöchigen Blockpraktikum Chirurgie 8,78 ± 5,10% (Min. 1,01%; Max. 29,84%) aller Lernziele von den Studierenden erreicht. Hierbei wurden anteilig die meisten Lernziele in den Kapiteln 5-11 (Abschnitt 1 „Ärztliche Rollen“) mit 29,92 ± 15,22% (Min. 0,00%; Max. 63,10%) vermittelt. Aus Abschnitt 2 („Medizinisches Wissen, klinische Fähigkeiten und professionelle Haltungen“) wurden vor allem die Lernziele der Kapitel 14b „Klinisch-praktische Fertigkeiten“ (15,49 ± 7,78% (Min. 0,00%; Max. 41,30%) und 14c „Ärztliche Gesprächsführung“ (22,98 ± 16,47% (Min. 0,00%; Max. 70,69%) von den Studierenden erreicht. Männer geben durchschnittlich an, mehr Lernziele erreicht zu haben als Frauen (9,84% vs. 8,22%; p=0.104731). Weiterhin haben Studierende, die ihr Praktikum in einem Lehrkrankenhaus mit weniger als 100 chirurgischen Bettenplätzen (10,60 ± 6,75%; Min. 2,33%; Max. 29,84%) oder in einer Rotation (9,95 ± 6,67%; Min. 1,90%; Max. 29,84%) durch mehrere Fachrichtungen absolvierten, angegeben mehr Lernziele erreicht zu haben als andere Studierende insgesamt.
Schlussfolgerung: Das zweiwöchige Blockpraktikum Chirurgie in Frankfurt kann den Studierenden (im Hinblick auf die Gesamtdauer des Medizinstudiums) einen großen Anteil der im NKLM formulierten Lernziele vermitteln. Vor allem die Lernziele der „Ärztlichen Rollen“ und der „klinisch-praktischen Fertigkeiten“ werden erlernt. Die Vermittlung gelingt besonders umfangreich in kleineren Lehrkrankenhäusern. Trotzdem bietet das Blockpraktikum Chirurgie den Teilnehmer nur einen kleinen Einblick in den Fachbereich Chirurgie. Für die Vermittlung von spezifischen chirurgischen Fähigkeiten, Prinzipen chirurgischer Diagnostik und Therapie, sowie Aspekte der „Patientenzentrierten Gesundheitsversorgung“ sind andere Formate notwendig.
Die vorliegende Dissertation behandelt das Thema der Wechselstromleitfähigkeit nano-granularer Metalle, welche mit Hilfe der fokussierten elektronenstrahlinduzierten Direktabscheidung (FEBID) hergestellt wurden, sowie der dielektrischen Relaxation in metall-organischen Gerüstverbindungen (MOFs). Sie war eingebettet in das interdisziplinäre Projekt „Dielectric and Ferroelectric Surface-Mounted Metal-Organic Frameworks (SURMOFs) as Sensor Devices“ im Rahmen des DPG-Schwerpunktsprogramms „Coordination Networks: Building Blocks for Functional Systems“ (SPP 1928, COORNETs). Dabei verfolgt sie ein Sensorkonzept zur selektiven Detektion von Analytgasen. Der zentrale Erfolg der Arbeit besteht dabei in neuen Erkenntnissen über die Wechselstromleitfähigkeit nano-granularer Pt(C)-FEBID-Deponate. Die hierbei gewonnen Erkenntnisse können in Zukunft einen weiteren Baustein in der theoretischen Beschreibung dieses grundlegend interessanten und für sensorische Anwendungen wichtigen Teilgebiets der Festkörperphysik darstellen.
Hintergrund: Kardiovaskuläre Erkrankungen sind die Haupttodesursache in den Industrienationen. Viele betroffene Patienten haben nur ein geringes Verständnis für ihre Erkrankung. Insbesondere endovaskuläre Eingriffe überschreiten Vorstellungskraft und Verständnis der Patienten häufig um ein Vielfaches. Die ärztliche Eingriffsaufklärung soll den Patienten Einsicht über das Verfahren und mögliche Komplikationen ermöglichen, um dem Patienten autonome Entscheidungen zu erleichtern. In der einschlägigen Literatur wird vielfach diskutiert, wie sich der Aufklärungsprozess komplizierter Prozeduren, wie etwa einer Herzkatheteruntersuchung, optimieren lässt. Jüngst wurden dabei insbesondere moderne Ansätze, wie multimediale Verfahren oder interaktive Tools evaluiert, wobei diese Methoden nach aktueller Studienlage zu einer Verbesserung des Verständnisses und einer Reduktion der Untersuchungsangst führen konnten. Insbesondere Patienten mit geringem Bildungsniveau profitieren dabei von persönlichen Erfahrungen zur Verbesserung des prozeduralen Verständnisses. Diesen Ergebnissen entsprechend, macht es sich die vorliegende Arbeit zur Aufgabe, zu evaluieren, ob sich die Implementierung eines VR-Simulators in den Aufklärungsprozess einer Herzkatheteruntersuchung positiv auf Informiertheit und Untersuchungsangst bei den Patienten auswirkt.
Patienten und Methoden: Nach mündlicher Einwilligung zur Teilnahme an unserer Studie, erhielt ein Teil der Patienten zusätzlich zur herkömmlichen verbalen Aufklärung eine Demonstration des Untersuchungsablaufs einer PCI an einem VR-Simulator. Zusätzlich erhielten diese Patienten die Möglichkeit eine Katheteruntersuchung am Simulator nachzuempfinden. Für unsere Studie verwendeten wir einen VR-Simulator der Firma Xitact® (später Mentice®) mit einer Software der Firma Cathi®. Der Simulationsgruppe wurden 3 verschiedene Komplikationen mittels Abbildungen demonstriert. Im Anschluss beantworteten sowohl die konventionell, als auch die mit Simulation aufgeklärten Patienten einen von uns konzipierten Fragebogen.
Ergebnisse: Beide Gruppen fühlten sich nach der Aufklärung ausreichend informiert. Bezüglich der subjektiven Informiertheit zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zur konventionellen Aufklärungsmethode (p=0.11). In der Kontrollgruppe bestanden nach konventioneller Aufklärung, trotz guter subjektiver Informiertheit, bei fast 90% der Patienten weiterhin offene Fragen bezüglich der Untersuchung, während sich diese Diskrepanz in der Simulationsgruppe nicht ergab (p<0.00001). Ferner standen die Patienten der Simulationsgruppe der anstehenden Untersuchung ruhiger gegenüber (0=0.049), während die Patienten der Kontrollgruppe angaben, tendenziell unruhig in die Untersuchung zu gehen (p=0.002). Es boten sich keinerlei Hinweise darauf, dass die Demonstration möglicher Komplikationen zu einer verstärkten Untersuchungsangst geführt hätte. Die Implementierung des Simulators hat sich insgesamt positiv auf das prozedurale Interesse des Patienten ausgewirkt.
Schlussfolgerung: Insgesamt hatte die Implementierung des VR Simulators in die Patientenaufklärung überwiegend positive Effekte und keinerlei negativen Effekte. Im direkten Vergleich zur konventionellen Aufklärung zeigten sich bezüglich der Informiertheit zunächst keine signifikanten Unterschiede zur konventionellen Aufklärungsmethode. Die erhobenen Daten deuten jedoch auf eine Überlegenheit der simulationsgestützten Aufklärung in Bezug auf Verständnis und Untersuchungsangst hin. Festzuhalten ist allerdings der hohe zusätzliche zeitliche Aufwand, mit dem eine simulationsgestützte Aufklärung verbunden ist. Die generelle Implementierung eines VR Simulators allein zum Zwecke der Patientenaufklärung wird daher nur bedingt empfohlen. Kliniken, die bereits über einen VR Simulator verfügen, sollten allerdings erwägen, diesen nicht nur für Ausbildungszwecke zu verwenden, sondern auch zum Zwecke der Patientenaufklärung.
Filz zählt neben Fett zu den prägendsten Materialien im Œuvre von Joseph Beuys. Er nutzt es bereits im Frühwerk der 1950er-Jahre und setzt es im Laufe von vier Jahrzehnten künstlerischer Tätigkeit gattungsübergreifend in Collagen, Assemblagen, Skulpturen, Environments und in den Aktionen ein. In den frühen bildhaften Arbeiten in der Fläche verbleibend, nimmt das Textil von hier aus in skulpturalen, installativen und performativen Werken zunehmend räumliche Ausmaße an; mit dieser vielseitigen Verwendung verbunden ist ein selbstreflexiver Impetus, der sich kritisch sowohl gegen die Einheit der Form und damit auch des Kunstwerks als auch gegen die strikte Trennung künstlerischer Gattungen wendet. Das Ausgreifen der Filzarbeiten in den Raum und der damit verknüpfte selbstkritische Ansatz wird in vorliegender Dissertation mit dem Konzept der Selbstkritik der Kunst verknüpft, das von Theodor W. Adorno in seiner 1970 posthum erschienenen „Ästhetischen Theorie“ entwickelt wurde. Das Brüchigwerden der Form, für Adorno Ausgangspunkt werkimmanenter Kritik des Kunstwerks an sich selbst, lässt sich in der jeweiligen Komposition der Filzarbeiten beobachten, wie anhand von Werkanalysen zentraler Filzarbeiten gezeigt wird.
Hintergrund: Die Atheroskleroseexpression unterscheidet sich nicht nur in unterschiedlichen Gefässbetten (koronar, zerebrovaskulär, peripher), sondern auch innerhalb des peripheren Gefässbettes. Der zugrundeliegende Mechanismus für unterschiedliche Atherosklerose-Phänotypen mit proximalem (iliakale Arterien) oder distalem (infragenikuläre Arterien) Atheroskleroseverteilungsmuster ist bis jetzt noch nicht abschliessend geklärt.
Zielsetzung: Das Ziel dieser monozentrischen retrospektiven Kohortenstudie ist es, den Zusammenhang zwischen kardiovaskulären Risikofaktoren und dem Atheroskleroseverteilungs-muster bei Patienten mit PAVK zu untersuchen. Dafür werden symptomatische Patienten mit extremen Atherosklerosephänotypen (proximale vs. distale Atherosklerose) genauer untersucht.
Methodik: Für diese Querschnittsstudie wurden Daten von 15’000 Patienten, welche sich im Zeitraum von 2000-2018 aufgrund einer symptomatischen PAVK einer primären endovaskulären Rekanalisation an den unteren Extremitäten unterziehen liessen, ausgewertet. Dabei wurden die Patienten herausgefiltert, welche angiographisch ein proximales (iliakal) oder distales (krural) Atheroskleroseexpressionsmuster aufwiesen. Von diesen Personen wurden in der Datenbank personen- und gesundheitsbezogene klinischen Angaben extrahiert. In einer multiplen logistischen Regressionsanalyse mit Rückwärtselimination der unabhängigen Variablen wurde der Einfluss verschiedener kardiovaskulärer Risikofaktoren mit proximaler oder distaler Atherosklerosexpression ermittelt.
Resultate: Von insgesamt 637 indentifizierten Patienten (29% Frauen) mit einer primären endovaskulären Rekanalisation hatten 351 (55%) ein proximales und 286 (45%) ein distales Atheroskleroseverteilungsmuster. Weibliches Geschlecht (OR 0.33, (95%CI 0.20-0.54), p=0.011), aktiver Nikotinkonsum (OR 0.16, (95%CI 0.09-0.28), p<0.001), vormaliger Nikotinkonsum (OR 0.33, (95%CI 0.20-0.57), p<0.001), Hypertriglyzeridämie (OR 0.76, (95%CI 0.60-0.96), p=0.021) waren assoziiert mit einem proximalen Befall. Diabetes mellitus (OR 3.25, (95%CI 1.93-5.46), p<0.001), chronische Niereninsuffizienz (OR 1.18, (95%CI 1.08-1.28), p<0.001) und höheres Alter (OR 1.31, (95%CI 1.06-1.61), p=0.011) waren hin-gegen mit einem distalen Befall assoziiert. Andere Faktoren wie Body Mass Index, arterielle Hypertonie, HDL-, LDL-Cholesterin zeigten keine Assoziation mit den untersuchten atherosklerotischen Prädilektionsstellen. Die Resultate der primären Analysen konnten mit den Subgruppenanalysen (Geschlecht, Nikotinkonsum, Diabetes) bestätigt werden.
Schlussfolgerung: Für distale (krurale) Atherosklerose wurden als Hauptrisikofaktoren Diabetes mellitus und chronische Niereninsuffizienz ermittelt. Obwohl kardiovaskuläre Risikofaktoren auf das gesamte Gefässbett wirken, lassen sich aus den Daten in Bezug auf das Atheroskleroseverteilungsmuster eine geschlechtspezifische und eine individuelle Suszeptibilität für kardiovaskuläre Risikofaktoren vermuten. Ausserdem deuten die Daten darauf hin, dass die PAVK mindestens zwei verschiedene atherosklerotische Phänotypen aufweist.
Hintergrund und Fragestellung: Für Menschen mit Depression gestaltet sich der Zugang zu adäquater Versorgung oft schwierig. Sie müssen sich in einer äußerst komplexen Versorgungslandschaft mit vielen Behandlungsoptionen und verschiedenen Anlaufstellen orientieren, sind aber aufgrund der Depressionssymptome teilweise nicht in der Lage, sich selbst aktiv um ihre Behandlung zu kümmern. Für Frauen der ersten Einwanderergeneration konnte gezeigt werden, dass diese zwar mindestens ebenso häufig an Depression erkranken wie Menschen ohne Migrationshintergrund, aber nicht im gleichen Maße an Versorgungsangeboten teilhaben wie die restliche Bevölkerung. Ziel ist es daher, mehr darüber zu erfahren, wie Migrantinnen den Zugang zu Versorgung bei Depression erleben und welche Schwierigkeiten und Verbesserungswünsche sie haben. Es sollen konkrete Ansatzpunkte zur Verbesserung der Versorgung aufgezeigt werden.
Methodisches Vorgehen: Es wurden zwölf teilstrukturierte qualitative Einzelinterviews mit Migrantinnen der ersten Einwanderergeneration geführt, die aufgrund von Depression in Deutschland behandelt wurden. Die Auswertung der Interviews erfolgte mittels qualitativer Inhaltsanalyse.
Ergebnisse: Die Teilnehmerinnen beschreiben zahlreiche Unsicherheiten und Ängste beim Versorgungszugang, den sie als zu schwierig, kompliziert und langwierig erleben. Konkrete Schwierigkeiten sind fehlendes Wissen zu Depressionssymptomen und Behandlungsoptionen, der Umgang mit Stigmatisierung und Vorurteilen, mangelnde Behandlungskoordination und Beratung insbesondere beim Zugang zu ambulanter Psychotherapie, lange Wartezeiten sowie Verständigungsschwierigkeiten. Die Teilnehmerinnen wünschen sich bessere Beratung und Informationsmöglichkeiten zu geeigneten Behandlungsoptionen, niedrigschwelligere Behandlungsangebote, sprachliche Unterstützung insbesondere zu Beginn der Behandlung sowie Aufklärungskampagnen zum Thema Depression für die breite Öffentlichkeit.
Diskussion: Beim Versorgungszugang von Migrantinnen mit Depression besteht Verbesserungsbedarf. Die beschriebenen Schwierigkeiten und Wünsche sollten bei der Planung von Versorgungsangeboten und bei der Behandlung stärker berücksichtigt werden. Konkrete Ansatzpunkte für eine bessere Versorgung sind entstigmatisierende, öffentlichkeitswirksame Informationskampagnen zu den Symptomen und der Behandlung von Depression sowie muttersprachliche Informationsmaterialien für Patientinnen und Patienten zu Depression, den Versorgungsangeboten und den relevanten Grundlagen des Gesundheits- und Sozialsystems. Auch sprachliche Unterstützung im Einzelfall, etwa durch professionelle Sprachmittlerdienste, sollte bei Bedarf ermöglicht werden. Darüberhinaus sind individuelle Unterstützungsangebote bei der Behandlungskoordination und beim Zugang zu ambulanter Psychotherapie nötig sowie mehr Aufmerksamkeit und Einfühlungsvermögen der Behandlerinnen und Behandler für individuell bestehende Vorbehalte und Ängste von Personen mit Migrationshintergrund.
Ziel der Studie: Eine psychische Komorbidität spielt im Kontext mit weiteren persönlichen, sozialen und beruflichen Faktoren bei der Ermittlung des spezifischen Rehabilitationsbedarfs der Patienten in Deutschland eine immer bedeutendere Rolle. Um die Zuweisung von Patienten zu einer Rehabilitationsform besser ausdifferenzieren zu können, soll im Rahmen dieser retrospektiven Analyse ermittelt werden, von welchem der beiden untersuchten Rehabilitationskonzepte (OR/VMO) Patienten mit psychischer Komorbidität unter Berücksichtigung von Geschlecht, Erwerbsstatus und orthopädischer Hauptdiagnose stärker profitieren.
Methodik: Mittels der Screening-Fragebögen HADS-A, HADS-D, SIMBO und BPI sowie eines Klinikfragebogens zu Beginn der Rehabilitation wurden Angaben von 913 Probanden (529 m/384 w) ausgewertet. Hiervon wurden 43 % der OR und 57 % der VMO zugewiesen. So wurde die Häufigkeitsverteilung der Faktoren psychische Komorbidität, Geschlecht, Erwerbsstatus und orthopädische Hauptdiagnose festgestellt. Mittels HADS wurde am Ende der Therapie der Benefit durch Vergleich der Scorewert-Mediane ermittelt.
Ergebnisse: Häufigkeitsverteilungen und die Entwicklung der HADS-Scores zeigen, dass die im Vorfeld erfolgte Einteilung gemäß psychischer Komorbidität korrekt war. Frauen waren häufiger von einer psychischen Komorbidität betroffen und erzielten in der VMO größere Erfolge. Bezüglich der orthopädischen Hauptdiagnose ergab sich eine hohe Prävalenz von HWS- und LWS-Beschwerden. Beim Erwerbsstatus (Arbeits(un)fähigkeit, Arbeitslosigkeit, berufliche Problemlage) zeigte sich ein diffuseres Bild, das keine generalisierende Aussage bezüglich der arbeitsweltbezogenen Faktoren zulässt.
Schlussfolgerungen: Das Vorliegen einer psychischen Komorbidität stellt einen zielführenden Indikator dar, der als eines der Hauptzuweisungskriterien zur VMO beizubehalten ist. Auch das weibliche Geschlecht in Verbindung mit dem Vorliegen einer psychischen Komorbidität ist als adäquates Kriterium anzusehen. Bezüglich der orthopädischen Hauptdiagnose können insbesondere HWS-Beschwerden als Zuweisungskriterium geeignet sein. Aufgrund der sehr heterogenen Ergebnisse hinsichtlich der Aspekte des Erwerbsstatus lässt sich festhalten, dass diesbezüglich eine Zuweisung zu einem arbeitsweltbezogenen Therapiekonzept (z. B. MBOR) zielführender erscheint.
Diese Dissertation befasst sich mit Validierungsstrategien von Tests zur Erfassung studentischer Kompetenzen. Kompetenzen von Studierenden werden zu verschiedenen Zwecken erhoben. Dies beginnt beim Eintritt in das Studium durch Zulassungstests und wird im Studium fortgesetzt z.B. durch Tests zur Zertifizierung von Kompetenz (Benotung von Leistung) oder zur Zuteilung auf bestimmte Kurse (Einteilung in Sprachniveaus). Neben diesen internen Tests zur Erfassung studentischer Kompetenzen werden auch externe Tests genutzt um etwa die Lehre zu verbessern (Evaluation von Veranstaltungen). Die mit dem Einsatz von Tests verbundenen Konsequenzen können sowohl für Studierende als auch Lehrpersonen und Entscheidungsträger*innen schwerwiegend sein. Daher sollten Tests wissenschaftlichen Gütekriterien genügen.
Das wichtigste Kriterium für die Beurteilung von wissenschaftlichen Tests ist Validität. In dieser Dissertation wird ein argumentationsbasiertes Validierungsansatz verfolgt. In diesem wird nicht die Validität eines Tests untersucht, sondern die Plausibilität der Interpretation beurteilt, die mit den Testwerten verbunden ist. Bislang fehlt jedoch für viele der wissenschaftlichen Tests für den deutschen Hochschulbereich ein auf die Testwertinterpretation abgestimmtes Validitätskonzept.
In dieser Arbeit wird ein Validierungsschema vorgestellt, in das übliche Testnutzen der Erfassung studentischer Kompetenzen an deutschen Hochschulen eingeordnet werden können. Die Einordnung von Testnutzen in das Schema erlaubt die Ableitung von passenden Validitätsevidenzen. Im Fokus stehen das Verhältnis von Test zu 1) Konstrukt, 2) Lehre und 3) beruflichen Anforderungen.
Das Validierungsschema wird angewandt, um Testwertinterpretationen eines empirischen Forschungsprojektes zur Erfassung von Kompetenz in Nachhaltigkeitsmanagement bei Studierenden zu validieren. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Validierung der Interpretation, dass die Testwerte von drei nachhaltigkeitsbezogenen Tests Indikatoren für hochschulisch vermittelte Kompetenz in Nachhaltigkeitsmanagement sind. Die Analysen zur Gewinnung von Validitätsevidenzen konzentrieren sich auf die Grundannahme, dass Lernfortschritte in den nachhaltigkeitsbezogenen Tests vorwiegend hochschulisch vermittelt werden. Dafür wurde ein Messwiederholungsdesign mit zwei Gruppen von Studierenden realisiert. Studierende in der Schwerpunktgruppe besuchten ein Semester lang eine reguläre Lehrveranstaltungen mit Bezug zu Nachhaltigkeitsthemen und Nachhaltigkeitsmanagement, Studierende der Kontrollgruppe besuchten keine solchen Lehrveranstaltung. Die Einteilung in Schwerpunkgruppe und Kontrollgruppe erfolgte über Analyse von Modulhandbüchern und verwendeten Lehrmaterialien. Die Ergebnisse zeigen, dass Studierende aus der Schwerpunktgruppe in zwei der drei Tests höhere Lernfortschritte zeigen als Studierende der Kontrollgruppe. Selbstberichte der Studierenden zu hochschulischen und außerhochschulischen Lerngelegenheiten lassen darauf schließen, dass Studierende der Schwerpunkgruppe auch außerhochschulisch ein höheres Interesse an Nachhaltigkeitsthemen zeigen, dies schlägt sich jedoch nicht in höherem Vorwissen in den verwendeten Tests nieder. Insgesamt wird daher für die zwei Tests mit höheren Lernfortschritten in der Schwerpunktgruppe die Interpretation als plausibel bewertet, dass die Testwerte hochschulisch vermittelte Kompetenz in Nachhaltigkeitsmanagement abbilden.
Using walls to navigate the room: egocentric representations of borders for spatial navigation
(2021)
Spatial navigation forms one of the core components of an animal’s behavioural repertoire. Good navigational skills boost survival by allowing one to avoid predators, to search successfully for food in an unpredictable world, and to be able to find a mating partner. As a consequence, the brain has dedicated many of its resources to the processing of spatial information. Decades of seminal work has revealed how the brain is able to form detailed representations of one’s current position, and use an internal cognitive map of the environment to traverse the local space. However, what is much less understood is how neural computations of position depend on distance information of salient external locations such as landmarks, and how these distal places are encoded in the brain.
The work in this thesis explores the role of one brain region in particular, the retrosplenial cortex (RSC), as a key area to implement distance computations in relation to distal landmarks. Previous research has shown that damage to the RSC results in losses of spatial memory and navigation ability, but its exact role in spatial cognition remains unclear. Initial electrophysiological recordings of single cells in the RSC during free exploration behaviour of the animal resulted in the discovery of a new population of neurons that robustly encode distance information towards nearby walls throughout the environment. Activity of these border cells was characterized by high firing rates near all boundaries of the arena that were available to the animal, and sensory manipulation experiments revealed that this activity persisted in the absence of direct visual or somatosensory detection of the wall.
It quickly became apparent that border cell activity was not only modulated by the distance to walls, but was contingent on the direction the animal was facing relative to the boundary. Approximately 40% of neurons displayed significant selectivity to the direction of walls, mostly in the hemifield contra-lateral to the recorded hemisphere, such that a neuron in left RSC is active whenever a wall occupies proximal space on the right side of the animal. Using a cue-rotation paradigm, experiments initially showed that this egocentric direction information was invariant to the physical rotation of the arena. Yet this rotation elicited a corresponding shift in the preferred direction of local head-direction cells, as well as a rotation in the firing fields of spatially-tuned cells in RSC. As a consequence, position and direction encoding in RSC must be bound together, rotating in unison during the environmental manipulations, as information about allocentric boundary locations is integrated with head-direction signals to form egocentric border representations.
It is known that the RSC forms many anatomical connections with other parts of the brain that encode spatial information, like the hippocampus and para-hippocampal areas. The next step was to establish the circuit mechanisms in place for RSC neurons to generate their activity in respect to the distance and direction of walls. A series of inactivation experiments revealed how RSC activity is inter-dependent with one of its communication partners, the medial entorhinal cortex (MEC). Together they form a wider functional network that encodes precise spatial information of borders, with information flowing from the MEC to RSC but not vice versa. While the conjunction between distance and heading direction relative to the outer walls was the main driver of neural activity in RSC, border cells displayed further behavioural correlates related to movement trajectories. Spiking activity in either hemisphere tended to precede turning behaviour on a short time-scale in a way that border cells in the right RSC anticipated right-way turns ~300 ms into the future.
The interpretation of these results is that the RSC’s primary role in spatial cognition is not necessarily on the early sensory processing stage as suggested by previous studies. Instead, it is involved in computations related to the generation of motion plans, using spatial information that is processed in other brain areas to plan and execute future actions. One potential function of the RSC’s role in this process could be to act correctly in relation to the nearby perimeter, such that border cells in one hemisphere are involved in the encoding of walls in the contralateral hemifield, after which the animal makes an ipsilateral turn to avoid collision. Together this supports the idea that the MEC→RSC pathway links the encoding of space and position in the hippocampal system with the brain’s motor action systems, allowing animals to use walls as prominent landmarks to navigate the room.
The aim of this work was to establish a new way of predicting novel dual active compounds by combining classical fingerprint representation with state-of-the-art machine learning algorithms. Advantages and disadvantages of the applied 2D- and 3D-fingerprints were investigated. Further, the impact of various machine learning algorithms was analyzed. The new method developed in this work was used to predict compounds, which inhibit two different targets (LTA4H and sEH) involved in the same disease pattern (inflammation). The development of multitarget drugs has become more important in recent years. Many widespread diseases like metabolic syndrome, or cancer are of a multifactorial nature, which makes them hard to be treated effectively with a single drug. The new in silico method presented in this work can help to accelerate the design and development of multitarget drugs, saving time and efforts.
The nowadays readily available access to a large number of 3D-structures of biological targets and published activity data of millions of synthesized compounds enabled this study and was used as a starting point for this work. Four different data sets were compiled (crystalized ligands from the PDB, active and inactive compounds from ChEMBL23, newly designed compounds using a combinatorial library). Those data sets were collected and processed using an automated KNIME workflow. This automation has the advantage of allowing easy change and update of compound sources and adapted processing ways.
In a next step, the compounds from the compiled data sets were represented using a variety of well-established 2D- and 3D-fingerprints (PLIF, AtomPair, Morgan, FeatMorgan, MACCS). All those fingerprints share the same underlying bit string scheme but vary in the way they describe the molecular structure. Especially the difference between 2D- and 3D-fingerprints was investigated. 2D-fingerprints are solely based on ligand information. 3D-fingerprints, on the other hand, are based on X-ray structure information of protein-ligand complexes. One major difference between 2D- and 3D-fingerprints usage is the need for a 3D-conformation (pose) of the compound in the targets of interest when using 3D-fingerprints. This additional step is time-consuming and brings further uncertainties to the method.
Based on the calculated fingerprints state-of-the-art machine learning algorithms (SVC, RF, XGB and ADA) were used to predict novel dual active compounds. The models were evaluated by 10-fold cross validation and accuracy as the primary measure of model performance was maximized. Second, individual parameters of the four machine learning algorithms were optimized in a grid search to achieve maximal accuracy using the optimized partitioning scheme. Overall accuracies, regardless of fingerprint and machine learning algorithm, are slightly better for LTA4H than for sEH.
The goal to predict dual active compounds was realized by comparing the set of predicted to be active compounds for LTA4H and sEH. For the 3D-fingerprint PLIF the machine learning algorithm Random Forest was chosen, from which compounds for synthesis and testing were selected. Of 115 predicted to be active compounds, six compounds were cherry picked. Two compounds showed very good/moderate dual inhibitory activity. Of the 2D-fingerprints, the AtomPair fingerprint in combination with the machine learning algorithm Random Forest was chosen from which compounds were selected for synthesis and testing. 116 compounds were predicted to be dual active against LTA4H and sEH. One of those compounds showed good dual inhibitory activity.
In this work it was possible to show advantages and disadvantages of using 2D- and 3D-fingerprints in combination with machine learning algorithms. Both strategies (2D: ligand-based, 3D: structure-based) lead to the prediction of novel dual active compounds with moderate to very good inhibitory activity. The method developed in this work is able to predict dual active compounds with very good inhibitory activity and novel (previously unknown) scaffolds inhibiting the targets LTA4H and sEH. This contribution to in silico drug design is promising and can be used for the prediction of novel dual active compounds. Those compounds can further be optimized regarding binding affinity, solubility and further pharmacological and physicochemical properties.
Durch die weltweite Verbreitung von bakteriellen Resistenzgenen wie der Carbapenemase New-Delhi-Metallo-β-Laktamase (NDM), die nahezu alle Beta-Laktamantibiotika spalten kann, und die langwierige Entwicklung neuer Antibiotika, hat die Erforschung von Resistenzdeterminanten eine hohe Priorität. In der vorliegenden Arbeit wurde die neu entdeckte Variante NDM 16b unter epidemiologischen Gesichtspunkten, mit einem in vivo Infektionsmodell sowie die Interaktion von NDM-Varianten mit dem menschlichen Komplementsystem untersucht.
Im ersten Teil der Arbeit erfolgte eine epidemiologische Datenerhebung für 60 blaNDM tragende Patientenisolate des Zeitraums 2007 - 2017 auf Basis klinikinterner Datenbanken zu multiresistenten Erregern und zudem eine quantitative Empfindlichkeitstestung für 13 (Reserve-)Antibiotika. Es fiel eine kontinuierliche Zunahme an NDM-Isolaten und insbesondere von NDM-Varianten mit der Punktmutation M154L auf, da diese Mutation eine erhöhte Hydrolaseaktivität vermittelt. Deutlich erkennbar war eine Korrelation der M154L-Varianten und E. coli. Im Resistenzprofil der blaNDM-positiven Isolate zeigten sich hohe Resistenzraten (> 94%) gegen alle Beta-Laktam-Antibiotika und Fluorchinolone. Fosfomycin und Colistin waren in über 75% der Fälle noch wirksam.
Im zweiten Teil wurden Infektionsversuche mit dem Modellorganismus Galleria mellonella (Larve der großen Wachsmotte) durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass die NDM-Produktion der injizierten Erreger keinen Einfluss auf die Pathogenität hatte. Zudem konnte in Therapieversuchen mit Imipenem im lebenden Organismus gezeigt werden, dass über die bakterielle NDM-Produktion die Resistenz gegen Imipenem vermittelt wird.
Im dritten Teil der Arbeit wurden die NDM-Varianten NDM 1Δ28, NDM 4Δ28 und NDM 16bΔ28 hinsichtlich ihres inhibitorischen Potentials auf Komplement untersucht. Mit den erzielten Ergebnissen der funktionellen Tests konnte für den klassischen und den Lektinweg eine signifikante Hemmung durch alle drei NDM Varianten nachgewiesen werden. Ein direkter Vergleich der einzelnen NDM-Varianten ergab, dass NDM 1Δ28 die stärkste und NDM 16bΔ28 die schwächste Inhibition auf den klassischen Komplementweg ausübte. Bindungsanalysen mit einzelnen Komplementkomponenten (C3, C3b, C3c, C4 und C4b) ließen auf eine Interaktion von NDM 1Δ28 mit C4b schließen.
Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Fortführung epidemiologischer Untersuchungen von NDM Varianten und erbringt den in vivo Nachweis für Resistenzvermittlung durch NDM. Weiterhin wurde gezeigt, dass NDM neben der Carbapenemasefunktion auch eine immunmodulierende Wirkung erfüllt, indem der klassische und Lektinweg des Komplementsystems gehemmt wird. Damit liegt die Vermutung nahe, dass die globale Ausbreitung von NDM-produzierenden Erregern nicht nur durch die Vermittlung der Antibiotikaresistenz, sondern auch durch eine Immunevasion bedingt ist. Zukünftig könnte somit die Erforschung des Mechanismus der Immunevasion ebenso interessant sein wie die Suche nach wirksamen Inhibitoren der NDM.
Der Verzehr von radioaktiv belasteten Pilzfruchtkörpern stellt ein Gesundheitsrisiko für den Menschen dar und auch fast 35 Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 sind Pilze aus Waldökosystemen zum Teil noch stark durch das ausgetretene radioaktive 137Cs belastet. Die Einschätzung der Belastung und somit des Gesundheitsrisikos ist aufgrund einer Vielzahl von Einflussfaktoren, wie z. B. der Pilzart, der Tiefe des Myzels, der Bodenkontamination und der Feuchtigkeit des Bodens, schwierig. Ziel dieser Arbeit war es die Variabilität, den Einfluss verschiedener Faktoren sowie die effektive Halbwertszeit der 137Cs-Aktivität in Pilzfruchtkörpern zu ermitteln. Des Weiteren wurde überprüft, ob die Bodenkontamination für eine Abschätzung der 137Cs-Aktivität von Pilzfruchtkörpern herangezogen werden kann. Für die Untersuchungen wurden über mehrere Jahre Proben von Maronenröhrlingen (Imleria badia) und Steinpilzen (Boletus edulis) aus vier Waldgebieten in Mittel- und Süddeutschland mit unterschiedlichem Aktivitätseintrag nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986 analysiert. Die Gebiete waren Eichenzell, Wülfersreuth, Oberschönenfeld und der Nationalpark Bayerischer Wald. Als Ergänzung dienten zugesendete Proben derselben Pilzarten von Mitgliedern aus Pilzvereinen aus ganz Deutschland. Zusätzlich zu den Pilzproben wurden Bodenproben gemessen, um zum einen die aktuelle Bodenkontamination zu bestimmen und zum anderen zu überprüfen, ob der Großteil des 137Cs weiterhin im Bereich des Pilzmyzels zu finden ist.
Für die Untersuchung der örtlichen Variabilität der 137Cs-Aktivität wurden Maronenröhrlinge (Imleria badia) aus dem Waldgebiet Eichenzell in den Jahren 2017 bis 2019 analysiert. Innerhalb eines Sammeltages variierten die Messwerte verschiedener Proben innerhalb des Waldgebietes teilweise um den Faktor sechs. Dabei ist die Variabilität innerhalb eines Teilgebietes größer als zwischen beiden Teilgebieten des Waldgebietes Eichenzell. Für ein repräsentatives Ergebnis eines Gebietes ist es aufgrund der Variabilität erforderlich, eine ausreichende Menge an Fruchtkörpern zu analysieren.
Um die effektive Halbwertszeit der 137Cs-Aktivität in Maronenröhrlingen (Imleria badia) zu ermitteln, wurden Proben aus drei Waldgebieten über fünf bis neun Jahre analysiert. Die Wahl der drei Waldgebiete erfolgte anhand des 137Cs-Aktivitätseintrags nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl im Jahr 1986. Die Bodenkontaminationswerte variieren von 3.000 Bq/m² in Eichenzell über 12.500 Bq/m² in Wülfersreuth bis 35.000 Bq/m² in Oberschönenfeld. Die effektiven Halbwerts-zeiten liegen in einem engen Bereich von 5,2 bis 5,8 Jahre mit einem Mittelwert von 5,4 ± 0,3 Jahren. Damit reduziert sich die radioaktive Belastung der Pilzfruchtkörper in etwa fünfmal schneller als durch die rein physikalische Halbwertszeit des 137Cs von 30,08 Jahren. Durch die Hinzunahme von bereits im Jahr 1990 veröffentlichten Daten ergab sich eine längere effektive Halbwertszeit von 7,7 ± 0,6 Jahren.
Für die Untersuchung der zwei Einflussfaktoren Exposition des Sammelgebiets (Hangausrichtung nach Ost oder West) und Höhenlage wurden sowohl Maronenröhrlinge (Imleria badia) als auch Steinpilze (Boletus edulis) hinsichtlich der 137Cs-Aktivität gemessen, um die Auswirkung auf Pilzarten mit unterschiedlichem Akkumulationsvermögen zu analysieren. Als Untersuchungsgebiet diente der Nationalpark Bayerischer Wald, da dieser ein großes Gebiet umfasst und verschiedene Ausprägungen der beiden Faktoren abbildet. Zudem wurde das Gebiet in Folge der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl stark kontaminiert und der Park ist ein beliebtes Pilzsammelgebiet. Anhand der 137Cs-Aktivität von Bodenproben konnte das Gebiet in zwei Regionen (Cluster) eingeteilt werden: eine Region mit hohem und eine mit niedrigem Aktivitätseintrag. Im Vergleich wiesen Maronenröhrlinge (Imleria badia) durchschnittlich eine um den Faktor fünf höhere 137Cs-Aktivität als Steinpilze (Boletus edulis) auf. Der Faktor Höhenlage zeigte im Gegensatz zur Exposition einen Einfluss auf die Kontamination der Pilzfruchtkörper. In Bezug auf die Höhenlage war der Einfluss nur im Falle eines hohen Aktivitätseintrags signifikant, wobei die Pilzproben aus der niedrigsten Höhenlage am höchsten belastet waren.
Zur Ermittlung der vertikalen Verteilung des 137Cs im Boden wurden in den Waldgebieten Eichenzell und Nationalpark Bayerischer Wald Proben bis zu einer Tiefe von 24 cm entnommen und anschließend in 2 cm Schichten analysiert. Alle Verteilungen konnten mit einem Gauß-Fit oder einem multiplen Gauß-Fit mit 2 bis 3 Maxima abgebildet werden. Das erste Maximum lag in allen Fällen in den organischen Horizonten oder im Übergangsbereich zum Ah-Horizont. Folglich befindet sich der Großteil des 137Cs fast 35 Jahre nach der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl immer noch im Bereich des Pilzmyzels und kann somit von den Pilzen aufgenommen und in den Fruchtkörpern angereichert werden.
Der Vergleich der 137Cs-Aktivität der Pilz- und Bodenproben aus dem Nationalpark Bayerischer Wald ergab sowohl für Maronenröhrlinge (Imleria badia) als auch für Steinpilze (Boletus edulis) eine positive Korrelation. Nach Unterteilung der Proben anhand der Höhenlage zeigte sich eine noch stärkere Korrelation. Dies zeigt, dass neben der Bodenkontamination auch die Höhenlage einen Einfluss auf die 137Cs-Aktivität der Fruchtkörper hat.
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1. Das Wachstum und die Fähigkeit zur Butyratproduktion von E. callanderi KIST612 wurde in geschlossenen Batch-Kulturen mit den Substraten Glukose, Methanol, Formiat, H2 + CO2 und CO untersucht. E. callanderi KIST612 zeigte sich nur bei Wachstum auf 20 mM Glukose oder 20 mM Methanol in der Lage, Butyrat in größeren Mengen (3,7 – 4,3 mM) zu produzieren. Das Hauptprodukt bei allen untersuchten Wachstumssubstraten war jedoch Acetat.
2. In bioinformatischen Analysen des Genoms von E. callanderi KIST612 konnte nur eine A1AO-ATP-Synthase gefunden werden, welche eine V-typ c-Untereinheit bestehend aus 4 TMH‘s mit nur einer Na+-Bindestelle aufweist. Diese konnte aus gewaschenen Membranen von E. callanderi durch Saccharose-Dichtegradientenzentrifugation, Anionenaustausch-Chromatographie (DEAE) sowie einer Größenausschluss-Chromatographie (Superose 6) bis zur apparenten Homogenität gereinigt werden. Nach Produktion einzelner Untereinheiten (A, B, C, D, E, F und H) in E. coli und Generierung von Antikörpern, konnten alle Untereinheiten (A, B, C, D, E, F, H, a sowie c) in der gereinigten Enzympräparation immunologisch oder mittels „Peptide-Mass-Fingerprinting“ nachgewiesen werden. Es konnte somit erstmals eine A1AO-ATP-Synthase aus einem mesophilen Organismus ohne Verlust von Untereinheiten gereinigt werden.
3. Der Gesamtkomplex wies unter nativen Bedingungen eine molekulare Masse von ca. 670 kDa auf. In elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigte sich anhand der hantelförmigen Strukturen, dass die A1AO-ATP-Synthase als intakter Gesamtkomplex gereinigt werden konnte.
4. Die gereinigte A1AO-ATP-Synthase wurde zunächst anhand ihrer ATP-Hydrolyse-Aktivität biochemisch charakterisiert. Die ATP-Hydrolyse-Aktivität hatte ein pH-Optimum von 7 – 7,5 und ein Temperaturoptimum bei 37 °C. Durch Messung der ATPase-Aktivität in Abhängigkeit von verschiedenen Mengen an Na+ konnte die vorhergesagte Na+-Abhängigkeit des Enzyms nachgewiesen werden. Zudem zeigten Hemmstoffexperimente mit DCCD, dass dieser Inhibitor mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert. Dies bestätigte nochmals, dass das Enzym funktionell gekoppelt gereinigt werden konnte.
5. Zur weiteren Untersuchung der Ionenspezifität wurde der an die ATP-Hydrolyse gekoppelte Ionentransport durch Rekonstitution des Enzyms in Liposomen und anschließender Messung des Na+- oder H+-Transports gemessen. In den Proteoliposomen konnte mit Hilfe von 22Na+ gezeigt werden, dass das Enzym Natriumionen translozieren kann. Während in Anwesenheit des Natriumionophors ETH 2120 kein 22Na+-Transport beobachtet werden konnte, führte die Anwesenheit des Protonophors TCS zu einer geringfügigen Stimulation der 22Na+-Translokation. Insgesamt konnte ein primärer Na+-Transport nachgewiesen werden, welcher von der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi katalysiert wird.
6. Durch Rekonstitution der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi in Liposomen konnte erstmals biochemisch nachgewiesen werden, dass ein solches Enzym trotz seiner V-Typ c-Untereinheit in der Lage ist, ATP zu synthetisieren. Durch die Zugabe von Ionophoren (ETH 2120 und TCS) konnte der elektrochemische Ionengradient aufgehoben werden, wodurch keine ATP-Synthese beobachtet werden konnte. Der erstmalige Nachweis der ATP-Synthese wurde bei einem ΔµNa+ von 270 mV erbracht.
7. Die ATP-Synthese zeigte sich ebenfalls abhängig von der Na+-Konzentration. Der KM-Wert lag bei 1,1 ± 0,4 mM und war vergleichbar mit dem für die ATP-Hydrolyse ermittelten Wert. Ebenso konnte für die ATP-Synthese-Richtung gezeigt werden, dass DCCD mit Na+ um die gemeinsame Bindestelle in der c-Untereinheit konkurriert.
8. Um den biochemischen Nachweis zu erbringen, dass die A1AO-ATP-Synthase auch unter physiologisch relevanten Potentialen zur ATP-Synthese befähigt ist, wurde der energetische Schwellenwert der ATP-Synthese bestimmt. Dieser betrug 87 mV als Triebkraft für ΔpNa, 94 mV als Triebkraft für Δψ und 90 mV als Triebkraft für ΔµNa+. Erstaunlicherweise konnte die ATP-Synthese der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 sowohl durch Δψ als auch ΔpNa angetrieben werden. Unterschiedliche Kombinationen von Δψ und ΔpNa führten zu dem gleichen energetischen Schwellenwert; Δψ und ΔpNa waren im Enzym aus E. callanderi KIST612 äquivalente Triebkräfte.
9. Der energetische Schwellenwert der A1AO-ATP-Synthase aus E. callanderi KIST612 wurde mit dem der F1FO-ATP-Synthasen aus A. woodii, E. coli und P. modestum verglichen. Dazu wurden die Enzyme im ATP-Synthase-defizienten E. coli-Stamm DK8 produziert und anschließend durch Ni2+-NTA-Affinitätschromatographie gereinigt. Nach Einbau der Enzyme in Liposomen waren alle Enzyme in der Lage, ATP als Reaktion auf ΔµNa+ (A. woodii und P. modestum) oder ΔµH+ (E. coli) zu synthetisieren. Im Vergleich zum Enzym aus E. callanderi zeigten sich zwei auffällige Unterschiede. Erstens war keine der F1FO-ATP-Synthasen in der Lage, ΔpNa/ΔpH als alleinige Triebkraft zu nutzen. Während die ATP-Synthese in den Enzymen aus E. coli und P. modestum nur durch ΔµH+ bzw. ΔµNa+ angetrieben werden konnte, konnte das Enzym aus A. woodii zusätzlich auch durch Δψ als einzige Triebkraft angetrieben werden.
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Ziel dieser Arbeit war es, einen genaueren Einblick in die Rolle von PaCLPXP für den Energiemetabolismus von P. anserina zu erhalten und mögliche Komponenten zu identifizieren, welche wichtig für die Langlebigkeit der PaClpP-Deletionsmutante sind. Folgende neue Erkenntnisse konnten hierbei gewonnen werden:
1. Die Substrat-Analyse durch eine Cycloheximid-Behandlung und anschließender Proteom-Analyse legte erfolgreich eine Reihe potentieller bisher nicht bekannter Substrate von PaCLPP offen. Interessanterweise waren unter den identifizierten Proteinen viele ribosomale Untereinheiten und Komponenten verschiedener Stoffwechselwege des Energiemetabolismus zu finden. Am auffälligsten unter diesen Substraten war die extreme Anreicherung eines Retikulon-ähnlichen Proteins, das einen neuen Aspekt der möglichen molekularbiologischen Rolle von PaCLPP in P. anserina andeutet.
2. Durch die Zugabe von Butyrat zum Medium, konnte erfolgreich die Autophagie sowohl im P. anserina Wildtyp als auch in der PaClpP-Deletionsmutante reduziert werden. Diese Verminderung der Autophagie sorgt bei ΔPaClpP für eine Verkürzung der Lebensspanne. Dieser Effekt ist spezifisch für die PaClpP-Deletionsmutante, während die Auswirkung von Butyrat auf den Wildtyp nur marginal ist. Dieses Ergebnis untermauert frühere Analysen dieser Deletionsmutante, welche besagen, dass die Langlebigkeit von ΔPaClpP Autophagie abhängig ist (Knuppertz und Osiewacz, 2017).
3. Die Metabolom-Analyse von ΔPaClpP im Vergleich zum Wildtyp zeigt, dass das Fehlen der PaCLPP zu Veränderungen in der Menge der Metaboliten der Glykolyse und des Citratzyklus kommt. Außerdem sind die Mengen der meisten Aminosäuren und der Nukleotide betroffen. Diese Analyse beweist, dass das Fehlen dieser mitochondrialen Protease weitreichende Folgen für die ganze Zelle hat. Durch die signifikante Verringerung von ATP und die Anreicherung von AMP in jungen ΔPaClpP-Stämmen und durch den Umstand der gesteigerten Autophagie in dieser Mutante, fiel das Augenmerk auf die AMPK. Dieses veränderte AMP/ATP-Verhältnis ist ein Indiz für eine gesteigerte AMPK-Aktivität und könnte auch den Umstand der gesteigerten Autophagie in ΔPaClpP erklären.
4. Das Gen codierend für die katalytische α-Untereinheit der AMPK (PaSnf1) konnte erfolgreich in P. anserina deletiert werden. Das Fehlen von PaSNF1 führt zu einer reduzierten Wuchsrate, eine beeinträchtige weibliche Fertilität und eine verzögerte Sporenreifung. Es konnte gezeigt werden, dass die Autophagie infolge einer PaSnf1-Deletion nicht gänzlich unterdrückt wird, PaSNF1 allerdings für die Stress-induzierte Autophagie notwendig ist. Überraschenderweise führt die Abwesenheit von PaSNF1 zu einer verlängerten Lebensspanne im Vergleich zum Wildtyp. Die meisten Effekte infolge einer PaSnf1-Deletion konnten durch die Einbringung eines FLAG::PaSNF1-Konstrukts komplementiert werden.
5. Eine gleichzeitige PaSnf1 und PaClpP-Deletion führt zu eine unerwarteten, extremen Lebenspannenverlängerung, die die Verlängerung der Lebensspanne bei der PaClpP-Deletionsmutante noch übertrifft. Interessanterweise geht dieser Phänotyp nicht mit einer erhöhten Autophagie einher. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass das Fehlen von PaSNF1 sowohl in ΔPaSnf1 als auch in ΔPaSnf1/ΔPaClpP zu einer veränderten Mitochondrien-Morphologie im Alter führt. Die Abwesenheit von PaSNF1 verursacht, dass die Stämme auch im Alter (20d) noch überwiegend filamentöse Mitochondrien aufweisen. Zudem zeigen die drei analysierten Deletionsstämme (ΔPaSnf1, ΔPaClpP und ΔPaSnf1/ΔPaClpP) massive Einschränkungen wenn sie auf die mitochondriale Funktion angewiesen sind.
6. Auffallend war, dass bei ΔPaSnf1, ΔPaClpP und bei ΔPaSnf1/ΔPaClpP die Stämme mit dem Paarungstyp „mat-“ langlebiger sind als die Stämme mit dem Paarungstyp „mat+“. Dieser Effekt ist bei der ΔPaSnf1/ΔPaClpP-Doppelmutante am stärksten ausgeprägt. Weitere Untersuchungen dazu ergaben, dass die Paarungstypen immer dann eine Rolle spielen, wenn die Stämme mitochondrialem Stress ausgesetzt, oder aber auf die mitochondriale Funktion angewiesen sind. Verantwortlich für diese Unterschiede sind zwei rmp1-Allele, die mit den unterschiedlichen Paarungstyp-Loci gekoppelt sind und mit dem jeweiligen Paarungstyp-Locus vererbt werden (rmp1-1 mit „mat-“; rmp1-2 mit „mat+“).
Untersuchungen zum HIV-assoziierten Immun-Rekonstitutions-Inflammationssyndrom bei Tuberkulose
(2021)
HIV- und Tuberkulose (TB)-koinfizierte Patienten können nach Beginn einer antiretroviralen Therapie (ART) als Komplikation ein Immunrekonstitutionssyndrom (IRIS) entwickeln. Dabei kommt es zu einem Neuauftreten oder einer Verschlechterung von klinischen Symptomen oder radiologischen Befunden im Zusammenhang mit der TB. Präsentieren kann sich ein IRIS entweder als eine plötzliche Verschlechterung der Infektion nach ART-Beginn („paradoxical/paradoxes IRIS“) oder durch ein Demaskieren einer vorher klinisch inapparenten und unbehandelten Infektion („unmasking/demaskierendes IRIS“). Aufgrund nicht einheitlich definierter Diagnosekritierien kann die Diagnosestellung im klinischen Alltag eine Herausforderung darstellen.
Ziel dieser Dissertation war es deshalb, klinische Charakteristika, Risikofaktoren und ggf. protektive Faktoren für die Entwicklung eines IRIS bei TB zu identifizieren. Diese Ergebnisse sollten zu besseren Verständnis und Vorhersagen von IRIS im Zusammenhang mit TB beitragen.
Dazu wurden retrospektiv Daten von 52 Patienten, die im Zeitraum 01.01.2010 - 30.06.2016 mit einer HIV-Infektion und zur Behandlung einer aktiven Tuberkulose stationär in der Infektiologie des Uniklinikums Frankfurts aufgenommen wurden, pseudonymisiert erfasst. Es wurden u. a. Arztbriefe, Laborbefunde, Fieberkurven und Visitenberichte aus dem Patientenmanagementprogramm „ORBIS“, der Datenbank „epidem“ und des Laborinformationsprogramms „Nexus swisslab“ des Uniklinikums Frankfurt genutzt. Zu den Parametern gehörten neben patientenspezifischen Daten wie Alter und Geschlecht unter anderem auch Routinelaborparameter, Serologien, Art der TB, genaue ART und TB-Therapien und Laborparameter, die zur Beurteilung einer Entwicklung der Immunrekonstitution und der virologischen Suppression hinweisend sind. Dazu zählen insbesondere HI-Viruslastwerte, CD4- und CD8-Zellzahlen für einen Zeitraum von 48 Wochen ab ART-Beginn.
Zur Untersuchung der unterschiedlichen IRIS-Arten wurden die Patienten in zwei Gruppen aufgeteilt: bereits mit einer ART vorbehandelte Patienten, bei denen somit die Entwicklung eines demaskierendem IRIS möglich war, und ART-naive Patienten, die theoretisch ein paradoxes IRIS entwickeln konnten. Durch Beurteilung des Krankheitsverlaufes und unter spezieller Berücksichtigung der HI-Viruslast im Verlaufe der ART wurde nach der IRIS-Definition von French et al. (2004) festgelegt, ob ein IRIS vorlag. Bei unklaren Fällen erfolgte eine gemeinsame Besprechung und definitive Einteilung im kliniksinternen Kolloquium. Schließlich wurde die statistische Auswertung mithilfe des Statistikprogramms „bias“ durchgeführt und dabei jeweils die „IRIS“ mit der „Nicht-IRIS“-Gruppe verglichen. Angewandt wurden der Exakte Fisher-Test für kategorische und der Wilcoxon-Mann-Whitney-Test für numerische Variablen.
Die paradoxe IRIS-Inzidenz betrug 29,7 %, die demaskierende IRIS-Inzidenz 46,7 %. Am häufigsten präsentierte sich das IRIS in der Frankfurter Kohorte mit Fieber, am zweithäufigsten als Lymphadenopathie oder mit respiratorischen Beschwerden. Für sowohl Patienten mit paradoxem als auch demaskierendem IRIS zeigte sich ein signifikant längerer Krankenhausaufenthalt als für Patienten, die kein IRIS entwickelten. Sonst wurden für das demaskierende IRIS keine weiteren statistisch signifikanten Parameter gefunden, u. a. aufgrund Limitationen wie der sehr kleinen Studienpopulation (15 Patienten).
Patienten mit paradoxem IRIS hatten zudem eine signifikant höhere Rehospitalisierungsrate (63,3 % vs. 15,4 %; p= 0,006), was die klinische Relevanz aufzeigt. Außerdem korrelierten extrathorakale TB-Manifestationen (p= 0,025), niedrige CD4+-Lymphozyten-Zellzahl (p= 0,006) und hohe Viruslast (p= 0,017) vor ART-Beginn mit einer paradoxen TB-IRIS-Entwicklung. Diese Patienten sollten folglich nach ART-Beginn besonders engmaschig klinisch kontrolliert werden, da bei ihnen ein IRIS wahrscheinlicher ist. Ebenfalls statistisch signifikant zeigte sich erhöhte Laktatdehydrogenase (LDH) und erniedrigtes Albumin im Serum. In Kombination mit den davorgenannten Parametern könnten die Werte dabei behilflich sein, das individuelle paradoxe IRIS-Risiko bei Tuberkulose einzuschätzen. ART-Bestandteile oder Zeit zwischen dem Beginn der TB-Therapie und ART hatten in der Studie keinen Einfluss.
Im EU-Projekt „Regulatory Control Networks of Synthetic Lethality“ (SYNLET) wurden durch Vergleich der Genexpressionsprofile auf Transkriptionsebene von parentalen sensitiven Neuroblastom-Zelllinien und ihren Vincristin-resistenten Sublinien bioinformatisch 40 Kandidatengene ermittelt, die für Vincristin-Resistenz und damit Zellüberleben essentiell sein könnten. Diese Kandidatengene wurden im Rahmen dieser Dissertation einzeln in Neuroblastomzellen der Vincristin-resistenten Sublinie UKF-NB-2rVCR20 herunterreguliert durch Transfektion (Elektroporation) von small interfering RNAs (siRNAs; knock down). Anschließend wurden die Zellen ohne und mit verschiedenen Vincristin-Konzentrationen auf Zellviabilitätsveränderungen getestet. Beim Kandidatengen mit den niedrigsten Zellviabilitäten (SMARCC1) wurde ein Western Blot gemacht, um die Herunterregulierung zu bestätigen. Zu Beginn wurde das effektivste Programm zur Elektroporation der UKF-NB-2rVCR20-Zellen durch eine Transfektionsoptimierung ermittelt. Alle Kandidatengene wurden 2x transfiziert, bei unklaren oder besonders interessanten Ergebnissen auch 3x. Als positive Kontrolle wurde der ABC-Transporter MDR1 herunterreguliert, da hier die Auswirkungen auf die Resistenz gegen Vincristin bekannt sind. Bei 10 von 40 Kandidatengenen waren die Zellviabilitäten ohne Vincristin und/oder bei mindestens einer Vincristin-Konzentration extrem verändert (FOXJ1, MAP2K1, NFYB, RICS, SMARCA1, SMARCB1, SMARCC1, STK35, TOCA1 und TPM2). Das entspricht einem Prozentsatz von 25 % Kandidatengenen, bei denen die bioinformatisch vorhergesagte Wirkung in vitro bestätigt werden konnte. Allerdings sind bei diesen 10 effektiven Kandidatengenen auch 2 Gene dabei, nach deren Herunterregulierung es zu einer erhöhten Zellviabilität kam (FOXJ1 und RICS). Bei der Frage, welche Gene das Absterben der Tumorzellen beschleunigen und als ein mögliches Therapieziel in Frage kommen könnten, bleiben also 8 Kandidatengene (20 % aller Kandidatengene). Das interessanteste Kandidatengen ist SMARCC1, da die Herunterregulierung alleine (ohne Zugabe von Vincristin) zu einer massiven Abnahme der Zellviabilität führte. Damit stellt SMARCC1 ein interessantes Ziel zur Therapie in Tumorzellen dar.
Geochemical investigations on biogenic carbonates are commonly conducted to reconstruct the environmental conditions of the past. However, different carbonate producers incorporate elements to varying degrees, due to biological vital effects. Detecting and quantifying these effects is crucial to produce reliable reconstructions. These paleoreconstructions are of great importance to evaluate the consequences of our recent climate change and identify control mechanisms on the distribution of endangered species such as Desmophyllum pertusum. In chapter three we tested Mg/Ca, Sr/Ca and Na/Ca ratios on this species, among other coldwater scleractinians, to test if they provide reliable proxy information. The results reveal no apparent control of Mg/Ca or Sr/Ca ratios through seawater temperature, salinity or pH. Na/Ca ratios appear to be partly controlled by the seawater temperature, which is also true for other aragonitic organisms such as warm-water corals and the bivalve Mytilus edulis. However, a large variability complicates possible reconstructions by means of Na/Ca. In addition, we explore different models to explain the apparent temperature effect on Na/Ca ratios based on temperature sensitive Na and Ca pumping enzymes.
The bivalve Acesta excavata is commonly found in cold-water coral reefs among the North Atlantic, together with D. pertusum. Multiple linear regression analysis, presented in chapter four, indicates that up to 79% of the elemental variability in Mg/Ca, Sr/Ca and Na/Ca is explainable with temperature and salinity as independent predictor variables. Vital effects, for instance growth rate effects, are evident and make paleoreconstructions not feasible. Furthermore, organic material embedded in the shell, as well as possible stress effects can drastically change the elemental composition. Removal of these organic matrices from bulk samples for LA-ICP-MS (laser ablation inductively coupled mass spectrometer) measurements by means of oxidative cleaning is not possible, but Na/Ca ratios decrease after this cleaning. This is presumably an effect of leaching and not caused by the removal of organic matrices.
Interesting biogeochemical relations were found in the parasitic foraminifera H. sarcophaga. We report Mg/Ca, Sr/Ca, Na/Ca and Mn/Ca ratios measured in H. sarcophaga from two different host species (A. excavata and D. pertusum) in chapter five. Sr/Ca ratios are significantly higher in foraminifera that lived on D. pertusum. This could indicate that dissolved host material is utilized in shell calcification of H. sarcophaga, given the naturally higher strontium concentration in the aragonite of D. pertusum. Mn/Ca ratios are highest in foraminifera that lived on A. excavata but did not fully penetrate the host’s shell. Most likely, this represents a juvenile stadium of the foraminifera during which it feeds on the organic
periostracum of the bivalve, which is enriched in Mn and Fe. The isotopic compositions are similarly affected, both δ18O and δ13C values are significantly lower in foraminifera that lived 23on D. pertusum compared to specimen that lived on A. excavata. Again, this might represent the uptake of dissolved host material or different pH regimes in the calcifying fluid of the hosts (bivalve < 8, coral > 8) that control the extent of hydration/hydroxylation reactions. Temperature reconstructions are possible using stable oxygen isotopes on this foraminifera species; however, the results are only reliable if the foraminifera lived on A. excavata. Samples of H. sarcophaga from D. pertusum would lead to overestimations of the seawater temperature due to the lower δ18O values.
Apart from biological vital effects, storage and preservation methods can significantly change the geochemical composition of different marine biogenic carbonates. In chapter six this is presented on the example of ethanol preservation, a common technique to allow extended storage of biogenic samples. The investigation reveals a significant decrease of Mg/Ca and Na/Ca ratios even after only 45 days storage in ultrapure ethanol. Sr/Ca ratios on the other hand are not influenced.
Besides temperature, salinity and pH further environmental parameters are important such as nutrient availability, especially for the distribution of cold-water corals. In chapter seven we extend the investigations on A. excavata by including the elemental ratios Ba/Ca, Mn/Ca and P/Ca. We expected P/Ca to be helpful in the otherwise difficult process of dentifying growth increments. Based on our observations we had to refute this theory. P/Ca ratios are not systematically enriched in the vicinity of growth lines. Instead, we found a regular sequence of peaks of Ba/Ca, P/Ca and Mn/Ca. This sequence as well as the peaks in general are potentially caused by equential blooms of different algae, diatoms and other planktonic organisms ...
Topological phases set themselves apart from other phases since they cannot be understood in terms of the usual Landau theory of phase transitions. This fact, which is a consequence of the property that topological phase transitions can occur without breaking symmetries, is reflected in the complicated form of topological order parameters. While the mathematical classification of phases through homotopy theory is known, an intuition for the relation between phase transitions and changes to the physical system is largely inhibited by the general complexity.
In this thesis we aim to get back some of this intuition by studying the properties of the Chern number (a topological order parameter) in two scenarios. First, we investigate the effect of electronic correlations on topological phases in the Green's function formalism. By developing a statistical method that averages over all possible solutions of the manybody problem, we extract general statements about the shape of the phase diagram and investigate the stability of topological phases with respect to interactions. In addition, we find that in many topological models the local approximation, which is part of many standard methods for solving the manybody lattice model, is able to produce qualitatively correct phase transitions at low to intermediate correlations.
We then extend the statistical method to study the effect of the lattice, where we evaluate possible applications of standard machine learning techniques against our information theoretical approach. We define a measure for the information about particular topological phases encoded in individual lattice parameters, which allows us to construct a qualitative phase diagram that gives a more intuitive understanding of the topological phase.
Finally, we discuss possible applications of our method that could facilitate the discovery of new materials with topological properties.
My PhD work employed genetic and pharmacological manipulations, coupled with highresolution live imaging, to understand intercellular communications during zebrafish cardiovascular development. The heart is the first organ to form, and it is composed of several tissues, among which interactions are crucial. I identified two important interactions between muscular and non-muscular tissues in poorly characterized contexts, and the molecules required for the signalling. First, I discovered an important cellular and molecular crosstalk orchestrating the development of the cardiac outflow tract (i.e., the aortic root in mammals).
Endothelial-derived TGF-beta signalling controls the generation of the local extracellular matrix (ECM). The ECM in turn affects endothelial proliferation as well as smooth muscle cell organization (Boezio et al, 2020; Bensimon-Brito*, Boezio* et al, 2020). In my second project, I investigated the crosstalk between the epicardial layer and the myocardial wall. By generating epicardial-impairment models, I identified a novel role for the epicardium in regulating cardiomyocyte volume during heart development (Boezio et al, 2021). Ultimately, this research contributed to our understanding of how paracrine signalling controls the multicellular interactions integral to organogenesis.
In dieser Dissertation wird der Frage nachgegangen, inwiefern sich unangemessene Behandlung in der praktischen Ausbildung zwischen Medizinstudierenden und Studierenden anderer Studienfächer unterscheidet. Zudem wird untersucht, welcher Einfluss der Hierarchie im angestrebten Beruf von den Probanden diesbezüglich zugemessen wird. Auch wird untersucht, wie sich Persönlichkeitsmerkmale auf die Wahrscheinlichkeit, unangemessene Behandlung zu erleben, auswirken.
Ziel dieser Dissertation ist es, die Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts-Eigenschaften des stark wechselwirkenden QGP-Mediums nahe dem Phasenübergang unter extremen Bedingungen von hohen T und hohen Baryonendichten mit Hilfe der kinetischen Theorie im Rahmen von effektiven Modellen zu untersuchen. Wir werden zunächst die thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs in der Nähe des Gleichgewichts auf der Basis des DQPM im Bereich moderater chemischer Baryonenpotentiale μB ≥ 0.5 GeV untersuchen. Insbesondere werden die EoS und die Schallgeschwindigkeit sowie die Transportkoeffizienten des QGP auf der Grundlage des DQPM bei endlichen T und μB berechnet. Transportkoeffizienten sind besonders interessant, da sie Informationen über die Wechselwirkungen im Medium erlauben, das im Gleichgewicht durch eine Temperatur T und ein chemisches Potential μB charakterisiert werden kann. Unter Berücksichtigung der Transportkoeffizienten und der EoS der QGP-Phase vergleichen wir unsere Ergebnisse mit verschiedenen Resultaten aus der Literatur, in denen Transportkoeffizienten des QGPs auf Basis von effektiven Modellen vorwiegend bei Null oder kleinem chemischen Potentialen untersucht wurden.
Darüber hinaus werden in Kapitel 3 die Gleichgewichtseigenschaften des QGPs und insbesondere die Auswirkungen der μB-Abhängigkeit der thermodynamischen und Transporteigenschaften des QGPs im Rahmen des erweiterten PHSD-Transportansatzes untersucht, der die vollständige Entwicklung des Systems einschließlich der partonischen Phase umfasst. Die Entwicklung des PHSD-Transportansatzes wird in der partonischen Phase erweitert, indem explizit die gesamt- und differentiellen partonischen Streuquerschnitte auf der Grundlage des DQPM berechnet und bei der tatsächlichen Temperatur T und dem baryonischen chemischen Potential μB in jeder einzelnen Raum-Zeit-Zelle, in der die partonische Streuung stattfindet, ausgewertet werden.
Um die Spuren der μB-Abhängigkeit des QGPs in den Observablen zu untersuchen, werden die Ergebnisse von PHSD5.0 (mit μB-Abhängigkeiten) mit den Ergebnissen von PHSD5.0 für μB = 0 sowie mit PHSD4.0, in dem die Massen/Breiten der Quarks und Gluonen sowie deren Wechselwirkungsquerschnitte nur von T abhängen, verglichen. Wir diskutieren die PHSD-Ergebnisse für verschiedene Observablen: (i) Rapiditäts- und pT -Verteilungen von identifizierten Hadronen für symmetrische Au+Au- und Pb+Pb- Kollisionen bei Energien von 30 AGeV (zukünftige NICA-Energie) sowie für die RHIC-Spitzenenergie von √sNN = 200 GeV; (ii) gerichteter Fluss v1 von identifizierten Hadronen für Au + Au bei invarianter Energie √sNN = 27 GeV und 200 GeV; (iii) elliptischer Fluss v2 der identifizierten Hadronen für Au+Au bei invarianten Energien √sNN = 27 und 200 GeV. Der Vergleich der "Bulk"-Observablen für Au+Au-Kollisionen innerhalb der drei PHSD-Einstellungen hat gezeigt, dass sie eine recht geringe Empfindlichkeit gegenüber den μB -Abhängigkeiten der Partoneigenschaften (Massen und Breiten) und ihrer Wechselwirkungsquerschnitte aufweisen, sodass die Ergebnisse von PHSD5.0 mit und ohne μB sehr nahe beieinander liegen. Nur im Fall von Kaonen, Antiprotonen ̄p und Antihyperonen ̄Λ + ̄Σ0 konnte ein kleiner Unterschied zwischen PHSD4.0 und PHSD5.0 bei den höchsten SPS- und RHIC-Energien festgestellt werden.
Wir finden nur geringe Unterschiede zwischen den Ergebnissen von PHSD4.0 und PHSD5.0 für die hier betrachteten hadronischen Observablen sowohl bei hohen als auch bei mittleren Energien. Dies hängt damit zusammen, dass bei hohen Energien, wo die Materie vom QGP dominiert wird, ein sehr kleines chemisches Baryonenpotential μB in zentralen Kollisionen bei mittlerer Rapidität gemessen wird, während mit abnehmender Energie und größerem μB der Anteil des QGPs rapide abnimmt, sodass die endgültigen Beobachtungswerte insgesamt von den Hadronen dominiert werden, die an der hadronischen Rückstreuung teilgenommen haben, und somit die Information über ihren QGP-Ursprung verwaschen oder verloren geht.
In Kapitel 4 betrachten wir die Transportkoeffizienten von QGP-Materie im erweiterten Polyakov-NJL-Modell entlang der Übergangslinie für moderate Werte des chemischen Baryonenpotenzials 0 ≤ μB ≤ 0.9 GeV sowie in der Nähe des kritischen Endpunkts(CEP) und bei großem chemischen Baryonenpotenzial μB = 1.2 GeV, wo ein Phasenübergang erster Ordnung stattfindet. Wir untersuchen, wie die Natur der Freiheitsgrade die Transporteigenschaften des QGPs beeinflusst. Darüber hinaus demonstrieren wir die Auswirkungen des Phasenübergangs erster Ordnung und des CEP auf die Transportkoeffizienten im dekonfinierten QCD-Medium.
Darüber hinaus wird in Kapitel 5 eine phänomenologische Erweiterung des DQPM auf große baryonchemische Potentiale μB einschließlich der Region mit einem möglichen CEP und späterem Phasenübergang erster Ordnung betrachtet. Eines der wichtigsten Merkmale des Modells ist das Auftreten einer ’kritischen‘ Skalierung in der Nähe des CEP. Das Hauptziel des vorgestellten Modells besteht darin, die mikroskopischen und makroskopischen Eigenschaften der partonischen Freiheitsgrade für den Bereich des Phasendiagramms bereitzustellen, der durch moderates T und moderates oder hohes μB gekennzeichnet ist.
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Operons wurden zuerst im Jahre 1961 beschrieben. Bis heute ist bekannt, dass die prokaryotischen Domänen Bacteria und Archaea Gene sowohl in monocistronischen als auch in bi- oder polycistronischen Transkripten exprimieren können. Häufig überlappen Gene sogar in ihren Sequenzen. Diese überlappenden Genpaare stehen nicht in Korrelation mit der Kompaktheit ihres Genoms. Das führt zu der Annahme, dass eine Art der Regulation vorliegt, welche weitere Proteine oder Gene nicht benötigt. Diese könnte eine gekoppelte Translation sein. Das bedeutet die Translation des stromabwärts-liegenden Gens ist abhängig von der Translation eines stromaufwärts-liegenden Gens. Diese Abhängigkeit kann zum Beispiel durch lang reichende Sekundärstrukturen entstehen, bei welchen Ribosomenbindestellen (RBS) des stromabwärts-liegenden Gens blockiert sind. Die de novo-Initiation am stromabwärts-liegenden Gen kann nur stattfinden, wenn das erste Gen translatiert wird und dabei die Sekundärstruktur an der RBS aufgeschmolzen wird. Für Genpaare in E. coli ist dieser Mechanismus gut untersucht. Ein anderes Beispiel für die Translationskopplung ist die Termination-Reinitiation, bei welcher ein Ribosom das erste Gen translatiert bis zum Stop-Codon, dort terminiert und direkt am stromabwärts-liegenden Start-Codon reinitiiert. Der Mechanismus via Termination-Reinitiation ist bis jetzt nur für eukaryontische Viren beschrieben worden. Im Gegensatz zu einer Kopplung über Sekundärstrukturen kommt es bei der Termination-Reinitiation am stromabwärts-liegenden Gen nicht zu einer de novo-Initiation sondern eine Reinitiation des Ribosoms findet statt. Diese Arbeit analysiert jene Art der Translationskopplung an Genen polycistronischer mRNAs in jeweils einem Modellorganismus als Vertreter der Archaea (Haloferax volcanii) und Bacteria (Escherichia coli). Hierfür wurden Reportergenvektoren erstellt, welche die überlappenden Genpaare an Reportergene fusionierten. Für diese Reportergene ist es möglich die Transkriptmenge zu quantifizieren sowie für die exprimierten Proteine Enzymassays durchgeführt werden können. Aus beiden Werten können Translationseffizienzen berechnet werden indem jeweils die Enzymaktivität pro Transkriptmenge ermittelt wird. Durch ein prämatures Stop-Codon in diesen Konstrukten ist es möglich zu unterscheiden ob es für die Translation des zweiten Gens essentiell ist, dass das Ribosom den Überlapp erreicht. Hiermit konnte für neun Genpaare in H. volcanii und vier Genpaare in E. coli gezeigt werden, dass eine Art der Kopplung stattfindet bei der es sich um eine Termination-Reinitiation handelt. Des Weiteren wurde analysiert, welche Auswirkungen intragene Shine-Dalgarno Sequenzen bei dem Event der Translationskopplung besitzen. Durch die Mutation solcher Motive und dem Vergleich der Translationseffizienzen der Konstrukte, mit und ohne einer SD Sequenz, wird für alle analysierten Genpaare beider Modellorganismen gezeigt, dass die SD Sequenz einen Einfluss auf diese Art der Kopplung hat. Zwischen den Genpaaren ist dieser Einfluss jedoch stark variabel. Weiterhin wurde der maximale Abstand zwischen zwei bicistronischen Genen untersucht, für welchen Translationskopplung via Termination-Reinitiation noch stattfinden kann. Hierfür wird durch site-directed mutagenesis jeweils ein prämatures Stop-Codon im stromaufwärts-liegenden Gen eingebracht, welches den intergenen Abstand zwischen den Genen in den jeweiligen Konstrukten vergrößert. Der Vergleich aller Konstrukte eines Genpaars zeigt in beiden Modellorganismen, dass die Termination-Reinitiation vom intergenen Abstand abhängig ist und die Translationseffizienz des stromabwärts-liegenden Reporters bereits ab 15 Nukleotiden Abstand abnimmt.
Eine weitere Fragestellung dieser Arbeit war es, den genauen Mechanismus der Termination-Reinitiation zu analysieren. Für Ribosomen gibt es an der mRNA nach der Termination der Translation zwei Möglichkeiten: Entweder als 70S Ribosom bestehen zu bleiben und ein weiteres Start-Codon auf der mRNA zu suchen oder in seine beiden Untereinheiten zu dissoziieren, während die 50S Untereinheit die mRNA verlässt und die 30S Untereinheit über Wechselwirkungen an der mRNA verbleiben kann. Um diesen Mechanismus auf molekularer Ebene zu untersuchen, wird ein Versuchsablauf vorgestellt. Dieser ermöglicht das Event bei der Termination-Reinitiation in vitro zu analysieren. Eine Unterscheidung von 30S oder 70S Ribosomen bei der Reinitiation der Translation des stromabwärts-liegenden Gens wird ermöglicht. Die Idee dabei basiert auf einem ribosome display, bei welchem Translationskomplexe am Ende der Translation nicht in ihre Bestandteile zerfallen können, da die eingesetzte mRNA kein Stop-Codon enthält Der genaue Versuchsablauf, die benötigten Bestandteile sowie proof-of-principal Versuche sind in der Arbeit dargestellt und mögliche Optimierungen werden diskutiert.
In allen drei Domänen des Lebens ist in der Translation die Initiation der geschwindigkeits-bestimmende Schritt. Die Effizienz der Translationsinitiation und ihre unterschiedliche Regula-tion ist von Translationsinitiationsfaktoren (IFs) abhängig. Bakterien enthalten nur drei IFs, während die Anzahl bei Archaeen (aIFs) und Eukaryoten (eIFs) deutlich höher ist.
Das Archaeon Haloferax volcanii beispielsweise besitzt 14 Gene, die für aIFs bzw. deren Untereinheiten kodieren. Eine Deletionsanalyse ergab, dass fünf aIFs essenziell und neun aIFs nicht essenziell sind. Um einen Einblick in die Funktions- und Interaktionsbereiche der aIFs in H. volcanii zu erhalten, wurden die aIFs mit einem His-Tag versehen und überexpri-miert. Die Überexpression erfolgte in der jeweiligen Deletionsmutante. Für essenzielle aIFs fand sie im Wildtyp statt. Durch Affinitätsaufreinigungen wurden die aIFs und ihre Bindungs-partner isoliert und mittels Massenspektrometrie (MS) identifiziert. Für den Ausschluss unspe-zifischer Proteine dienten zwei stringente Kontrollen als Referenz, das Reportergen Dihydro-folatreduktase (HVO_1279) mit His-Tag und das Expressionsplasmid ohne Gen.
Die ersten Arbeiten konzentrierten sich auf den heterotrimeren Faktor aIF2. Er bindet die Ini-tiator-tRNA und ist damit für die Bildung des Präinitiationskomplexes von zentraler Bedeu-tung. Der Faktor aIF2 besteht aus jeweils einer α-, β- und γ-Untereinheit. In H. volcanii existie-ren zwei Orthologe für aIF2β. Die Überexpressionen der α-, β1-, β2- und γ-Untereinheiten führten zur Co-Isolation der jeweils anderen Untereinheiten des aIF2 (α, β1/ β2, γ).
Die Strategie der Co-Affinitätsaufreinigung und MS wurde auf alle weiteren annotierten aIFs ausgedehnt, um mögliche Funktionen zu identifizieren und ein potenzielles Interaktionsnetz-werk der aIFs zu erstellen. Für alle aIFs konnte ein unterschiedliches Muster an co-gereinigten Proteinen festgestellt werden. Mitgereinigte Proteine waren aIFs, Proteine der Translation, Transkription, Replikation und ribosomale Proteine. Auch RNA-Polymerase-Untereinheiten (RNAPUs) konnten co-isoliert werden. Mit 13 der 14 aIFs konnten andere Ini-tiationsfaktoren co-gereinigt werden. Sechs aIFs konnten zu Beginn bei keinem weiteren Initi-ationsfaktor mitgereinigt werden. Einer dieser Faktoren war aIF2β-1, der jedoch in den Affini-tätsaufreinigungen mit nachfolgender FPLC von aIF2β-2 identifiziert werden konnte. Der Fak-tor aIF1 konnte nur in der stationären Phase von aIF2α mitgereinigt werden.
Die am häufigsten co-gereinigten Proteine waren aIF2Bδ-1 und aIF5B. Für aIF2Bδ-1 kam dies überraschend, da er bereits als Translationsinitiationsfaktor ausgeschlossen wurde. Mit dem Faktor aIF2Bδ-1 selbst konnten fünf aIFs co-gereinigt werden.
Da mit den aIFs auch RNAPUs co-gereinigt werden konnten, wurden sieben RNAPUs ebenfalls mit einem His-Tag versehen und überexprimiert. Auch mit den RNAPUs konnten aIFs, sowie weitere Proteine der Translation mitgereinigt werden.
Diese Umstände legen nahe, dass es möglicherweise eine engere Verbindung der Tran-skription und Translation in H. volcanii geben könnte, als bisher angenommen.
Die Bildung von Blutgefäßen ist essentiell für die Entwicklung und Homöostase von Wirbeltieren und die Endothelzellspezifikation ist ein wichtiger erster Schritt in diesem Prozess. Das früheste bekannte Ereignis bei der Endothelzellspezifikation im Zebrafisch ist die Expression des bHLH-PAS-Transkriptionsfaktor-Gens npas4l. Ich habe eine transgene V5-Linie zum Nachweis des markierten Npas4l auf Proteinebene und eine Gal4-VP16-Reporterlinie zur Visualisierung und Verfolgung von npas4l exprimierenden Zellen in vivo generiert. Beide Linien können bereits in frühen Entwicklungsstadien nachgewiesen werden und komplementieren auch starke npas4l-Mutanten Allele. Um npas4l Reporter exprimierende Zellen in npas4l Mutanten zu verfolgen, habe ich anschließend eine mutierte Variante der Gal4-Reporterlinie erzeugt. Diese Mutante trägt eine Insertion in der Region, die die DNA-Bindedomäne kodiert. Dadurch stört sie die Npas4l-Funktion, aber nicht die Reporterexpression. Dieses mutierte Reporterallel komplementiert nicht die npas4l-Mutanten und zeigt einen starken Phänotyp, was darauf hindeutet, dass es sich um ein funktionelles Nullallel handelt. Phänotypische Analysen zeigten, dass npas4l-Reporter positive Zellen in npas4l-Mutanten nicht spezifizieren oder zur Mittelachse wandern. Stattdessen tragen sie zu den vom intermediären Mesoderm abgeleiteten pronephrischen Tubuli und dem vom paraxialen Mesoderm abgeleiteten Skelettmuskel bei. Ich habe diese Phänotypen durch Einzelzell-RNAseq an den npas4l-Reporter positiven Zellen in npas4l+/- und npas4l-/- Embryonen bestätigt. Zusammen erklären diese beiden alternativen Zellschicksale den Großteil der beobachteten Veränderungen zwischen den Genotypen. Npas4l ist dafür bekannt die Expression der drei Transkriptionsfaktorgene etsrp, tal1 und lmo2 zu fördern. Ich stellte die Hypothese auf, dass das Fehlen jedes dieser Transkriptionsfaktoren in npas4l-Mutanten verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps verursacht. Daher habe ich Mutantenlinien für alle drei Gene generiert und sie sowohl in vaskulären Reporterlinien als auch im npas4l-Reporterhintergrund analysiert. Die Daten legen nahe, dass verschiedene Gene unterschiedliche Prozesse während der frühen Endothelentwicklung regulieren. In npas4l-/- und etsrp-/- Embryonen differenzieren npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht zu Endothelzellen und tragen stattdessen zur Skelettmuskelzellpopulation bei. In npas4l-/- und tal1-/- Embryonen können npas4l-Reporter exprimierende Zellen nicht migrieren und tragen stattdessen zu der Bildung der pronephrischen Tubuli bei. Um die Beziehung zwischen diesen Faktoren besser zu verstehen, habe ich getestet, ob die Injektion von etsrp-, tal1- oder lmo2-mRNA verschiedene Aspekte des npas4l-Phänotyps retten würde. npas4l-, etsrp- und tal1-Mutanten zeigen alle schwere vaskuläre Phänotypen. Einige Endothelzellen und vaskuläre Strukturen bleiben jedoch in jeder Mutante erhalten. Der Phänotyp ist am stärksten in npas4l-/- Embryonen, aber selbst in diesen Embryonen können einige fli1a-positive Endothelzellen in der Schwanzregion beobachtet werden. Es war unklar, ob sich diese Population von Endothelzellen unabhängig von der Npas4l-, Tal1- und Etsrp-Funktion entwickelt oder als Folge einer restlichen tal1- oder etsrp-Expression unabhängig von Npas4l. Um diese Frage zu untersuchen, habe ich Doppelmutanten generiert und nach dem Vorhandensein von fli1a-positiven Endothelzellen in diesen Mutanten gesucht. Während fli1a-positive Endothelzellen in npas4l-/- und npas4l-/-;tal1-/- Embryonen deutlich vorhanden sind, können keine solchen Zellen in npas4l-/-;etsrp-/- oder etsrp-/-;tal1-/- Embryonen beobachtet werden. Diese Daten deuten darauf hin, dass sich im Zebrafisch keine Endothelzellen entwickeln können, wenn zugleich npas4l und etsrp oder etsrp und tal1 gestört sind. Während der Verlust von etsrp zu stärkeren Defekten in npas4l-Mutanten führt, gibt es keinen zusätzlichen Phänotyp, der durch den Verlust von tal1verursacht wird, was darauf hindeutet, dass die Expression von etsrp, aber nicht die von tal1, unabhängig von Npas4l auftreten kann. Diese Idee wird durch die Beobachtung unterstützt, dass etsrp, aber nicht tal1-Expression in den meisten fli1a-exprimierenden Zellen in npas4l-/- Embryonen beobachtet wird. Dennoch wird der Großteil -Expression durch Npas4l reguliert. tal1-mRNA-Injektionen reichten aus, um eine Wildtyp-ähnliche vaskuläre Musterbildung im Bauchbereich der npas4l-/- Embryonen wiederherzustellen, einschließlich der Rettung sowohl der Zellmigration als auch der Differenzierung. Da Npas4l mehrere unterschiedliche transkriptionelle Effektoren hat, war eine so starke Rettung durch nur einen dieser Effektoren unerwartet. In den geretteten Mutanten wurde die bilaterale Population von npas4l-Reporter-positiven pronephrischen Tubuluszellen nicht entdeckt, aber die Anzahl der ektopischen npas4l-Reporter exprimierenden Muskelzellen war im Vergleich zu nicht injizierten npas4l-Mutanten gleichbleibend.
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Plastics contain a complex mixture of chemicals including polymers, additives, starting substances and side-products of processing. These plastic chemicals are prone to leach into the packaged goods, in the case of food contact materials (FCMs), or into the natural environment, in the case of plastic debris. Thus, plastics represent an exposure source of chemicals for humans and wildlife alike. While it is widely known that individual plastic chemicals, such as bisphenol A and phthalates, are hazardous, little is known on the overall chemical composition and toxicity of plastics. When fragmented into smaller particles, referred to as microplastics (< 5 mm), the plastic itself can be ingested by many species. It is well established that microplastic ingestion can have negative consequences for a wide range of organisms including invertebrates, but the contribution of plastic chemicals to the toxicity of microplastics is unclear.
Given the above, the present thesis aimed at a comprehensive toxicological, ecotoxicological and chemical characterization of everyday plastics. For a comparative evaluation, 77 plastic products were selected covering 16 material types (e.g., polyethylene) made from petroleum or renewable feedstocks. These products included biodegradable products, FCMs and non-FCMs, as well as raw materials and final products, respectively. In the first two studies, the chemical mixtures contained in the 77 products were extracted with methanol and extracts were analyzed in a set of four in vitro bioassays and by non-target high-resolution gas or liquid chromatography mass spectrometry. Since an exposure only occurs if chemicals actually leach under realistic conditions, in a third study migration experiments with water were conducted for 24 out of the 77 products. The aqueous migrates were assessed in the same way as the methanolic extracts. In addition, the freshwater invertebrate Daphnia magna was exposed chronically to microplastics made of polyvinylchloride (PVC), polyurethane (PUR) and polylactic acid (PLA) to investigate the contribution of chemicals in microplastic toxicity, in a fourth study.
The experimental findings demonstrate that a wide variety of chemicals is present in plastics. A single plastic product can contain up to several thousand chemical features, most of which unique to that product and at the same time unknown. The results also indicate that the majority of these chemical mixtures are toxic in vitro. Accordingly, 65% of the plastic extracts induced baseline toxicity and 42% an oxidative stress response, while 25% had an antiandrogenic and 6% an estrogenic activity. This implies that chemicals causing unspecific toxicity are more prevalent in plastics than such with endocrine effects. These chemicals can also leach from plastics under realistic conditions. Between 17 and 8936 chemical features were detected in a single migrate sample and all 24 tested migrates induced in vitro toxicity. This means that humans and wildlife can actually be exposed to toxic plastic chemicals under realistic conditions. Generally, each product has its individual toxicological and chemical fingerprint. Thus, neither material type, feedstock, biodegradability nor the food contact suitability of a product can serve as a predictor for the toxicity, the chemical composition or complexity of a product. Likewise, this means that bio-based and biodegradable materials are not superior to their petroleum-based counterparts from a toxicological perspective despite being promoted as sustainable alternatives to conventional plastics.
Moreover, the present thesis demonstrates that plastic chemicals can be the main driver for microplastic toxicity. Irregular microplastics made of PVC, PUR and PLA adversely affected life-history traits of D. magna in a polymer type- and endpoint-dependent manner at concentrations between 100 and 500 mg L-1 and with a higher efficiency than natural kaolin particles. While the toxicity of PVC was triggered by the chemicals used in the material, the effects of PUR and PLA were induced by the physical properties of the particle.
In addition, in the fifth study, results and observations made during this thesis were integrated inter- and transdisciplinarily with the perspectives of a social scientist and a product manufacturer. This elucidated that knowledge on plastic ingredients is often concealed, is lacking or not applicable in practice. These intransparencies hinder the safety evaluation of plastic products as well as the choice and sale of the least toxic packaging material.
Overall, the present thesis highlights that the chemical safety of plastics and their bio-based and biodegradable alternatives is currently not ensured. Thus, chemicals require more consideration in the toxicity and risk assessment of plastics and microplastics. Product-specific and complex chemical compositions, including unknown compounds, pose a challenge here. Two essential steps towards non-toxic products are to increase transparency along the product life cycle and to reduce the chemical complexity of plastics by communication and regulation. The results of the present thesis indicate that products exist which do not contain toxic chemicals. These can serve to direct the design of safer plastics. Since toxicity and chemical complexity seem to increase with processing, the integration of toxicity testing during the production steps would further support the safe and sustainable production and use of plastic products.
Rule in International Relations is increasingly observed as an empirical phenomenon and academically conceptualized. This book describes rule in International Relations using four practice-theoretical dimensions. A method is developed to analyze rule from a practice-theoretical point of view - the Practice Analysis of Rule (PAR). The argumentation is followed that resistance is an important dimension of rule, which enables the researcher to understand the quality of rule. However, the empirical analysis of resistance as an indicator of rule does not allow for the analysis of subtle forms of rule sufficiently, which can have grave consequences in international relations. Therefore, to make this possible, the symbolic dimension is formulated after Bourdieu. In the following, three practice-theoretical dimensions are developed and a methodical approach is presented. Resistance is described as a practice-theoretical dimension. Based on actor-network-theory materiality is described a dimension of rule. At last, iterability is described as dimension of rule which can show the repeatability of practices. It can thus indicate the extent of consolidation of rule in each case. Through the analysis of an empirical case using the four practice-theoretical dimensions the researcher will be enabled to analyze transnational relations of rule in a theory guided and history sensitive manner.
Hintergrund: Das genaue Wissen um die Umstände eines jeden tödlichen Arbeitsunfalls ist Voraussetzung für die Identifizierung von Unfallschwerpunkten und ermöglicht eine effektive Präventionsarbeit. Mit dieser rechtsmedizinischen Studie zum Arbeitsunfallgeschehen soll ein Beitrag dazu geleistet werden, die Zahl tödlicher Arbeitsunfälle in Deutschland zu senken.
Material und Methode: Zur Untersuchung kamen die tödlichen Arbeitsunfälle, die sich im Einzugsbereich des rechtsmedizinischen Instituts Frankfurt am Main in den Jahren von 2005 bis 2016 ereigneten. Ausgewertet wurden Obduktionsprotokolle sowie die dem Institut zur Verfügung gestellten Staatsanwaltschaftlichen Ermittlungsakten.
Ergebnisse. Es fanden sich 87 tödliche Arbeitsunfälle in dem genannten Zwölfjahreszeitraum. Die Altersstruktur reichte vom jugendlichen Alter bis in das Rentenalter. Betroffen waren zum größten Teil männliche Arbeiter (96,6%, p< 0,0001), verhältnismäßig häufig ausländischer Nationalit.t (34,5%). Die meisten Unfälle ereigneten sich in der 2. Jahreshälfte (58,6%), an Montagen (26,4%), kurz vor und nach der Mittagspause. In 3 Fällen lag die Blutalkoholkonzentration über 0,5‰. Die Baubranche (55,2%) war der unfallträchtigste Wirtschaftszweig. Der Absturz (28,7%) war der häufigste
Unfallmechanismus und das Polytrauma (39,1%) gemeinsam mit dem Schädel-Hirn-Trauma (24,1%) gemäß dem ISS die häufigste Todesursache.
Diskussion: Nach den Ergebnissen dieser Studie sollten Alter der Arbeiter sowie die Tages-, Wochen- und Jahreszeit bei der Ausführung risikoreicher Arbeiten im Baugewerbe berücksichtigt werden. Besonderes Augenmerk sollten Arbeitgeber auf die Kontrolle von Sicherheitsvorkehrungen bei Arbeiten in der Höhe sowie auf die Durchsetzung der Helmpflicht gerade auch bei ausländischen Arbeitnehmern legen.
Tissue translocation, multigenerational and population effects of microplastics in Daphnia magna
(2021)
The last century saw the widespread adoption of plastic materials throughout nearly every aspect of our lives. Plastics are synthetic polymers that are made up of monomer chains. The properties of the monomer in conjunction with chemical additives allow plastics to have a sheer endless variety of features and use cases. They are cheap, lightweight, and extremely durable. Plastic materials are often engineered for single-use and in conjunction with high production volumes and insufficient waste management and recycling across the globe, this leads to a large number of plastics entering the environment. Marine ecosystems are considered sinks. However, freshwater ecosystems as entry pathways are highly affected by plastic waste as well. Throughout the past decade, the impact of plastic waste on human and environmental health has received a lot of attention from the ecotoxicological community as well as the public. Small plastic fragments (< 1 mm called microplastics) are a large part of this emerging field of research. Within this, the water flea Daphnia magna is probably the most common organism that is used to assess microplastics toxicity. As a filter-feeding organism, it indiscriminately ingests particles from the water column and is thus highly susceptible to microplastics. For this thesis, we identified some gaps in the available data on the ecotoxicity of microplastics to daphnids. To illuminate some of those gaps the present thesis was aimed at five main aspects:
(1) Tissue translocation of spherical microplastics in Daphnia magna
(2) Investigation of the toxicity of irregularly shaped microplastics
(3) Multigenerational and population effects of microplastics
(4) Comparison of the toxicity of microplastics and natural particles
(5) Effects of particle-aging on microplastics toxicity
The thesis is comprised of three peer-reviewed articles and one so-far unpublished study as “additional results”. The first study was aimed at understanding tissue translocation of spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids. The crossing of biological membranes is discussed as a prerequisite to eliciting tissue damage and an inflammatory response. Previously, researchers reported the translocation of fluorescently labeled spherical microplastics to lipid storage droplets of daphnids, even though no plausible biological mechanism to explain this occurrence. Therefore, in order to learn more about this process and potentially illuminate the mechanism we replicated the study. We were able to observe a fluorescence signal inside the lipid droplets only after increasing the exposure concentrations. Nonetheless, it appeared to be independent of particles. This led to the hypothesis, that the lipophilic fluorescent dye uncoupled from the particles and subsequently accumulated in lipid storage droplets. The hypothesis was further confirmed through an additional experiment with a silicone-based passive sampling device showing that the fluorescence occurred both independent of particles and digestive processes. Accordingly, we concluded that the reported findings were a microscopic artifact caused by the uncoupling of the dye from the particles. Therefore, a fluorescence signal alone is not a sufficient proxy to assume that particles have translocated. It needs to be coupled with additional methods to ensure that the observation is indeed caused by the translocation of particles.
It is still unclear whether the toxicity profile of microplastics is different from that of naturally occurring particles or if they are “just another particle”, as there are innumerable amounts in the natural environment surrounding an organism. The goal of the second study was to compare the toxicity of irregularly shaped polystyrene microplastics to that of the natural particle kaolin. The environment is full of natural non-food particles that daphnids ingest more or less indiscriminately and therefore are well adapted to deal with. Daphnids have a short generation time and usually experience food limitation in nature. Therefore, short-term studies only looking at acute toxicity with ad libitum food availability are not representative of the exposure scenario in nature. For a more realistic scenario, we, therefore, used a four-generation multigenerational design under food limitation to investigate how effects translate from one generation to the next. We observed concentration-dependent effects of microplastics but not of natural particles on mortality, reproduction, and growth. Some of the effects increased from generation to generation, leading to the extinction of two treatment groups. Here, microplastics were more toxic than natural particles. At least part of this difference can be explained by physical properties leading to the quick sedimentation of the kaolin, while microplastics remained in the water column. Nonetheless, buoyancy and sedimentation would also affect exposure in the environment and are likely different for most microplastics than for most naturally occurring particle types.
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Die vorliegende Arbeit Zeitaufgelöste NMR-spektroskopische Untersuchung konformationeller Dynamiken in DNA G-Quadruplexen befasst sich mit der detaillierten biophysikalischen Untersuchung wichtiger strukturdynamischer Eigenschaften von nicht-kanonischen Nukleinsäure Sekundärstrukturelementen.
Im Genom aller eukaryotischer Lebewesen, insbesondere dem menschlichen Genom finden sich DNA-Sequenzabschnitte, die überdurchschnittlich Guanosin (G)-reich sind. Diese poly-G Abschnitte sind nicht zufällig im Genom verteilt, sondern häufen sich vermehrt in Genabschnitten, die besonders wichtig für die Regulation der Genexpression sind. G-reiche DNA-Sequenzen können unter geeigneten Umständen alternative Sekundärstrukturen ausbilden, die von der doppelsträngigen, kanonischen Watson-Crick Konformation abweichen. In Anwesenheit monovalenter Kationen können sich G-Nukleotide in einer Tetrade über Hoogsteen Interaktionen anlagern. Diese Tetraden können sich stapeln und dadurch sogenannte G-Quadruplexe (G4) ausbilden. Das menschliche cMYC Gen wird typischerweise als proto-Onkogen bezeichnet. Es kodiert für einen unspezifischen Transkriptionsfaktor, der bei einer Vielzahl von systematischen und soliden Tumorerkrankungen stark überexprimiert wird. Die zelluläre Konzentration des Genprodukts kann zu 90% über ein G4 cis-Element in der Promotorregion reguliert werden. Der cMYC G4 hat die Möglichkeit verschiedene Konformationen einzunehmen. Im Falle des cMYC G4 kann man zusätzliche, nicht-konventionelle Formen der konformationellen Isomerie finden. Zum einen gibt es die Möglichkeit, dass bei einem G4, der aus drei Tetraden und vier intramolekularen Strangabschnitten (dreistöckiger G4) besteht, einzelne Strangabschnitte mehr als drei konsekutive G-Nukleotide besitzen. Dadurch können sich Faltungs-Isomere bilden, die sich durch Verschieben des Strangs relativ zum verbleibenden dreistöckigen Tetradengerüst ergeben. Man spricht von G-Register Isomeren. Eine zweite Möglichkeit der Strukturisomerie ergibt sich, wenn in einer Nukleotidsequenz mehr als vier G-reiche Strangabschnitte aufeinander folgen. Jeweils vier dieser Strangabschnitte können in unterschiedlicher Weise kombiniert werden, um ein G4 Isomer auszubilden. In jedem dieser so zustande gekommenen G4 verbleibt ein (oder mehrere) G-reicher Strangabschnitt, der im konkreten Isomer nicht zur Faltung verwendet wird. Diese zusätzlichen G-Stränge werden daher auch Ersatzräder (engl. spare-tires) genannt; man erhält spare-tire Isomere.
Obwohl diese Formen des Polymorphismus, deren biologischer Kontext und die biophysikalischen Konsequenzen in Arbeiten von C. Burrows (2015) und A. Mittermaier (2016) erstmals umfassend beschrieben wurden, gab es bis zum Ausgangspunkt dieser Arbeit keine Kenntnisse über deren strukturelle Dynamik, den Faltungswegen und den zugrundeliegenden molekularen Mechanismen. Zeitaufgelöste Kernspinresonanz (engl. nuclear magnetic resonance, NMR) Spektroskopie ist eine bestens geeignete Methode, um die Dynamik von Biomakromolekülen mit atomarer Auflösung zu studieren. Um solche Experimente durchführen zu können, braucht es geeignete Herangehensweisen für die Präparation eines Nicht-Gleichgewichtszustands. In dieser Arbeit wird eine neu erarbeitete Strategie vorgestellt, die es erlaubt, Einblick in die Faltungs- und Umfaltungskinetiken eines dynamischen Konformations-Ensembles nicht-konventioneller Strukturisomere der cMYC G4 DNA-Sequenz zu erhalten.
Hierzu wurden photolabile Schutzgruppen (engl. Photocages) positionsspezifisch an bestimmten G-Nukleobasen (O6-(R)-NPE) angebracht. Die Schutzgruppen blockieren die Basenpaar-Interaktionen des Nukleotids, wodurch dieses sich nicht mehr an einer Tetradenbildung beteiligen kann. Die Photocages wurden jeweils an den Nukleotiden eingeführt, die nur in jeweils einem der G-Register Isomere an der Tetradenbildung beteiligt sind. Durch diese gezielte Destabilisierung konnten die Isomere getrennt und im gefalteten Zustand isoliert werden. Die so erhaltenen Konformationen wurden umfassend spektroskopisch charakterisiert. Der Ansatz, das konformationelle Gleichgewicht durch Photocages transient zu stören, wurde daraufhin weiterentwickelt. Mehrere Photocages wurden an Nukleobasen in zentraler Position einzelner G-Strangabschnitte angebracht. Dadurch konnte eine ausreichende Destabilisierung erreicht werden, die die Faltung jedweder G4 Strukturen unterbindet. Somit wurde ein ungefalteter Zustand erzeugt, der unter ansonsten frei wählbaren, physiologischen Bedingungen besteht. Durch in situ Photolyse der Schutzgruppen konnte so die Licht-induzierte G4 Faltung unter konstanten Puffer- und Temperaturbedingungen untersucht werden. Dieser Ansatz wurde auf die Untersuchung der Faltungswege, die zu verschiedenen spare-tire Isomeren führen, fokussiert.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es insgesamt erstmalig gelungen ist, die Kinetiken der wesentlichen Faltungs- und Umfaltungswege entlang der konformationellen Energielandschaft des cMYC G4 Elements zu untersuchen. Das komplexe, dynamische Zusammenspiel aller relevanten, nicht-konventionellen isomeren G4 Strukturen konnte entworren und umfassend experimentell beschrieben werden. Der dafür weiterentwickelte Ansatz über konformationelle Selektion mit Hilfe photolabiler Schutzgruppen hat dabei experimentelle Einblicke erlaubt, die bislang nicht zugänglich waren. Die Strukturen und Faltungszustämde, die mit den chemisch modifizierten Oligonukleotiden erhalten und isoliert wurden, sind umfassend spektroskopisch untersucht worden. Die Anwendung verschiedener spektroskopischer Ansätze und deren Kombination mit weiteren biophysikalischen Methoden hat eine Methoden-unabhängige Validierung der erhaltenen kinetischen und thermodynamischen Daten ermöglicht.
Therapieoutcome und Epidemiologie des Poplitealarterien-aneurysmas : Auswertung des POPART-Registers
(2021)
Das Poplitealarterienaneurysma (PAA) ist eine seltene Erkrankung, zu der es insbesondere hinsichtlich der neuen endovasculären Therapieverfahren sowie der aktuellen Versorgungsrealität in Deutschland wenig Evidenz gibt. Zur Verbesserung der Evidenzlage wurde 2014 die multizentrische POPART-Registerstudie initiiert. Ziel des Registers sowie dieser Arbeit ist es, die aktuelle Versorgungsleistung des PAA in Deutschland abzubilden und vergleichende Langzeitergebnisse von endovasculären (ER) und offen-operativen PAA-Versorgungen (OR) zu schaffen.
Mittlerweile umfasst das POPART-Register mehr als 42 Zentren aus Deutschland und Luxemburg. Die partizipierenden Zentren verpflichten sich nach Zustimmung zum Studienprotokoll, alle vorstelligen PAA-Patienten zu inkludieren und regelmäßige Nachuntersuchungen durchzuführen. Die Dateneingabe erfolgt über die Online-Datenbank SurveyMonkey®. Ein Monitoring sowie eine kontinuierliche Plausibilitätsprüfung finden zur Sicherung der Datenqualität statt.
Bis 03/2021 wurden n = 1120 Primärbehandlungen ausgewertet, wovon n = 938 (83,7%) eine Versorgung mit OR und n = 132 (11,8%) mit ER erhielten. Fünf ER-Patienten (3,8%) mussten aufgrund akuten Graftversagens intra- oder postoperativ zu OR konvertiert werden.
ER-Patienten waren mit einem medianen Alter von x ̃ = 72 Jahren [51-90] signifikant älter als OR-Patienten mit x ̃ = 68 Jahren [25-98] (p = .001). Bezüglich der Aneurysmamorphologie und der dokumentierten Komorbiditäten zeigten sich keine signifikanten Gruppendifferenzen (p > .05).
Initial symptomatische Patienten wurden signifikant häufiger für OR in Betracht gezogen: Wohingegen nur 48,3% (n = 453) der OR-Patienten vor dem Eingriff asymptomatisch waren, waren mehr als 67% (n = 88) der ER-Patienten hinsichtlich des PAAs symptomfrei (p <.001). Patienten mit akuter Notfallsymptomatik (akute/kritische Ischämie/Ruptur) wurden vornehmlich über OR versorgt (OR: 22,3% vs. ER: 12,1%; p = .007) und entwickelten im postoperativen Verlauf häufiger Komplikationen als elektiv Versorgte beider Gruppen (p < .001). Als häufigste Komplikationen traten in beiden Gruppen Wundheilungsstörungen (OR: 7,7% vs. ER: 3,0%; p = .052) und Blutungen auf (OR: 3,9% vs. ER: 2,3%; p = .465). Schwere postoperative Verläufe waren zudem bei den fünf zu OR konvertierten Patienten aufgetreten.
OR-Patienten waren mit einer Aufenthaltslänge von x ̃ = 10 Tagen [3-68] um mehr als drei Tage länger stationär aufgenommen als ER-Patienten mit x ̃ = 7 Tagen [1-82] (p < .001). Weiterhin waren ER-Patienten signifikant seltener postoperativ auf einer Überwachungsstation untergebracht (p < .001).
Für n = 525 OR-Patienten (56%) und n = 61 ER-Patienten (46,2%) lag im März 2021 ein Follow-up (FU) zur Auswertung vor. Die mittlere FU-Länge betrug x ̅ = 28,9 Monate [0-134] für OR und x ̅ = 23,6 Monate [0-89] für ER. Die primären und sekundären 24-Monats-Offenheitsraten waren für OR-Patienten mit 75,7% bzw. 84,5% signifikant höher gewesen als für ER-Patienten mit 35,9% und 46,8% (p < .001).
OR-Patienten mit autologem Venenbypass wiesen signifikant höhere 2-Jahresoffenheitsraten als jene mit alloplastischer Prothese auf (primäre Offenheitsrate: 81,5% vs. 59,0%; p < .001; sekundäre Offenheitsrate: 89,5% vs. 70,4%; p < .001). Der Venenbypass war auch gerade in der notfälligen Akutversorgung gegenüber der alloplastischen Prothese überlegen (primäre Offenheitsrate: 71,0% vs. 36,2%; p < .001; sekundäre Offenheitsrate: 77,7% vs. 50,0%; p = .002). Asymptomatische Patienten beider Gruppen zeigten bessere Offenheitsraten nach 24 Monaten als symptomatische (primäre Offenheitsrate: 80,2% vs. 63,5%, p < .001; sekundäre Offenheitsrate: 83,2% vs. 77,1%; p = .015). Patienten mit Abstrom aus mindestens zwei Unterschenkelgefäßen wiesen primäre und sekundäre Offenheitsraten von 75,1% und 82,2% auf und damit signifikant bessere als Patienten mit kompromittiertem Abstrom (1-Gefäßabstrom: 61,0% und 74,8%; kein offenes Unterschenkelgefäß: 48,2% und 65,1%; p <.001)
Das POPART-Register zählt mittlerweile zu einer der größten Datensammlungen zur PAA-Versorgung weltweit und stellt die erste Registererhebung zu dieser Entität in Deutschland dar. Die perioperativen Daten suggerieren keinen Nachteil für ER, wenn primär kein komplikativer Verlauf besteht. Die primären und sekundären Offenheitsraten für ER sind jedoch, bei noch unvollständigem FU, signifikant unterlegen.
OR bleibt bei niedrigen Komplikationsraten und exzellenten Zweijahresoffenheitsraten weiterhin klinischer Standard, insbesondere auch bei symptomatischen wie notfälligen Patienten.
Despite constant progress in basic and translational research, cancer is still one of the leading cause of death. In particular, tumors of the central nervous system (CNS) are usually associated with dismal prognosis. Although about 100 distinct subtypes of primary CNS tumors have been classified molecularly, metastases derived from primaries outside the CNS (= brain metastases, BrM) are more frequently observed across brain tumor patients. It is estimated that approximately 20 - 40 % of all cancer patients will develop BrM during their course of disease, and basically every tumor type is able to metastasize to the brain. Nevertheless, BrM are most frequently derived from primaries of the lung, breast, and skin (melanoma). Treatment options for patients with BrM are very limited, and standard of care therapies include surgery, ionizing radiation (e.g. whole brain radio-therapy, WBRT), and some systemic and immuno-therapeutic approaches.
The brain represents a unique organ, which in part is due to the presence of the blood-brain barrier, a unit of the neuro-vascular interface ensuring tightly regulated exchange of nutrients, molecules, and cells. Furthermore, apart from microglia the brain parenchyma does not harbor other immune cells. Those cells however can be found at the borders of the CNS residing in the meninges, for instance. Based on recent insight on the immune landscape in the CNS, a paradigm shift occurred after which the brain is no longer regarded as immune-privileged but rather immune distinct. The phenomenon of immune cell infiltration has been described before in the context of neurological disorders including Multiple Sclerosis, as well as in brain tumors.
Since the development of immune-therapeutic approaches for tumors outside the CNS that aim to evoke sustainable anti-tumor effects, it became increasingly interesting to understand and harness the immune landscape (= tumor microenvironment, TME) of brain tumors, as well. Interestingly, most of the knowledge about the TME is based on studies of primary brain tumors. However, it is known that BrM compared to primary brain tumors induce a different TME like e.g. the recruitment of much more lymphocytes, which is one of the reasons primary brain tumors are considered immunologically “cold” and poorly respond to immuno-therapies. Previous insight into the functional contribution of tumor-associated cells in BrM progression revealed for example that brain-resident cell types (e.g. astrocytes or microglia) promote BrM development and outgrowth. However, until recently a comprehensive view on the cellular composition and functional role of the brain metastases-associated TME was missing and little was known how it changes during tumor progression or standard therapy.
Hence, within this thesis it was sought to describe novel aspects of the TME of preclinical BrM models, which include two xenograft and one syngeneic mouse model. BrM was induced via intra-cardiac injection of tumor cells with a high brain tropism. Both xenograft models were based on immuno-compromised nude mice (Balb/c nude) and included the melanoma-to-brain (M2B) model H1_DL2, and the lung-to-brain (L2B) model H2030. In addition the breast-to-brain model 99LN-BrM was used in wild-type mice (BL6), and therefore represented an immuno-competent, syngeneic model. First BrMs could be detected in the xenograft models at 3 weeks after injection, whereas first 99LN BrMs were detected at 5 weeks. BrM development and progression were monitored by bioluminescence imaging once per week in the xenograft models. Tumor progression in the 99LN model was examined by magnetic resonance imaging. Based on the measurement methods, and for further histologic and cytometric experiments, mice were stratified into groups with small or large BrMs, respectively. Some initial immuno-stainings confirmed previous findings, showing that brain-resident cells like astrocytes and microglia become activated in the presence of tumor cells, whereas neurons for example rather give the impression of passive bystanders. Importantly, an accumulation of IBA1+ cells was observed during BrM progression. IBA1 is a pan-macrophage marker that stains all tumor-associated macrophages (TAMs). However previous work suggested that the TAM population consists of at least two main subpopulations in BrM as well: the resident-infiltrating microglia (MG, TAM-MG), as well as the peripheral and monocytic-derived macrophages (TAM-MDM). Since both cell types within the tumor share morphological traits, and due to the lack of markers to distinguish them, an exact discrimination of both cell types was complicated in the past. Recently, an integrative lineage-tracing-based study identified the integrin CD49d as MDM-specific in the context of brain tumor-associated myeloid cells, hence enabling a reliable dissection of both TAM populations in e.g. flow cytometric experiments.
One of the main aims of this thesis was to dissect the myeloid TME in the three different BrM models during tumor progression. Using a 5-marker flow cytometry (FCM) (CD45/CD11b/Ly6C/Ly6G/CD49d) approach, the following cell populations were examined in more detail: granulocytes, inflammatory monocytes, MDM, and MG.
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This dissertation investigates several aspects of nominal modification in Ògè, an understudied language of Benue-congo spoken in Àkókó Northwest in Nigeria. The study focuses on two areas of nominal modification namely, Nominal Attributive Modifiers (NAMs) and the strategies of number marking.
The discussion and analysis of NAMs in the language reveal that Ògè belongs to the group of languages which lacks adjectives as a lexical category. NAMs are nominal and they
are derived from an existing lexical category namely, verbs. Predicative modifiers and NAMs have forms that are similar to the long and short forms (LF & SF) of adjectives in languages in which adjectives form an open class, for example, Russian, SerBoCroatian (BCS) and German.
Based on the Minimalist program, the dissertation reveals that unlike Russian, BCS, and German in which the discrepancies between the two forms of adjectives are related to definiteness (as in the case of BCS) and Agree, the discrepancies in the two forms of modifiers in Ògè are related to the fact that Ògè lacks adjectives and resorts into the nominalization of stative verbs in order to derive attributive forms. Using the analyses of adjuncts according to Truswell (2004) and Zeijlstra (2020), the dissertation proposes that NAMs are adjuncts in a modification structure while they are heads in possessive and genitive constructions. In addition, I propose that NAMs are attributive-only modifiers which modify the NP rather than
the DP.
The dissertation also investigates the strategies of number marking in Ògè. Unlike languages in which number marking is obligatory in the nominal domain (Hebrew, German, English),
nouns in Ògè are not always marked for number. This means that nouns in Ògè have general number. The general number nature of nouns in Ògè is like that of the nouns in modifying plural marking languages namely, Halkomelem, Korean, Yucatec Maya and Yorùbá. However, I argue that unlike the modifying plural marking languages in which the Number Phrase (NumP) is not projected, NumP is projected in the nominal spine of Ògè, claiming that NumP bears an
interpretable number feature which values the uninterpretable number feature in D. Argument in support of this comes from the interpretation of the noun in the presence of òtúro (an element which translates to the plural definite interpretation of the noun). I analyze òtúro as a plural determiner which occupies the D-head in the syntax of Ògè. The dissertation argues following Alexiadou (2019) that the locus of the occurrence of the marker of plurality in the nominal spine does not depend on its interpretation as a plural morpheme, rather, the locus of the occurrence of the element that is sensitive to the plural interpretation of the noun depends on other parameters which are definiteness, specificity and animacy.
The role of orthographic knowledge for reading performance in German elementary school children
(2021)
Reading is crucial for successful participation in the modern world. However, 3-8% (e.g., Moll et al., 2014) of children in elementary school age show reading difficulties, which can lead to limited education and enhance risks of social and financial disadvantages (Valtin, 2017). Therefore, it is important to identify reading relevant components (Tippelt & Schmidt-Hertha, 2018). In this context, especially phonological awareness (i.e., awareness of the sound structure of the language) and naming speed (i.e., fast and automatized retrieval of information) were identified as significant components for reading skills (e.g., Georgiou et al., 2012; Landerl & Thaler, 2006; Vellutino, Fletcher, Snowling, & Scanlon, 2004). One further component, which is of growing interest to the recent research, is orthographic knowledge. It comprises the knowledge about the spelling of specific words (word-specific orthographic knowledge) and about legal letter patterns (general orthographic knowledge; Apel, 2011).
Previous research focused predominantly on examining the role of orthographic knowledge on basic reading level, including word identification and word meaning (Conrad et al., 2013; Rothe et al., 2015). The relationship between orthographic knowledge and reading comprehension as the core objective of reading, including understanding of the relationship between words within a sentence as well as building a coherence between sentences (Perfetti et al., 2005), was on the contrary scarcely the object of research. The first goal of this dissertation is, therefore, to provide a remedy by investigating the role of orthographic knowledge on higher reading processes (sentence- and text-level). The scarce body of research investigating children with reading difficulties provide a mixed result pattern (e.g., Ise et al., 2014). Therefore, this dissertation aims at clarifying the influence of orthographic knowledge on word-, sentence-, and text-level in children without and with reading difficulties.
A thorough understanding of reading relevant components is also important for conception of interventions aiming at individual reading performance improvements in order to prevent school failure. One promising approach to help children to overcome their reading difficulties is a text-fading based reading training. During this procedure, reading material is faded out letter by letter in reading direction (i.e., in German from left to right; Breznitz & Nevat, 2006). The aim of this manipulation is to prompt the individual to read faster than usual, resulting in reading rate and comprehension improvements (e.g., Nagler et al., 2015). However, the underlying mechanisms leading to improvements of reading performance are still unclear. Considering previous findings showing orthographic skills to influence training outcomes (Berninger et al., 1999), and also word reading performance after a reading intervention (Stage et al., 2003), it seems plausible to include orthographic knowledge when investigating potential training effects. Therefore, this dissertation aims at investigating the predictive value of orthographic knowledge for comprehension performance during the text-fading based reading training.
In order to answer the first research question, two empirical papers are implemented (see Appendix A: Zarić et al., 2020 and Appendix B: Zarić & Nagler, 2021), which investigate the role of orthographic knowledge for reading at word-, sentence-, and text-level in German school children without and with reading difficulties. The study by Zarić et al. (2020) examines the incremental predictive value for explained reading variance of both word-specific and general orthographic knowledge in relation to variance amount explained by general intelligence and phonological awareness. For this purpose, data from 66 German third-graders without reading difficulties were analyzed. Correlation and multiple regression analyses have shown that word-specific and general orthographic knowledge contribute a unique significant amount to the variance of reading comprehension on word-, sentence-, and text-level, over and above the explained variance by general intelligence and phonological awareness. In order to answer the question whether word-specific and general orthographic knowledge also explain variance in children with poor reading proficiency, in addition to established predictors phonological awareness and naming speed, the data from 103 German third-graders with reading difficulties were analyzed in a second study (Zarić & Nagler, 2021). The analyses revealed that word-specific and general orthographic knowledge explain a unique significant amount of the variance of reading on word- and sentence-level. On text-level, these two components did not explain a significant amount of unique variance. Here, only phonological awareness was shown to be a significant predictor. The results indicate that the knowledge about the spelling of specific words (word-specific orthographic knowledge) and the knowledge about legal letter patterns (general orthographic knowledge) contribute to reading comprehension on word-level. Following the assumptions, for instance, of the Lexical Quality Hypothesis (Perfetti & Hart, 2002) high-quality orthographic representations are considered to be important for higher reading processes, such as comprehension.
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In Zeiten der globalen Klimaerwärmung und des Klimawandels werden Strategien zur Vermeidung, Reduzierung oder Wiederverwertung von CO2-Emissionen sowie die Abkehr von fossilen Energieträgern immer wichtiger. Aus diesem Grund finden Technologien zur Bindung, Speicherung und Wiederverwertung von CO2 immer größere Aufmerksamkeit und diverse chemische als auch biologische Ansätze werden verfolgt. Eine dieser Möglichkeiten umfasst die Reduktion von CO2 mit Hilfe von molekularem Wasserstoff. Im Prozess der direkten Hydrogenierung von CO2 zu Ameisensäure bzw. Formiat wird nicht nur CO2 gebunden, sondern ebenfalls H2 in flüssiger Form gespeichert. Die Ameisensäure weist gegenüber dem hochflüchtigen Wasserstoffgas verschiedene Vorteile auf und zählt zu der Gruppe der flüssigen, organischen Wasserstoffspeicherverbindungen. Daneben ist das Einsatzgebiet von Ameisensäure als Ausgangstoff für Chemikalien oder als mikrobielle Kohlenstoffquelle sehr vielseitig und die Verbindung erfreut sich zunehmenden Interesses.
Die Natur hält biologische Katalysatoren (Enzyme) für die Reduktion von CO2 bereit. Die Gruppe der obligat anaeroben, acetogenen Bakterien verwendet so genannte Formiatdehydrogenasen als CO2-Reduktasen, um CO2 im Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) der Bakterien fixieren zu können. Diese Enzyme katalysieren die reversible 2-Elektronen Reduktion von CO2 zu Ameisensäure. Kürzlich konnte aus den beiden Vertretern A. woodii (mesophil) und T. kivui (thermophil) ein neuartiger, cytoplasmatischer Enzymkomplex isoliert werden. Dieser Enzymkomplex koppelt die Reduktion von CO2 direkt an die Oxidation von H2 und wird deshalb als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnet (engl. hydrogen-dependent CO2 reductase, HDCR). Die HDCR katalysiert dabei die reversible Hydrogenierung von CO2 zu Formiat mit annähernd gleicher Kinetik und gleichen Umsatzraten. Die bei der CO2 Reduktion erreichten Umsatzraten übertrafen dabei bisherige chemische als auch biologische Katalysatoren um mehre Größenordnungen.
Im Hinblick auf die besonderen katalytischen Eigenschaften der HDCRs wurde in dieser Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit der Enzyme als Biokatalysatoren zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Ameisensäure untersucht. Im Speziellen wurde ein HDCR-basiertes Ganz-Zell-System für das thermophile Bakterium T. kivui entwickelt. Um eine Ganz-Zell basierte Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat zu gewährleisten, wurde zuvor die Weiterverwertung des Formiats zu Acetat im WLP gestoppt. Durch eine Reduktion des zellulären ATP-Gehalts konnte eine weitere Prozessierung des aus der HDCR-Reaktion gebildeten Formiats im Zellstoffwechsel des Bakteriums unterbunden werden. Die Formiatbildung aus H2 und CO2 wurde in Zellsuspensionen von T. kivui untersucht und charakterisiert. Hier zeigten T. kivui Zellen die höchste spezifische Formiatbildungsrate, die bis dato in der Literatur genannt wurde. Ebenfalls wurde in dieser Arbeit die Umwandlung von Synthesegas (H2 + CO2 und CO) und CO zu Formiat geprüft. Bioenergetisch entkoppelte und auf CO-adaptierte T. kivui Zellen konnten in der Tat Synthesegas exklusiv zu Formiat umsetzen. Um die CO-Verwertung zu Acetat und Formiat im Stoffwechsel der Rnf- (A. woodii) und Ech-Acetogenen (T. kivui) verstehen zu können, wurden Mutanten von Δhdcr, ΔcooS, ΔhydBA, Δrnf and Δech2 von A. woodii und T. kivui zur Hilfe genommen. In beiden Organismen war die CO-basierte Formiatbildung vom Vorhandensein eines funktionalen HDCR-Enzymkomplexes abhängig.
Für eine mögliche biotechnologische Anwendung wurde die Maßstabsvergrößerung des Ganz-Zell-Systems angestrebt und hin zum Bioreaktormaßstab mit kontrollierten Prozessbedingungen skaliert. Diese Arbeit demonstriert die effiziente Umwandlung von H2 und CO2 zu Formiat und vice versa unter Verwendung eines Rührkesselreaktors. Der Prozess zeigte eine Effizienz von 100% für die Umwandlung von CO2 zu Formiat und spezifische Raten von 48.3 mmol g-1 h-1 wurden von A. woodii Zellen erreicht. Die spezifische H2-Produktionsrate (qH2) aus der Ameisensäureoxidation betrug 27.6 mmol g-1 h-1 und mehr als 2.12 M Ameisensäure konnte über einen Zeitraum von 195 h oxidiert werden. Wichtige Parameter der Enzymkatalyse wie Wechselzahl (engl. turnover frequency, TOF) und katalytische Produktivität (engl. turnover number, TON) wurden ebenfalls im Versuch bestimmt. Basierend auf dem generierten Prozessverständnis und der effizienten Reversibilität der katalysierten Reaktionen wurde abschließend ein Ganz-Zell-basierter Bioreaktoraufbau gewählt, der die vielfache Speicherung und Freisetzung von H2 in einem einzigen Rührkesselreaktor und unter Verwendung des gleichen Katalysators ermöglicht. Über eine Prozesszeit von 2 Wochen und 15 CO2 Reduktions-/Formiat Oxidations-Zyklen konnte so im Mittel 330 mM Formiat produziert und oxidiert werden.
Zusammenfassend thematisiert diese Arbeit die biotechnologische Anwendbarkeit eines Ganz-Zell-Systems zur Speicherung und Sequestrierung von H2 und CO2 in Form von Formiat und vice versa. Die katalytische Aktivität der betrachteten Organismen fußt dabei auf der Aktivität eines neuartigen Enzymkomplexes, der erstmals in der Gruppe der acetogenen Bakterien entdeckt wurde. Der als Wasserstoff-abhängige CO2-Reduktase bezeichnete Enzymkomplex könnte die zukünftige Konzipierung Enzym-inspirierter und effizienter chemischer Katalysatoren vorantreiben. Auch der Einsatz des Enzyms/der Zellen in so genannten Hydrogelen oder die Etablierung elektrochemischer Prozesse sind vorstellbar. Diese Arbeit stellt somit eine Basis für mögliche zukünftige Anwendungen des etablierten Ganz-Zell-Systems von A. woodii und T. kivui im Bereich der Wasserstoffökonomie dar.
The deubiquitinase USP32 regulates non-proteolytic ubiquitination in the endosomal-lysosomal system
(2021)
The regulation of essential cellular processes requires tightly controlled and directed transport of proteins and membranes. The highly dynamic endosomal and lysosomal system forms the key network for exchange and trafficking of molecules with its early endosomes, recycling endosomes, late endosomes, lysosomes, and additionally autophagosomes.
In this system, the small GTPase Rab7 has an essential role at the late endosomal stage regulating vesicle transport, tethering, and fusion, and retromer mediated receptor recycling back to the trans-Golgi network (TGN). Thus, Rab7 is also important for autophagosomes and lysosomes.
Lysosomes do not only represent the end point of the degradation pathway with several feeder pathways. But these organelles are also a dynamic signaling hub for a variety of metabolic processes. The ever-important regulator of cellular biosynthetic pathways mTORC1 dynamically associates with lysosomes where it is activated. mTORC1 activation is a complex multi-step process where a series of signaling events converge in dependence of amino acid levels thereby enabling interactions between the lysosomal v-ATPase, Ragulator complex (consisting of LAMTOR1-5), and Rag GTPases.
Ubiquitin signals are involved in almost all cellular processes. With this, their regulatory mechanism is also described for the endosomal-lysosomal system as well as mTORC1 signaling. Deubiquitinases (DUBs) release conjugated ubiquitin from proteins and thereby maintain the dynamic state of the cellular ubiquitinome.
The ubiquitin-specific protease 32 (USP32) is a poorly characterized DUB with only emerging cellular function. However, its predicted domain structure includes two unique domains within the entire DUB family. It has been linked to the development of breast cancer and small cell lung cancer. Furthermore, overexpressed GFP-USP32 was localized at the TGN, and a global mass spectrometry-based DUB interactome study suggested an interaction with the retromer complex. Based on these data, USP32 was a very interesting candidate to study its cellular function in this PhD project.
To investigate the function without disease background, a polyclonal USP32 knockout (USP32KO) RPE1 cell line was generated using the CRISPR/Cas9 technology. First experiments revealed different protein expression levels in various cell lines, and a subcellular localization of USP32 at membranes of the Golgi and lysosomal compartments. In a subsequent SILAC-based ubiquitinome analysis potential substrates of USP32 were identified. Interestingly, various proteins of the endosomal-lysosomal system were detected with enriched non-proteolytic ubiquitination upon USP32 depletion.
The further characterization of Rab7 as USP32 substrate confirmed the USP32-sensitive ubiquitination of Rab7 at lysine (K) residues 191 and 194. The ubiquitination in USP32KO cells did not change the subcellular localization of Rab7, but enhanced the interaction with the effector protein RILP. This implied that Rab7 was either more active or RILP had higher affinity to ubiquitinated Rab7. The subsequent results verified this theory. The retromer mediated recycling of CI-M6PR back to the TGN was faster or more efficient in USP32-depleted cells.
Accompanying this, levels of hydrolases were enriched in lysosomes isolated from USP32KO cells. Notably, USP32 had no direct effect on expression level or assembly of the retromer complex itself.
The observed lysosomal phenotypes connected another identified substrate to the function of USP32 in the endosomal-lysosomal system: LAMTOR1. LAMTOR1 is a component of the Ragulator complex and thus involved in the activation of mTORC1 at the lysosomal surface. Similar as for Rab7, the first experiments to characterize LAMTOR1 as USP32 substrate confirmed the USP32-sensitive ubiquitination at K20 independent of amino acid availability. However, ubiquitination of LAMTOR1 decreased its lysosomal localization in untreated and amino acid starved USP32KO cells. The following label-free interactome study detected a reduced interaction of LAMTOR1 and subunits of the lysosomal v-ATPase upon loss of USP32. This resulted in a shifted subcellular localization of mTOR (subunit of mTORC1) away from lysosomes. Furthermore, direct substrates of mTORC1 were less or slower re-phosphorylated after long amino acid starvation and re-activation of mTORC1 in USP32KO cells indicating a reduced mTORC1 activity.
Both USP32-dependent regulations of Rab7 and LAMTOR1/Ragulator converged in enhanced autophagic processes analyzed by increased LC3 levels upon amino acid starvation and USP32 depletion.
In summary, the presented thesis described the diverse role of USP32 in the endosomal and lysosomal system, and contributes to the understanding of novel ubiquitin signals in this context.
James Joyce's Ulysses is treated as one of the most influential, paradigmatic texts of high modernism. Novels like Thomas Pynchon’s 1973 Gravity’s Rainbow and David Foster Wallace’s 1996 Infinite Jest, which equally raise claims to being the paradigms of their respective time, are perpetually compared to and measured against Joyce’s epic novel. However, novels like Ulysses, Gravity’s Rainbow and Infinite Jest are usually either grouped together due to their length, complexity and importance, to examine direct allusions in the texts or analyse a rather general “style” or to conversely stress the novels’ singularity and autonomy. I argue that not only can Joyce’s Ulysses, Pynchon’s Gravity’s Rainbow and Wallace’s Infinite Jest be meaningfully put in relation to one another but that their singularity and paradigmatic status in 20th century literature should be understood through the relationality of a Ulyssean Tradition. Novels like Gravity’s Rainbow and Infinite Jest can be fruitfully read in a Ulyssean Tradition. Their singular, paradigmatic aesthetic projects emerge from a reciprocal dialogue with Ulysses in their self-inscription into a Ulyssean Tradition. The intertextual connection of this Ulyssean Tradition is integrally constitutive of the autonomy through which these novels claim the status of singular representations of their respective human condition and thus epic paradigms of a new way of writing the world. By positioning themselves in the literary field alongside Ulysses as the received paradigm of modernism, Wallace in Infinite Jest and Pynchon in Gravity’s Rainbow legitimize their own, independent project and their own claims to paradigmaticness. The Ulyssean Tradition thereby becomes not only a way of writing,a nd this study not merely a study of literary influence, but also a way of reading that can generate new, independent readings through the relationality of a Ulyssean Tradition
B-cell acute lymphoblastic leukaemia (B-ALL) is characterized by the overproduction of lymphoblasts in the bone marrow (BM), and it is the most common cancer in children while being comparatively uncommon in adults. On the other hand, in chronic myeloid leukaemia (CML), 70% of cases are found in patients older than 50 years, making it uncommon in children. All CML cases and up to 3% of paediatric B- ALL (and 25% of adult B-ALL) cases are due to fusion gene BCR-ABL1, which gives rise to the cytoplasmatic, constitutively active oncoprotein, tyrosine kinase BCR-ABL1 through a reciprocal translocation between chromosomes 9 and 22. The constitutively active BCR-ABL tyrosine kinase leads to deregulation of different signal transduction pathways such as cell growth, proliferation and cell survival. The role of the bone marrow microenvironment (BMM) can mediate disease initiation (only in mice), progression, therapy resistance, and relapse, as has been increasingly recognized over the last two decades. In general, the BMM is a very complex arrangement of various cell types such as osteoblasts, osteoclasts, endothelial cells, adipocytes, mesenchymal stromal cells, macrophages and several others. In addition, the BMM is composed of multiple chemical and mechanical factors and extra cellular matrix (ECM) proteins which contribute to the BMM’s features influencing leukaemia behaviour. Considering the incidence of B-ALL and CML in children and in adults respectively, we hypothesized that the young and/or an aged BMM might also play a previously unrecognized role in the aggressiveness of B-ALL and CML. We proposed that BM, transduced with BCR-ABL1-expressing retrovirus in the murine transduction/transplantation model of B-ALL, transplanted into young versus old recipient mice would lead to a more aggressive disease in young mice, and similarly CML would be more aggressive in old recipient mice. In close recapitulation with the human incidence, induction of CML led to a significantly shorted survival in old recipient mice. On the other hand, induction of B-ALL showed a shortened survival in young compared to old syngeneic mice, as well as in a xenotransplantation model. Among the highly heterogenous composition of the BMM, we implicate young BM macrophages as a supportive niche for B-ALL cells. The results were found to be mostly due to potential soluble factors differentially secreted from young and old macrophages. Therefore, we hypothesized that the chemokine CXCL13, which has been demonstrated to play a role in B cell migration and act as a diagnostic marker in the cerebrospinal fluid of patients with neuroborreliosis, might be responsible for the observed phenotype. CXCL13 was found to be more highly expressed in healthy and leukaemic young mice as well as in conditioned medium of young macrophages. Using a variety of in vitro experiments, CXCL13 showed to significantly increase the proliferation and the migration of leukaemia cells when exposed to young macrophages, and the phenotype was rescued while using a CXCL13 neutralizing antibody. The CXCL13 role was also confirmed in vivo, since macrophage ablation led to a prolongation of survival in young mice and a reduction of CXCL13 levels. The use of an additional mouse model, leukaemia cells with CXCR5 deficiency, led to a significant prolongation of survival of young mice, confirming the importance of the CXCL13-CXCR5 axis in B-ALL. In line with our murine results, we found that human macrophages and CXCL13 levels were higher in pediatric B-ALL patients than in adults. Consistent with our murine data, the expression level of CXCR5 may act as a prognostic marker in B-ALL, as well as a predictive marker for central nervous system relapse in human B-ALL. The overall findings show that a young BMM, and in particular macrophages, influences B-ALL progression. We specifically identified CXCL13, secreted by young macrophages, as a promoter of proliferation of B-ALL cells, influencing survival in B-ALL via CXCR5. The CXCR5-CXCL13 axis may be relevant in human B-ALL, and higher CXCR5 expression in human B-ALL may act as a predictive marker.
Both China and the EU have nearly 30 years of legislative experience on GMOs. However, despite all the experience gained so far and theoretical analyses, due to the social concerns about GMO risk, both China and Germany are still encountering a decision-making dilemma on authorizing green GMOs. Therefore, the dissertation is dedicated to the issue of whether there is a possibility that this dilemma could be resolved by improving or reformulating the administrative risk decision-making mechanism regarding green GMOs. Specifically, the dissertation analyses four concrete questions: operation of classical decision-making on danger prevention, the challenges posed by uncertain risks, the theoretical legal response to uncertain risk, and the functioning of legally constituted decision-making mechanisms for GMOs in Germany/ the EU and China.
Conventionally, danger is a threshold for the executive to intervene in individual liberty. It can ensure the rationality of ex-ante intervention and further guarantee a balance between individual liberty and public safety. Regarding the danger prevention decision-making process, the executive authorities investigate the factual information at first; then, based on reliable and accessible common knowledge about the rule of causality, predict the degree of possible damage and the occurrence probability; at last, make ex-ante intervention decisions to interrupt the causality chain and avoid damages.
In the risk society, uncertain risk of GMOs is characterized as collectively wide-ranging, manufactured, high-technological, and value-oriented. The ex-ante intervention of the administration extends from danger to uncertain risk, i.e., risk precaution. The essential cause of uncertain risk is that humans do not have sufficient knowledge and have not yet grasped the rule of causality regarding new technologies. Due to the lack of a cognitive reference standard, it is not easy for the administration to judge the existence of risks and make rational decisions on risk precaution, which, consequently, amounts to losing the balance between individual freedom and public safety. Besides, if the authority makes a decision ad arbitrium, and expects learning by error, this may cause significant secondary risks.
In the risk management system, there are two primary, partly interrelated strategies to manage risk that are currently used: that is, knowledge generation and proceduralization. Specifically, to de-materialize the legislation, integrate multipartite participation in the decision-making process, and open the procedure for updating the information can contribute to the generation of the requisite knowledge. Proceduralization can assist with knowledge generation, promote the reconciliation of conflicting interests, compensate for material and legal deficits, and control the legitimacy of administrative behavior.
In the final chapter, the laws on GMOs in the EU, Germany, and China are analysed, especially under the perspective of the concrete risk decision-making mechanisms.
Overall, this dissertation argues that law can procedurally guarantee the independence and reliability of experts and ensure that access to public participation is open. But what the law can do to address public trust and scientifically uncertain risks, is limited.
Die Beteiligung an Schlüsselfunktionen in zellulären Signalwegen macht Kinasen zu einem vielversprechenden Ansatzpunkt in der Wirkstoffentwicklung bei verschiedenen menschlichen Erkrankungen wie z.B. Krebs oder auch Autoimmun- und Entzündungskrankheiten. Die Prävention von post-translationalen Modifikationen durch Phosphorylierung und somit die Regulierung der nachgeschalteten Signalwege ist das Ziel von Kinaseinhibitoren. Die katalytische Aktivität von Kinasen ist abhängig von ATP, welches im hochkonservierten aktiven Zentrum bindet. Bedingt durch diese kinomweite hohe Konservierung stellt die Entwicklung von hoch selektiven ATP-mimetischen Inhibitoren eine Herausforderung dar. Typische ATP-Mimetika sind flach und die oft hydrophoben Moleküle weisen meist eine große Zahl an frei rotierbaren Bindungen auf. Um das aus dieser Flexibilität hervorgehende Problem der teils mangelnden Selektivität zu umgehen, kann eine bioaktive Konformation des Inhibitors durch Makrozyklisierung fixiert werden. Als Konsequenz dieser konformationellen Einschränkung können die entropischen Kosten während des Bindens reduziert werden und folglich zu einer gesteigerten Affinität gegenüber der Kinase führen.
Der Grundstein dieser Arbeit war der makrozyklische Pyrazolo[1,5-a]pyrimidin basierte FLT3 Kinaseinhibitor ODS2004070 (37). Im Rahmen eines kinomweiten Screenings konnten hohe Affinitäten zu verschiedensten Kinasen detektiert werden, was 37 zu einer guten Leitstruktur für das Design von potenten und selektiven Kinaseinhibitoren machte. Im Rahmen dieser Arbeit blieb das literaturbekannte Pyrazolo[1,5-a]pyrimidin basierte ATP-mimetische Bindemotiv sowie das makrozyklische Grundgerüst 37 bis auf einige wenige Variation unverändert.
Strukturelle Optimierungen zur Fokussierung der Selektivität wurden am sekundären Amin zwischen Bindemotiv und Linker als auch über die freie Carbonsäure durchgeführt. Mit einer Anzahl von mehr als 430 identifizierten Phosphorylierungsstellen ist die pleiotropisch und konstitutiv aktive Casein Kinase 2 (CK2) an verschiedensten zellulären Prozessen wie dem Verlauf des Zellzyklus, der Apoptose oder der Transkription regulatorisch beteiligt. Die Fehlregulation von CK2 wird häufig mit der Pathologie von Krankheiten wie zum Beispiel Krebs assoziiert, was CK2 zu einem vielversprechenden Ziel klinischer Untersuchungen macht.
Im Rahmen des CK2-Projekts war es möglich, durch spezifische Modifikationen an 37, die hoch selektiven und potenten CK2-Inhibitoren 47 und 60 zu entwickeln. Ebenfalls gezeigt wurde, dass kleine strukturelle Veränderungen, wie z.B. Makrozyklisierung, einen signifikanten Effekt auf Selektivität und Potenz des Inhibitors haben kann.
Weiter Untersuchungen der Verbindungen lenkten den Fokus weiterer Arbeiten u.a. auf die Serin/Threonin Kinase 17A (STK17A) oder auch death-associated protein kinase-related apoptosis-inducing protein kinase 1 (DRAK1) genannt. Sie ist Teil der DAPK Familie und gehört zusammen mit anderen Kinasen zu den weniger erforschten Kinasen. Bis heute ist nicht viel über ihre zellulären Funktionen und die Beteiligung an pathophysiologischen Prozessen bekannt. Berichtet wurde jedoch eine Überexpression in verschiedenen Formen von Hirntumoren des zentralen Nervensystems (Gliom). Strukturelle Modifikationen, unter Erhalt des makrozyklischen Grundgerüsts 37, führten zu dem hoch selektiven und potenten DRAK1 Inhibitor 121, der alle Kriterien für eine chemical probe Verbindung erfüllt.
Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die AP-2-assoziierte Protein Kinase 1 (AAK1) aus der NAK Familie, bestehend aus AAK1, BIKE und GAK. Sie ist als potenzielles therapeutisches Ziel für viele verschieden Krankheiten wie z.B. neuropathische Schmerzen, Schizophrenie und Parkinson identifiziert. Durch die Regulierung der Clathrin-mediierten Endozytose ist AAK1 an intrazellulären Bewegungen verschiedener nicht zusammenhängenden RNS- und DNSViren, wie beispielsweise HCV, DENV oder EBOV, beteiligt. Ebenfalls berichtet wurde eine mögliche Assoziation mit dem SARS-CoV-2 Virus, was das Interesse an neuen selektiven AAK1 Inhibitoren verstärkte. Die Entwicklung der hochpotenten und selektiven AAK1 Inhibitoren 61 und 63 basierte ebenfalls auf dem makrozyklischen Grundgerüst 37, das bereits im CK2- und DRAK1-Projekt verwendet wurde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es im Rahmen dieser Arbeit gelungen ist, ausgehend von einem höchst unselektiven makrozyklischen Grundgerüst, hochpotente und selektive Kinaseinhibitoren für CK2, DRAK1 und AAK1 zu entwickeln und zu charakterisieren. Im Zuge von Untersuchungen verschiedener Struktur-Wirkungsbeziehungen wurde gezeigt, dass es durch geringfügige strukturelle Modifikationen möglich ist, die kinomweite Selektivität zu variieren und auf eine Kinase zu fokussieren. Diese Arbeit brachte nicht nur die erwähnten Inhibitoren hervor, sondern bildet auch die Grundlage für weitere Projekte zur Entwicklung von hoch potenten und selektiven Verbindungen als potenzielle chemische Werkzeuge für den Einsatz in der Forschung.
Die Autophagie ist ein in Eukaryonten evolutionär konservierter Prozess, bei dem es zu einem lysosomalen Abbau von cytosolischen Bestandteilen kommt. Die dabei entstehenden biochemischen Bausteine stehen anschließend erneut zum Aufbau benötigter Strukturen zur Verfügung. Verschiedene Stimuli, wie beispielsweise Nährstoffmangel, können die Aktivität der Autophagie erhöhen und ermöglicht Zellen dadurch die Aufrechterhaltung der Zellhomöostase, selbst unter Stressbedingungen. Im Verlauf der Autophagie bildet sich eine tassenförmige Doppelmembran-Struktur, das sogenannte Phagophor. Dieses wächst, um das abzubauende Material zu umschließen und wird dabei von sogenannten Atg-Proteinen (autophagy-related genes) prozessiert. Nach der Schließung spricht man vom Autophagosom, welches letztlich mit einem Lysosom verschmilzt und das Autophagolysosom bildet, welches wiederum die eingeschlossenen Bestandteile zerlegt und die recycelten Bausteine freigibt. Die einzelnen Schritte während der Autophagie sind hochgradig durch die Atg-Proteine reguliert. Eines dieser Atg-Proteine, das Atg8, ist an einigen entscheidenden Schritten wie dem Phagophor-Wachstum, der Autophagosom-Reifung sowie der Schließung beteiligt. Während es in Hefen nur ein einziges Atg8-Protein gibt, so zeigt sich in höheren Eukaryonten meist eine gewisse Diversität. So codiert beispielsweise das humane Genom mindestens sechs Atg8-Homologe. Neben den drei Proteinen der LC3-Familie (A, B, C) zählen auch GABARAP, GABARAPL1 und GABARAPL2 dazu. Die Gründe für diese Diversität sind noch nicht vollständig aufgeklärt, weshalb es wichtig ist, möglichst selektive Modulatoren zu entwickeln, um so die Aufgaben der einzelnen Homologen entschlüsseln zu können. Eine weitere wichtige Aufgabe übernimmt Atg8 beim Binden des abzubauenden Materials über sogenannte Autophagie-Rezeptoren, wie beispielsweise p62. Der Bindevorgang beruht dabei auf der Interaktion von p62 mit ubiquitinierten Zellbestandteilen auf der einen Seite und der Interaktion zwischen p62 und LC3 auf der anderen Seite. Letztgenannte beruht auf dem Binden des LIR-Motivs (LC3-interagierende Region) von p62 an die LDS (LIR-docking site) des LC3-Proteins. Das LIR-Motiv zeichnet sich durch Aminosäure-Sequenz D-D-D-W/F/Y-X1-X2-L/I/V aus. Währende die aromatische Seitenkette (W/F/Y) die hydrophobe Tasche 1 (HP1) der LDS besetzt, ragt die aliphatische Seitenkette (L/I/V) in die HP2 hinein. Damit sollte es möglich sein, die LIR-LC3-Interaktion, durch das Besetzen der LDS zu stören bzw. zu inhibieren. Solche Inhibitoren könnten zum einen der weiteren Aufklärung der Prozesse, an denen die Autophagie beteiligt ist, dienen, zum anderen jedoch auch die Untersuchung fehlerhafter Autophagie ermöglichen. Ausgangspunkt für diese Arbeit stellt die Verbindung Novobiocin dar, die im Rahmen eines Mitteldurchsatz-Screenings als potenzieller Inhibitor der LIR-LC3-Interaktion identifiziert und mittels ITC, TSA und 1H-15N-HSQC verifiziert werden konnte. Die Struktur des Novobiocins setzt sich aus dem 3-Amino-4-hydroxy-8-methylcoumarin-Kern, der über eine Amidbindung an 3-iso-Prenyl-4-Hydroxybenzoesäure gebunden ist, sowie einer O-glykosidischen Bindung in Position C7 des Coumarins mit L-Noviose zusammen. Da es sich bei Novobiocin (XL6) um ein verhältnismäßig komplexes Molekül handelt, wurde der Einfluss einzelner funktionellen Gruppen des Moleküls auf die Bindungsaffinität hin untersucht. Hierfür wurden Synthesestrategien sowohl für die Coumarin-Gerüste als auch verschiedene Benzoesäuren entwickelt. Die erhaltenen Verbindungen wurden mittels ITC und TSA untersucht. Dabei wurde die Verbindung MH507 als geeigneter Ausgangspunkt für die Untersuchung der Struktur-Aktivitätsbeziehungen (SAR) bezüglich der Benzamid-Seite identifiziert. Im Rahmen einer ersten SAR-Untersuchung wurden neben verschiedenen 3-Alkyl-benzoesäuren, auch verschiedene divalente Isostere (-O-, -S-, -NHSO2-) der benzylischen Methylengruppe synthetisiert. Diese, sowie kommerzielle Aminosäuren, wurden mit 3-Amino-4,7-dihydroxycoumarin zu den entsprechenden Endverbindungen gekuppelt. Ergänzend dazu wurden auch eine Verbindung mit umgekehrter Konstitution der Amidbindung dargestellt, um den Einfluss der Reihenfolge zu verifizieren. In einer weiteren SAR-Studie wurden Derivate synthetisiert, die zusätzlich eine Funktionalisierung am C7 des Coumarin-Gerüstes über Amidkupplung, Sulfonamid-Bildung bzw. Suzuki-Reaktion erlauben und somit eine Interaktion mit der HP1 ermöglichen könnten. Dafür wurde eine weitere Synthesestrategie zur Darstellung von 7-Nitro- bzw. 7-Brom-3-amino-4-hydroxycoumarinen ausgearbeitet und eine Reihe von Endverbindungen dargestellt. Neben den Coumarin-Derivaten wurden auch vier Peptidomimetika synthetisierten. Hierfür wurde, basierend auf den Interaktionen zwischen dem LIR-Motiv und der LC3 Proteinoberfläche, ein Pharmakophor-Modell erstellt. Neben einem Pentapeptid wurden auch drei Verbindungen dargestellt, die ein 5-Amino 2-methoxybenzohydrazid-Gerüst besitzen. Um die synthetisierten Verbindungen auf ihre inhibitorische Aktivität auf LC3A bzw. LC3B gegenüber dem LIR-Motiv von p62 hin untersuchen zu können, wurde ein HTRF-basierter Verdrängungsassay entwickelt. Dabei diente ein mit dem LIR-Motiv modifiziertes sGFP als FRET-Akzeptor, während das jeweilige Terbium-Kryptat-gelabelte SNAP-LC3-Fusionsprotein als FRET-Donor fungierte. Neben den Titrationsexperimenten zur Bestimmung der IC50-Werte wurden auch die jeweiligen Dissoziationskonstanten (Kd) von LC3A und LC3B gegenüber dem LIR-sGFP-Fusionsprotein bestimmt, um die IC50-Werte in inhibitorische Konstanten (Ki) zu überführen, da diese untereinander besser vergleichbar sind.
Die Verbindung MH209 zeigte die höchste Aktivität auf LC3A bzw. LC3B und besitzt aufgrund der Noviose-Einheit eine gute Wasserlöslichkeit, weshalb sie für die weiteren Untersuchungen ausgewählt wurde. Im Zuge von Kristallisationsexperimenten gelang die Isolierung und Vermessung eines Co-Kristalls von LC3A mit Verbindung MH209. Durch die Kristallstruktur wurden wichtige Einblicke in die intermolekularen Wechselwirkungen der 4-Hydroxycoumarine mit der LC3A- bzw. LC3B-Proteinoberfläche gewonnen und die Bindungsmode aufgeklärt. Diese Erkenntnisse passen gut zu den Ergebnissen aus den durchgeführten TSA-, ITC- und HTRF-Assays, wie beispielsweise der korrekten Konstitution der Amidbindung am C3 des Coumarin-Gerüstes. Mittels ITC wurde die Verbindung MH209 auf ihre Bindungsaffinität gegenüber den anderen humanen Homologen der Atg8-Proteinfamilie hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass MH209 abgesehen von LC3A und LC3B keinerlei Aktivität auf den humanen Atg8-Homologen besitzt. Diese Selektivität ist nützlich, um die biologische Bedeutung der Diversität von Atg8-Homologen in höheren Eukaryonten zu untersuchen und Prozesse, in die diese involviert sind, aufzuklären.
Sympathetic influences on articular cartilage regeneration capacity and osteoarthritis manifestation
(2021)
The pathogenesis of osteoarthritis (OA) involves articular cartilage, synovial tissue and subchondral bone and is therefore a disease of the whole joint. OA is characterized by progressive degradation of cartilage, synovial inflammation, osteophyte formation and subchondral bone sclerosis. Cartilage-surrounding tissues are innervated by tyrosine hydroxylase (TH)-positive sympathetic nerve fibers with the most important sympathetic neurotransmitter norepinephrine (NE) detected in the synovial fluid of OA patients. Furthermore, adrenergic receptors are expressed in different knee joint tissues. Most in vitro studies indicate a potential role of the β2-adrenergic receptor, which has been not investigated during OA pathogenesis in vivo. The role of the sympathetic nervous system (SNS) in OA progression has not yet been studied. Therefore, the objective of this study was to analyze how the SNS and NE influence the MSC dependent cartilage regeneration in vitro and the OA pathogenesis and manifestation in vivo.
In the first part of this study, the effect of NE on the chondrogenesis of sASC, which are known to play an important role in cartilage regeneration was analyzed in vitro. In the second part of this study, the role of the SNS was studied in vivo in mice that were sympathectomized chemically followed by surgically induced OA. The specific focus was on the β2-adrenergic receptor effects on OA pathogenesis, which were analyzed in β2-adrenergic receptor-deficient mice.
The in vitro experiments have shown that NE reduced the chondrogenic potential of sASCs by decreasing the expression of type II collagen and sGAG. NE mediated these effects mainly by the α2-AR signalling. Furthermore, NE treatment led to activation of the ERK1/2 signal pathway. These findings suggested that the sympathetic neurotransmitter NE might suppress the chondrogenic capacity of MSC and their dependent cartilage regeneration and may also play a role in OA progression and manifestation.
The in vivo study has shown that sympathectomy reduced synovial TH-positive nerve fibers in the synovium and the NE concentration in the spleen significantly. In WT mice, DMM leads to increased NE concentrations in the spleen compared to sham mice indicating an increased SNS activity after mechanical stress or inflammation due to DMM. Sympathectomy leads to less pronounced cartilage degeneration (OARSI score) after DMM compared to DMM in WT mice. Furthermore, the release of the type II collagen degradation fragment CTX-II was abolished in Syx DMM mice compared to WT DMM mice, suggesting that less SNS activity due to sympathectomy reduced the cartilage degeneration during OA pathogenesis. Similarly, sympathectomy decreased the synovitis score significantly after DMM compared to DMM in
WT mice. Synovitis in WT mice was accompanied by increased MMP-13 expression in the synovium after DMM, compared to Syx mice. Cartilage degeneration seemed to be driven mainly by the increased synovial inflammation accompanied by an increased MMP13 expression in synoviocytes and not in chondrocytes. The pathological changes in synovium and cartilage might also be linked to each other, as indicated by the moderate correlation between the synovial inflammation (synovitis score) and cartilage degeneration (OARSI score). Subchondral bone volume as well the thickness of the subchondral bone plate (SCBP) and calcified cartilage (CC) were increased in Syx mice compared to WT after DMM. The data on DMM induction in β2-AR deficient mice revealed that the β2-AR signaling is involved in cartilage degeneration and the aggravated subchondral bone changes as these mice had less pronounced cartilage degeneration compared to WT mice. While the cartilage degeneration was similar, the subchondral bone changes were more pronounced in β2-AR deficient mice compared to the Syx mice.
Overall, the SNS had differential effects in cartilage, synovium and subchondral bone. A reduced SNS activity by sympathectomy attenuated cartilage degeneration and synovitis but aggravated the OA specific subchondral bone changes. These findings provide new insights into the development of novel therapeutic strategies for OA by targeting the SNS in a tissue- specific manner.
Specialized transporter proteins facilitate controlled uptake and extrusion of molecules across biological membranes that would otherwise be impermeable to them. The superfamily of solute carriers (SLC) comprises the second largest group of membrane proteins in humans, acting on a variety of small polar and non-polar molecules and ions. Because of their central role in metabolism, malfunctioning of these proteins often is pathogenic. The interest in SLC transporters as drug targets – as well as for drug delivery – has therefore increased in the past years. For many SLC subfamilies, however, structural and functional information remains scarce to date.
The here presented data provides important insights into different aspects of the transport mechanism of the SLC23 and SLC26 protein families. Importantly, we show that SLC23 nucleobase transporters, in contrast to what was been previously reported, work as uniporters rather than as proton-coupled symporters. In order to do so, we developed the first and only in vitro transport assay for the SLC23 family, which enables investigation of protein function in a defined environment. Moreover, we provide a hypothesis on the role of the extremely conserved negative charged substrate binding site residue found not only in the SLC23, but also SLC4 and SLC26 families. Based on a detailed analysis of binding and transport we conclude that this conserved negative charged has a relevance for protein stability rather than for substrate binding, which explains its conservation for all three protein families that otherwise differ in their substrate specificities and modes of transport. Lastly, we investigated the relevance of oligomerization for the SLC23 and SLC26 families, highlighting the importance of the STAS domain for forming active dimers in the SLC26 anion transporter family.
Background: Mastectomy in male transgender patients is an important (and often the first) step toward physical manhood. At our department, mastectomies in transgender patients have been performed for several decades.
Methods: Recorded data were collected and analyzed for all male transgender patients undergoing mastectomy over a period of 24 years at our department.
Results: In total, 268 gender-reassigning mastectomies were performed. Several different mastectomy techniques (areolar incision, n=172; sub-mammary incision, n=96) were used according to patients' habitus and breast features. Corresponding to algorithms presented in the current literature, certain breast qualities were matched with a particular mastectomy technique. Overall, small breasts with marginal ptosis and good skin elasticity allowed small areolar incisions as a method of access for glandular removal. In contrast, large breasts and those with heavy ptosis or poor skin elasticity often required larger incisions for breast amputation. The secondary correction rate (38%) was high for gender reassignment mastectomy, as is also reflected by data in the current literature. Secondary correction frequently involved revision of chest wall recontouring, suggesting inadequate removal of the mammary tissue, as well as scar revision, which may reflect intense traction during wound healing (36%). Secondary corrections were performed more often after using small areolar incision techniques (48%) than after using large sub-mammary incisions (21%).
Conclusions: Choosing the suitable mastectomy technique for each patient requires careful individual evaluation of breast features such as size, degree of ptosis, and skin elasticity in order to maximize patient satisfaction and minimize secondary revisions.
In this thesis, we characterized megasynthases such as fatty acid synthases (FASs) and polyketide synthases. The obtained insights into structure and function were used to engineer such systems to produce new-to-nature compounds.
The in vitro characterization of megasynthases requires reproducible access to these enzymes in high quality. Therefore, we established purification strategies for the yeast FAS and the methylsalicylic acid synthase (MSAS) from Saccharopolyspora erythraea (SerMSAS) and applied the latter one on MSAS from Penicillium patulum (PenPaMSAS) and on 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) module 6. With the purified samples, we were able to obtain initial structural data for SerMSAS and solve the complete structure of the yeast FAS (PDB: 6TA1). On the example of the yeast FAS, we could show that the sample can suffer from adsorption to the water-air interface during the grid preparation for electron microscopy and presented how the use of graphene-based grids can overcome this problem. The combined structural and functional analysis of the yeast FAS showed that the structural domains trimerization module and dimerization module 2 are not essential for the assembly of the whole system. Therefore, they can potentially be used for domain exchange approaches. The in-depth functional analysis of SerMSAS revealed that not SerMSAS itself releases the product, but a 3-oxoacyl-(acyl-carrier protein) synthase like enzyme within the gene cluster transfers 6-methyl salicylic acid from SerMSAS to another carrier protein for subsequent modifications. In contrast, we showed that PenPaMSAS can release its product by hydrolysis and that non-native substrates can be incorporated although at significantly slower turnover rates compared to the native starter substrate. Our further investigation demonstrated that the substrate specificity of the acyltransferase (AT) is a critical factor for the incorporation of non-native substrates.
With the insight from the functional and structural characterization, we engineered megasynthases for the biosynthesis of natural product derivatives. We targeted the AT of PenPaMSAS for active site mutagenesis and discovered a mutant which can transfer non-native substrates significantly faster (~200-300%). Additionally, the malonyl/acetyl transferase (MAT) of the mammalian FAS was used as a promising target for protein engineering because of its previously reported properties including polyspecificity, fast transfer kinetics, robustness, and plasticity. We showed that the MAT can transfer fluorinated substrates and accept the acyl carrier protein of DEBS module 6. By exchanging the substrate specific AT of DEBS with the polyspecific MAT of the mammalian FAS, we demonstrated an efficient DEBS/FAS hybrid and an optimal truncation site for the applied ATs. In contrast to the wild type system, the DEBS/FAS enzyme was able to synthesize demethylated and fluorinated derivatives. The production and purification of a fluoro-methyl-disubstituted polyketide was of particular interest, as it has a high potential for the generation of new drugs and shows the potential of protein engineering. Furthermore, the incorporation of the disubstituted substrate had important implication in the mechanistic details of the ketosynthase-mediated C-C bond formation.
Cytochrome c oxidases are among the most important and fundamental enzymes of life. Integrated into membranes they use four electrons from cytochrome c molecules to reduce molecular oxygen (dioxygen) to water. Their catalytic cycle has been considered to start with the oxidized form. Subsequent electron transfers lead to the E-state, the R-state (which binds oxygen), the P-state (with an already split dioxygen bond), the F-state and the O-state again. Here, we determined structures of up to 1.9 Å resolution of these intermediates by single particle cryo-EM. Our results suggest that in the O-state the active site contains a peroxide dianion and in the P-state possibly an intact dioxygen molecule, the F-state may contain a superoxide anion.
The main aim of this thesis work was to elucidate the catalytic mechanism of several enzyme complexes on the basis of their three-dimensional structure. All investigated enzyme complexes occur in the anaerobic energy metabolism and have an essential function by the challenging degradation of aromatic compounds and the flavin-based electron bifurcation (FBEB)/confurcation, an energy-coupling mechanism. More specifically, I studied the phthaloyl-CoA decarboxylase of Thauera chlorobenzoica (Pcd) involved in phthalate ester decomposition, the FBEB protein complexes lactate dehydrogenase/electron-transfer flavoprotein (Ldh/EtfAB) of Acetobacterium woodii, the heterodisulfide-related subunit HdrA of the sulfur- oxidizing bacteria Hyphomicrobium denitrificans (sHdrA). In addition, I contributed to the structure determination of the caffeyl-CoA reductase- EtfAB complex of A. woodii and the naphthoyl-CoA reductase of the sulfate-respiring enrichment culture N47 (mentioned in the Appendix E and F).
Mongolia covers a huge area in Asia and provides excellent Palaeozoic successions although large regions still lack detailed information on fauna and flora in Palaeozoic rocks. Of special interest is the Central Asian Orogenic Belt (CAOB), one of the largest collisional complexes on Earth. The CAOB is composed of a large number of terranes, continental margins, island arcs, backarc/forearc basins and accretionary wedges (Badarch et al. 2002; Safonova et al. 2017). Many terranes and regions underwent strong metamorphism, such as areas north of the Main Mongolian Lineament. To the south, Palaeozoic rocks exhibit low-grade metamorphism, thrusting and folding. Two promising long successions of Palaeozoic rocks were studied, namely the Hushoot Shiveetiin gol section and the Bayankhoshuu Ruins section. The intention of the PhD was to study marine facies settings in Palaeozoic rocks of southern and southwestern Mongolia, in an area little is known in terms of biostratigraphy and events. In order to get a better understanding on events and what might have been the driving forces I studied sections in Mongolia which have not been in the focus of research in the last decades. In order to complement studies on Late Devonian events elsewhere, I decided to study sections in open ocean environments (CAOB), far away from mainly studied epicontinental areas.As stated in many publications, events are the driving force for evolution. They exhibit dramatical changes in the palaeontological record of organisms and they are often associated with dramatic extinctions (Walliser 1996) and anoxic sediments (but not always). Mass extinctions are episodes in which a large number of plant and animal species became extinct within a few thousand to a hundred thousand years. Most events (first and second order events) are traceable worldwide. For instance, in the Late Devonian, mass extinction events recognized at the Frasnian–Famennian (F/F) stage boundary and at the Devonian–Carboniferous (D/C) boundary (McLaren and Goodfellow 1990; Sepkoski 1996; Walliser 1996). Overall, 19% of all families, 50% of all genera and at least 70% of all species became extinct (Raup and Sepkoski 1982; Sepkoski 1996; McGhee et al. 2013), but extinctions also concerned palaeoecosystems and due to Late Devonian events whole coral/stromatoporoid reef ecosystems became extinct. What might be the reason(s) for these dramatical changes? Why did the carbonate factory brake down? There are several reasons which have been discussed. For instance, extraterrestrial bolide impacts (McLaren 1970), anoxia within the water column due to climate changes (House 1985; Becker and House 1994; Caplan and Bustin 1999; Bond and Wignall 2005), transgressions and regressions (Newell 1967; Hallam and Wignall 1999; Purdy 2008; Ruban 2010, 2013; Smith and Benson 2013), eutrophication and increased sediment transport (Joachimski et al. 1993; Schobben et al. 2016), explosive volcanism (Paschall et al. 2019) and/ or large igneous provinces (LIP’s, Ernst et al. 2019; Racki et al. 2020, among others) and much more has been considered. The main problem is that previous studies preferably have been done along former epicontinental margins between Laurassia and Gondwana. Less information is available in deep open oceanic successions and shallow-water areas around island arcs. Generally, events are characterized by bituminous rocks, such as black limestones and shales within marine realms, but they do not necessarily occur everywhere (see Carmichael et al. 2016). So, the question was: “Can we recognize Palaeozoic event layers or equivalents in the CAOB?” If so, is this comparable to already published data? What might be the main trigger, as there are many reasons still in discussion? And finally, what has happened in the aftermath of those events as it seems that the CAOB may have acted as a refugium for at least some groups, such as for crinoids (Waters and Webster 2009; Tolokonnikova and Ernst 2010). In this thesis, I will provide data from isolated ecosystems from a rather unstudied region, which will complement studies from other parts of the World.
Neurons are cells with a highly complex morphology; their dendritic arbor spans up to thousands of micrometers. This extended arbor poses a challenge for the logistics of neuronal processes: mRNA, proteins, and organelles have to be transported to dendrites, hundreds of micrometers away from the soma. This thesis aims to calculate the minimum number of proteins needed to populate the dendritic trees for different scenarios.
In chapter 2, I analyzed the ability of different mechanisms to populate the dendritic arbor. I started from the solution of the diffusion equation in Sec. 2.1, then I included the contribution of active transport in Sec. 2.2 and showed how it could have either the effect of increasing the effective diffusion coefficient or of introducing a bias in the diffusion process. In Sec. 2.3 I studied the spatial distribution of locally synthesized protein, accordingly with actively and passively transported mRNA. In Sec. 2.5, I derived the boundary condition for branches showing a qualitatively different behavior of surface and cytoplasmic proteins induced by the medium’s dimensionality in which they diffuse.
In chapter 3, I introduced the concept of protein requirement, defined as the minimum number of proteins that the neuron needs to produce to provide at least one protein to each micrometer of the dendritic arbor. In Sec. 3.1, I derived the protein requirement for diffusive proteins for somatic translation and constant translation in the dendritic arbor. In Sec. 3.2, I analyzed numerically the protein requirement in the case of actively transported protein synthesized in the soma, and, in Sec. 3.3, in the case of actively transported proteins synthesized in the dendritic arbor. In Sec. 3.4, I analyzed the protein requirement of protein synthesized in the dendrite accordingly with the distribution of mRNA described in Sec. 3.3 and 3.2. In Sec. 3.5, I derived the protein requirement for a single branch and purely diffusive proteins.
In chapter 4, I analyzed the relation between the radii of the three afferent dendrites in a branch, their length, and the diffusion length of a protein. In Sec. 4.1 I derived the optimal ratio between the radii of the daughter dendrites that minimizes the protein requirement. In Sec. 4.3 I introduced the 3/2− Rall Rule and in Sec. 4.5 its generalization. Finally, I used those rules to estimate the fraction of proteins diffusing away from and toward the soma.
In chapter 5, I analyzed the radii distribution for three categories of neurons: cultured hippocampal neurons in Sec. 5.1, stomatogastric ganglia neuron in Sec. 5.2, and 3DEM reconstructed prefrontal pyramidal neurons in Sec. 5.3. For each of these three classes, I analyzed the distribution of radii, Rall exponents, and the probability ratio. For most of them, I found that the probability of a protein diffusing away from the soma is higher for surface proteins than for cytoplasmic ones. I quantified this with a parameter called surface bias.
In Chapter 6, I analyzed the fluorescent ratio imaged by our collaborators Anne-Sophie Hafner, for a surface protein, GFP::Nlg, and a soluble one, GFP, in cultured hippocampal neurons, and I compared the fluorescent ratio with the probability ratio obtained in 5.1, finding that they are in good agreement.
In chapter 7, I compared the real dendritic morphologies imaged by one of our collaborators Ali Karimi with the optimal branching rule obtained in Sec. 4.1 and I calculated the cost for not having optimal branching radii.
Finally, in Chapter 8, I used the knowledge of the branching statistics gathered in 5.3 to simulate the protein profile on three different classes of neurons: pyramidal neurons, granule neuron, and Purkinje neurons. I compared the protein profile for surface and cytoplasmic neurons for each morphology for two different values of the diffusion length: λ = 109µm and λ = 473µm, both for optimized radii and symmetrical radii. I showed how the radii optimization reduces the protein requirement of a factor 10 4 for pyramidal neurons.
In this thesis we investigate the thermodynamic and dynamic properties of the D-dimensional quantum Heisenberg ferromagnet within the spin functional renormalization group (FRG); a
formalism describing the evolution of the system’s observables as the magnetic exchange inter-action is artificially deformed. Following an introduction providing a self contained summary of the conceptual and mathematical background, we present the spin FRG as developed by Krieg and Kopietz in references [1] and [2] in chapter two. Thereto, the generating functional of the imaginary time-spin correlation functions and its exact flow equation describing the deformation process of the exchange interaction are introduced. In addition, it is highlighted that - in contrast to conventional field-theoretic FRG approaches - the related Legendre trans-formed functional cannot be defined if the exchange interaction is initially switched off. Next, we show that this limitation can be circumvented within an alternativ hybrid approach, which treats transverse and longitudinal spin fluctuations differently. The relevant functionals are introduced and the relations of the corresponding functional Taylor coefficients with the spin correlation functions are discussed. Lastly, the associated flow equations are derived and the possibility of explicit or spontaneous symmetry breaking is taken into account.
In chapter three, we benchmark the hybrid formalism against a calculation of the thermo-dynamic properties of the one and two-dimensional Heisenberg model at low temperatures T and finite magnetic field H. For this purpose, we devise an anisotropic deformation scheme of the exchange interaction which allows for a controlled truncation of the infinite hierarchy of FRG flow equations. Thereby, contact with mean-field and spin-wave theory is made and the violation of the Mermin-Wagner theorem is discussed. To fulfill the latter, the truncation scheme is then complemented by a Ward identity relating the transverse self-energy and the magnetization. The resulting magnetization M (H, T ) and isothermal susceptibility χ(H, T ) are in quantitative agreement with the literature and the established behavior of the transverse correlation length and the zero-field susceptibility close to the critical point is qualitatively reproduced in the limit H → 0.
Finally, we investigate the longitudinal dynamics at low temperatures. To this end, the hierarchy of flow equations is solved within the same anisotropic deformation scheme complemented by an expansion in the inverse interaction range, and the resulting longitudinal dynamic structure factor is calculated within a low-momentum expansion. In D = 3, the large phase space accessible for the decay into transverse magnons yields only a broad hump centered at zero frequency whose width scales linearly in momentum. In contrast, at low temperatures and in a certain range of magnetic fields, a well-defined quasiparticle peak with linear dispersion emerges in D ≤ 2, which we identify as zero-magnon sound. Sound velocity and damping are discussed as a function of temperature and magnetic field, and the relevant momentum-frequency window is estimated and compared to the hydrodynamic
second-magnon regime.
Beim ischämischen Schlaganfall finden weitreichende systemische immunmodulatorische Anpassungsvorgänge statt. Da Sphingosin-1-Phosphat (S1P)-Signalwege für die Immunzellrekrutierung von hoher Relevanz sind, war angesichts der bekannten immunologischen Veränderungen nach zerebraler Ischämie das Ziel dieser Dissertation die genauen Veränderungen dieses Signalweges zu charakterisieren.
Für diese Charakterisierung wurde ein transientes Fadenokklusionsmodell der A. cerebri media an der Maus verwendet. Die Sphingolipidkonzentrationen wurden drei oder 24 Stunden nach Okklusion in der Milz, im Plasma sowie im Hirngewebe gemessen. Parallel hierzu wurde die Immunzellrekrutierung in die von der Ischämie betroffenen Hemisphäre analysiert.
Zunächst konnte diese Dissertation zeigen, dass in der Akutphase des Schlaganfalls ein S1P-Konzentrationsgradient vorherrscht. Die Milz zeigt hier die niedrigsten Konzentrationen, gefolgt von Plasma und Gehirn. Darüber hinaus besteht auch in der betroffenen Hemisphäre ein S1P-Gradient mit hohen Konzentrationen im Infarktkern, jedoch verminderten Konzentrationen im Periinfarktkortex (PIC).
Zweitens führt eine fokale zerebrale Ischämie zu einer Infiltration von T- und B-Lymphozyten in die ischämische Hemisphäre. Im Gegensatz hierzu kommt es zu einer Schlaganfall-induzierten Lymphopenie im Blut. Hierzu passend konnte ich eine signifikante Abnahme des Gewichts und der B- und T-Lymphozyten der Milz 24 Stunden nach Ischämie nachweisen. Weitere von Immunzellen produzierte Zytokine (IL-6) sowie deren Transkriptionsfaktoren (SPI1, STAT3, FoxP3) zeigten in der Akutphase nach Ischämie ebenfalls eine deutliche Reduktion und wiesen auf die Rekrutierung peripherer Immunzellen (pIZ) aus dem sekundären lymphatischen Organ hin. Folgerichtig waren Leukozyten im Plasma sowohl drei als auch 24 Stunden nach Ischämie signifikant vermehrt, welche insbesondere neutrophilen Granulozyten entsprachen.
Basierend auf der nachgewiesenen Reduktion von T-Helferzellen sowie regulatorischer T-Zellen sowohl in der Milz als auch in der Zirkulation, wurde drittens die Hypothese einer zerebralen Rekrutierung dieser T-Zellpopulationen gemäß dem vorliegenden S1P-Gradienten untersucht. Dabei gelang die Darstellung einer signifikanten Infiltration von CD45+-Zellen in beide Hemisphären, welche insbesondere von T-Helferzellen geprägt war.
Viertens nimmt die S1P-Rezeptor (S1PR)-Expression auf Leukozyten eine bedeutende Stellung in der pIZ-Rekrutierung ein. In diesem Sinne konnte ich zeigen, dass nach zerebraler Ischämie S1P1 signifikant in der Milz vermindert exprimiert wurde. Dieses Ergebnis deutete auf einen Austritt S1P1+ Immunzellen aus der Milz dem etablierten S1P-Gradienten folgend hin. In der ischämischen Hemisphäre hingegen ließ sich ebenfalls eine Herunterregulation der exprimierten mRNA für S1P1 nachweisen, wohingegen S1P2 und S1P3 vermehrt transkribiert wurden. Dieses Ergebnis könnte Folge der mikroglialen Aktivierung sein, die bekanntermaßen mit einer Hochregulation von S1P2 und S1P3 einhergeht.
Abschließend habe ich die Rolle von weiteren Sphingolipiden, u.a. von Ceramiden, untersucht, die einen signifikanten Anstieg in der Milz 24 Stunden nach Ischämie zeigten. Im Gegensatz dazu konnte ich im Gehirn keine Unterschiede der untersuchten Ceramidspezies abgrenzen, sodass in dem hier verwendeten Modell eine Beteiligung an lokalen pathophysiologischen Vorgängen eher unwahrscheinlich erscheint.
Zusammenfassend beschreiben die in dieser Dissertation dargestellten Ergebnisse lokale und systemische Veränderungen des S1P-Signalwegs nach zerebraler Ischämie. Konkordante Veränderungen des Immunsystems deuten auf eine relevante Rolle veränderter S1P-Konzentrationen hin. Weitergehende, funktionelle Untersuchungen der hier beobachteten Ergebnisse müssen die potentielle therapeutische Relevanz für Patienten mit zerebraler Ischämie aufklären.
Bisherige Forschungsergebnisse zeigen, dass auch Frauen sexuellen Kindesmissbrauch begehen und somit eine potentielle Gefahr für das Kindeswohl darstellen können. Aus Deutschland liegen bisher nur regionale oder Studien mit geringer Stichprobengröße vor. Die vorliegende Studie verfolgt das Ziel, eine umfassende Bestandserhebung des sexuellen Kindesmissbrauchs durch Frauen in Deutschland zu dokumentieren. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurden zum ersten Mal bundesweit Strafakten von 465 pädokriminellen Frauen ausgewertet, die in den letzten 30 Jahren nach §§174, 176, 180 oder 182 des StGB verurteilt wurden. Die standardisierte Analyse umfasst 185 Variablen und 54 selbst definierte Skalen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine pädokriminelle Frau durchschnittlich 33 Jahre alt ist, zumeist in einer Ehe in einer Kleinstadt lebt und häufig keiner beruflichen Tätigkeit nachgeht. Sie ist eine Mittäterin, handelt überwiegend aus Abhängigkeit zu ihrem männlichen Komplizen heraus, zu dem sie eine intime Beziehung pflegt und missbraucht mehrheitlich weibliche Opfer (Verhältnis fast 2:1). Beinahe die Hälfte der 614 Opfer, zu denen Informationen vorlagen, waren leibliche Kinder der Täterinnen und rund jedes sechste Kind stammte vom männlichen Mittäter.
This thesis investigates the structure of research articles in the field of Computational Linguistics with the goal of establishing that a set of distinctive linguistic features is associated with each section type. The empirical results of the study are derived from the quantitative and qualitative evaluation of research articles from the ACL Anthology Corpus. More than 20,000 articles were analyzed for the purpose of retrieving the target section types and extracting the predefined set of linguistic features from them. Approximately 1,100 articles were found to contain all of the following five section types: abstract, introduction, related work, discussion, and conclusion. These were chosen for the purpose of comparing the frequency of occurrence of the linguistic features across the section types. Making use of frameworks for Natural Language Processing, the Stanford CoreNLP Module, and the Python library SpaCy, as well as scripts created by the author, the frequency scores of the features were retrieved and analyzed with state-of-the-art statistical techniques.
The results show that each section type possesses an individual profile of linguistic features which are associated with it more or less strongly. These section-feature associations are shown to be derivable from the hypothesized purpose of each section type.
Overall, the findings reported in this thesis provide insights into the writing strategies that authors employ so that the overall goal of the research paper is achieved.
The results of the thesis can find implementation in new state-of-the-art applications that assist academic writing and its evaluation in a way that provides the user with a more sophisticated, empirically based feedback on the relationship between linguistic mechanisms and text type. In addition, the potential of the identification of text-type specific linguistic characteristics (a text-feature mapping) can contribute to the development of more robust language-based models for disinformation detection.
Ausgehend von der Forschungsfrage „Wie wird im Lebensmittelhandel mit und an Verpackungen gearbeitet?“ erörtert die kumulative Dissertation „Schwierigkeiten und Potentiale der Verpackungsvermeidung – Eine Arbeitsethnographie im Lebensmittel-handel“ Handlungsspielräume für einen nachhaltigeren Umgang mit Verpackungen. In einer ethnographischen Analyse unterschiedlicher Arbeitssettings, werden die Herausforderungen in den alltäglichen Arbeitspraktiken des dominanten verpackungsbasierten Lebensmittelsystems genauso betrachtet wie die Schwierigkeiten der radikalen Transformation dieser Praktiken. Ich argumentiere, dass Verpackungen kein passives Objekt sind, vielmehr sind sie durch ihre Materialeigenschaften und Bedeutungen sowohl an der Stabilität des Arbeitsalltags als auch an der Dynamik von Transformationsprozessen entscheidend beteiligt. Artikel I (Plastic Packaging, Food Supply, and Everyday Life. Adopting a Social Practice Perspective in Social-Ecological Research) behandelt die Potentiale eines praxistheoretischen Forschungszugangs für die Erforschung von Plastikverpackungen im Speziellen und sozial-ökologischen Problemen im Allgemeinen. Anhand von konkreten Forschungsbeispielen erörtern wir im Artikel zwei mögliche praxistheoretische Zugänge zur Beziehung von Praktiken und materiellen Entitäten, die eine sozial-ökologische Systemperspektive je nach Fragestellung sinnvoll ersetzen können. Im Netzwerk-Ansatz konzipieren wir Materialität als Element in heterogeneren Netzwerken aus Praktiken um die Diversität im alltäglichen Umgang mit Infrastrukturen, Technologien und Dingen erforschbar zu machen. Mit dem Nexus-Ansatz fokussieren wir auf die Wechselwirkungen zwischen Alltagspraktiken und ihrer räumlich-materiellen Umgebung um die infrastrukturelle Rolle von Verpackungen zu ergründen. Artikel II (Making Food Manageable - Packaging as a Code of Practice for Work Practices at the Supermarket) greift den im Artikel I diskutierten Netzwerk-Ansatz auf und befasst sich empirisch mit der Frage „Wie wird im Lebensmittelhandel mit Verpackungen gearbeitet?“. Der Artikel erläutert die Schwierigkeit der Verpackungsvermeidung anhand einer ethnographisch/praxis-theoretischen Analyse und präsentiert zentrale Funktionen von Verpackungen im Supermarkt. An konkreten empirischen Beispielen in zentraler Arbeitsbereiche wie Produktpräsentation, Warenlogistik und Ladenrepräsentation zeige ich die Vielfältigkeit von Verpackungsfunktionen jenseits von Marketing oder technischer Schutzfunktionen. Das beinhaltet die Platzierung und Aufbereitung der Produkte im Regal, die Evaluation von Produktqualitäten und Quantitäten von Warenströmen sowie die Repräsentation zentraler Qualitäten eines guten Supermarktes. Praktische Verpackungsvermeidung erfordert eine Reflektion solcher Verpackungsfunktionen. Artikel III (Negotiating attachments to plastic) behandelt die Frage „Wie wird im Lebensmittelhandel an Verpackungen gearbeitet?“ durch die trans-sequentielle Analyse eines Innovationsprozesses zur Plastikvermeidung in einem deutschen Bio-Großhandel. Im Artikel diskutiere ich die Schwierigkeit grundlegender Innovationen der Verpackungs-vermeidung durch die Erläuterung ganz praktischer Veränderungsbarrieren und Widerstände der Veränderung von normalisierten Objektbeziehungen und Nutzungs-praktiken. In der Analyse der dynamischen Beziehungen (Attachments) von Arbeiter*innen und Plastikfolie (bzw. ihrer Substitute) zeige ich, dass „etwas loswerden" ein unzureichender Ansatz ist, wenn es darum geht, nicht-nachhaltige Plastiknutzungen zu transformieren. Verpackungsvermeidung gelingt eben nicht durch ein „Befreien“ menschlicher Handlungsmacht von nicht nachhaltigen Objektabhängigkeiten, vielmehr geht es darum, das Zusammenspiel von Verpackungen und Arbeiter*innen in konkreten Praktiken neu zu gestalten. Artikel IV (How to Apply Precycling: Unpacking the Versatility of Packaging in Networks of Food Supply Practices) greift schließlich die zentralen Erkenntnisse der ethnographischen Analyse auf und diskutiert die Folgen für sozial-ökologische Transformationsprozesse. Die Ergebnisse aus den beiden ethno-graphischen Fallstudien (Artikel II, III) werden zusammengeführt und anhand der Perspektive des Netzwerk-Ansatzes (Artikel I) diskutiert. Ich konkretisiere damit die Potentiale einer praxistheoretischen Herangehensweise für die soziologische Analyse der Verpackungsnutzung und die Entwicklung von praktischen Precycling-Strategien zur systematischen Verpackungsmüllvermeidung.
The central dogma of biology is based on the concatenated transfer of information from DNA, via transcribed mRNA, to the translated protein. In eukaryotes, transcription and translation are separated locally as well as temporally by cellular compartmentalization. Prior to active export factor-dependent transport from the nucleus to the cytosol, the newly formed pre-mRNA must mature. This involves 5'capping, splicing, and endonucleolytic cleavage and polyadenylation (CPA).
Transcription of a new pre-mRNA is terminated by hydrolytic cleavage in the 3'-UTR, and the newly formed 3'-end is protected from premature degradation by synthesis of a poly(A) tail. These processes are catalyzed by four multi-protein complexes (CFIm, CFIIm, CPSF, and CsTF) and poly(A) polymerase (PAP). CPA is sequence-specific and dependent on RNA-binding proteins (RBPs). APA-specific sequences include the poly(A) motif ('AAUAAA' and certain motif variants), the UGUA motif, and U/GU-rich sequences upstream and downstream of the poly(A) signal, respectively. About 70% of mammalian genes have more than one polyadenylation site (PAS) and express transcripts of different lengths by a mechanism called alternative polyadenylation (APA). This can affect the length of the 3'UTR (3'UTR-APA) or the coding sequence of the transcript (CDS-APA) if the alternative PAS is upstream of the STOP codon. The length of the 3'UTR affects the stability, export efficiency, subcellular localization, translation rate, and local translation of the nascent transcript. 3'UTR-APA is regulated in the interplay of the cis-elements (poly(A) motif, UGUA and U/GU) and trans-elements (expression of CPA factors). In this context, the functions of the individual cis and trans elements have been extensively studied, yet the regulation of alternative polyadenylation-the decision whether to use the proximal or distal PAS-is less deciphered and requires additional study.
In murine P19 cells, we were able to demonstrate for the first time a direct link between 3'UTR-APA and nuclear export of mature mRNA by the splicing factors SRSF3 and SRSF7 and decipher the mechanism. At the core here is the direct recruitment of the export factor NXF1 by SRSF3 and SRSF7 to transcripts with 3'UTRs of different lengths.
The primary goal of the thesis presented here was to decipher the function of SRSF3 and SRSF7 in the regulation of 3'UTR-APA and to determine the basic mechanism. For this purpose, various genome-wide methods, such as RNA-Seq, MACE-Seq, and iCLIP-Seq, were integrated and the findings were supported by reporter gene and mutation studies.
Initial determination of the poly(A)-tome in P19 cells by MACE-Seq yielded approximately 16,000 PAS and showed that slightly less than 50% of all genes used two or more PAS and expressed alternative 3'UTR isoforms. Further DaPARS analyses after knockdown of Srsf3 or Srsf7 confirmed that SRSF3 affected more transcripts than SRSF7 and led primarily to the expression of long 3'UTRs, whereas SRSF7 promoted the expression of short 3'UTRs. Integration of SRSF3- and SRSF7-specific iCLIP data suggested a possible competition between SRSF3 and SRSF7 at the proximal PAS (pPAS), which could thus act as a hotspot of 3'UTR regulation.
Experiments with intron-free reporter genes revealed that SRSF3- and SRSF7-dependent regulation of 3'UTR-APA is independent of splicing. With respect to SRSF7, a concentration dependence was demonstrated. Mutation experiments involving the SRSF3- and SRSF7-specific binding motifs in the 3'UTR also confirmed the hypothesis of competition between the two SR proteins.
Extensive Co-IP experiments clearly demonstrated that only SRSF7, but not SRSF3, can interact with CFIm and FIP1 (a subunit from the CPSF complex) in an RNA-independent manner. In addition, we showed that these interactions exhibited some phosphorylation dependence, such that the interaction to FIP1 arose primarily in the semi- to hypophosphorylated state of SRSF7. Whereas the interaction to CFIm was mainly detected in the hyperphosphorylated state. The differential affinity between SRSF3 and SRSF7 for polyadenylation factors could be attributed to two SRSF7-specific domains in subsequent mutation experiments: A CCHC-type Zn finger between the RRM and the RS domain, and a hydrophobic 27 amino acid long region in the middle of the RS domain. Together, this suggested that SRSF3 could block the utilization of pPAS, whereas SRSF7 could activate it by directly recruiting polyadenylation factors.
Interestingly, we showed that knockdown of Srsf3 also negatively regulates the expression of Cpsf6 (a subunit of CFIm) through alternative splicing, which subsequently leads to decreased expression of CPSF6 and of CFIm. Reduction of CFIm led to increased expression of transcripts with short 3'UTR, analogous to knockdown of Srsf3. This mirrors the results of previous studies. A direct comparison between SRSF3- and CPSF6-specific transcripts revealed that not all targets were congruent. In addition, we found preliminary evidence for CFIm-related masking of essential cis-pPAS elements by bimodal UGUA motifs at the pPAS. In summary, we present a novel mechanism of indirect 3'UTR-APA regulation through SRSF3-conditional expression of the CFIm subunit CPSF6.
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Angesichts globaler Krisendiagnosen setzen einige Aktivist*innen nicht primär auf Reformen innerhalb der bestehenden Verhältnisse – sie träumen von einer komplett anderen Ordnung. Oftmals ziehen sie sich deswegen aus bestehenden Institutionen und dem Alltag der Mehrheitsgesellschaft zurück. Anstelle von Eskapismus kann es sich bei ihrem Rückzug aber auch um radikalen Widerstand handeln. Philip Wallmeier stellt ein Netzwerk an Aktivist*innen in den Mittelpunkt seiner empirischen Studie, die zwischen den frühen 1970er Jahren und der Jahrtausendwende in den USA in »Kommunen«, »intentionale Gemeinschaften« und »Ökodörfer« zogen. Die Analyse zeichnet die historischen Veränderungen nach und beschreibt anschaulich, welche Widersprüche sich in der Praxis für die Aktivist*innen bei dem Versuch ergaben, alternative Lebensformen zu entwickeln, um so die Verhältnisse grundlegend zu transformieren.
Im Bereich der Neonatologie kommen die Patient*innen oft multimorbide zu Welt oder sind für bestimmte Komplikationen gefährdet, die sich aus ihrer Unreife ergeben. Dabei spielen sowohl bei reifen kranken Neugeborenen und erst recht bei Frühgeborenen Erkrankungen der Atemwege eine Hauptrolle. Nach wie vor ist das konventionelle Röntgen in diesem Bereich der Medizin ein wichtiges Instrument. Die diagnostische Strahlenexposition bietet jedoch immer wieder Raum zur Diskussion. Die Patient*innen sind nur wenige Tage alt und besitzen somit über eine hohe Proliferationsrate und ein Maß an undifferenzierten Zellen, sie erhalten in Summe teilweise viele Aufnahmen und haben auf der anderen Seite eine hohe Lebenserwartung, wenn sie die Neugeborenenzeit ohne Komplikationen überleben. Haupteffekte ionisierender Strahlen sind für die Früh- und kranken Neugeborenen Malignome, vor allem die Leukämien. Es soll herausgefunden werden, inwieweit die Strahlenbelastung ein gesundheitliches Risiko für die Früh- und Neugeborenen darstellt.
Hintergrund: Gegenstand der wissenschaftlichen und klinischen Diskussion ist immer wieder das eventuell bestehende Risiko der einfallenden ionisierenden Röntgenstrahlung auf das Früh- oder Neugeborene, dennoch ist das Röntgen als diagnostisches Mittel notwendig. Es soll untersucht werden, wie hoch das gesundheitliche Risiko durch diagnostische Röntgenaufnahmen in der Praxis für die Früh- und Neugeborenen ist.
Material und Methoden: Alle Patient*innen des Schwerpunktes Neonatologie in der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin aus dem Zeitraum vom 01.01.2013 bis 31.12.2018 im Universitätsklinikum Frankfurt wurden retrospektiv untersucht. Es wurden die Anzahl der Röntgenaufnahmen pro Patient*in, die zugrunde liegende Indikation, das Dosisflächenprodukt (DFP), die Effektive Dosis (ED) und das geschätzte Risiko dokumentiert, bzw. errechnet. Die ED ist eine Schätzgröße, welche mittels Konversionskoeffizienten aus den Eingangsgrößen des DFP, der Eintrittsdosis oder dem Air Kerma (Kai) berechnet wird. Im ICRP Bericht Nr. 60 finden sich Faktoren zur Risikoabschätzung von 2,8 bis 13*10-2 Sv-1. Diese Risikoeinschätzung nähert das durch Strahlung induzierte Risiko für Krebs in der ersten Lebensdekade an – vor allem für Leukämien, aber auch andere Krebsarten.
Ergebnisse: Von den insgesamt 3843 stationär in der Neonatologie behandelten Patient*innen (2013-2018) erhielten 1307 (34%) mindestens eine Röntgenaufnahme. Pro Jahr wurden in einer Abteilung für Neonatologie ca. 700 Röntgenaufnahmen angefertigt. Die mittlere Anzahl an Röntgenaufnahmen pro Patient*in betrug 3,19 Aufnahmen und korrelierte gegensinnig mit Geburtsgewicht und Gestationsalter. Am häufigsten wurden sehr kleine Frühgeborene untersucht, meistens in den ersten drei Lebenstagen. Im Laufe des Beobachtungszeitraums wurden weniger Röntgenaufnahmen angefertigt. Die häufigsten Gründe für Röntgenaufnahmen waren Kontrollen von Tubus oder ZVK-Lage. Je reifer und schwerer die Neugeborenen waren, desto seltener wurde ein pathologischer Befund erhoben. Bei niedrigem Geburtsgewicht war die Thoraxabdomenaufnahme die bevorzugte Röntgenart, bei reiferen Patient*innen die Thoraxaufnahme. Das kumulative DFP betrug im Mittel 5,95 mGy*cm² und die kumulative ED betrug im Mittel 23,7 µSv pro Aufenthalt. Damit errechnete sich ein Risiko von 3,1*10-6, das bedeutet 3,1 von 1.000.000 Patient*innen entwickeln nach dieser kumulativen Strahlendosis in der ersten Lebensdekade womöglich Krebs. Das kumulative DFP und die ED pro Aufenthalt und somit auch das Risiko, nach einer gewissen Strahlenexposition Krebs zu entwickeln, sinken mit zunehmendem Geburtsgewicht und zeigen einen Höhepunkt bei einem Geburtsgewicht von <500 g. Die maximale kumulative Strahlendosis betrug 342 µSv mit einem daraus resultierenden Risiko von 44*10-6 und ist damit selbst bei diesem Patienten nach Martin et al. als „minimal“ zu werten.
Schlussfolgerung: Die Strahlenbelastung der Früh- und Neugeborenen konnte evaluiert werden und der Zusammenhang zwischen Unreife und Strahlenbelastung konnte bestätigt werden. Die Strahlenbelastung fiel im internationalen Vergleich minimal aus und es ist nicht von einem gesundheitlichen Risiko durch diagnostische Bildgebung auszugehen. Dies lässt sich vor allem durch moderne Technik mit kurzer Belichtungszeit und hoher Aufnahmespannungen und durch die relativ niedrige Anzahl an gemachten Röntgenbildern erklären. Da bei weiterer Minimierung der eingesetzten Dosis von einem Qualitätsverlust der Bilder auszugehen ist, ist die Einsparung von Röntgenuntersuchungen und die vermehrte Nutzung von Alternativen anzuraten. Die Indikationen müssen vor allem bei Patient*innen <500 g genauestens überprüft werden. Weiterhin sollte nach Alternativen (Sonographie, Kernspintomographie) gesucht werden.
Terahertz (THz) technology is an emerging field that considers the radiation between microwave and far-infrared regions where the electronic and photonic technologies merge. THz generation and THz sensing technologies should fill the gap between photonics and electronics which is defined as a region where THz generation power and THz sensing capabilities are at a low technology readiness level (TRL). As one of the options for THz detection technology, field-effect transistors with integrated antennae were suggested to be used as THz detectors in the 1990s by M. Dyakonov and M. Shur from where the development of field-effect transistor-based detector began. In this work, various FET technologies are presented, such as CMOS, AlGaN/GaN, and graphene-based material systems and their further sensitivity enhancement in order to reach the performance of well-developed Schottky diode-based THz sensing technology. Here presented FET-based detectors were explored in a wide frequency range from 0.1 THz up to 5 THz in narrowband and broadband configurations.
For proper implementation of THz detectors, the well-defined characterization is of high importance. Therefore, this work overviews the characterization methods, establishes various definitions of detector parameters, and summarizes the state-of-the-art THz detectors. The electrical, optical, and cryogenic characterization techniques are also presented here, as well as the best results obtained by the development of the characterization methods, namely graphene FET stabilization, low-power THz source characterization for detector calibration, and technology development for cryogenic detection.
Following the discussion about the detector characterization, a wide range of THz applications, which were tested during the last four years of Ph.D. and conducted under the ITN CELTA project from HORIZON2020 program, are presented in this work. The studies began with spectroscopy applications and imaging and later developed towards hyperspectral imaging and even passive imaging of human body THz radiation. As various options for THz applications, single-pixel detectors as well as multi-pixel arrays are also covered in this work.
The conducted research shows that FET-based detectors can be used for spectroscopy applications or be easily adapted for the relevant frequency range. State-of-the-art detectors considered in this work reach the resonant performance below 20 pW/√Hz at 0.3 THz and 0.5 THz, as well as 404 pW/√Hz cross-sectional NEP at 4.75 THz. The broadband detectors show NEP as low as 25 pW/√Hz at around 0.6 THz for the best AlGaN/GaN design and 25 pW/√Hz around 1 THz for the best CMOS design. As one of the most promising applications, metamaterial characterization was tested using the most sensitive devices. Furthermore, one of the single-pixel devices and a multi-pixel array were tested as an engineering solution for a radio astronomy system called GREAT in a stratosphere observatory named SOFIA. The exploration of the autocorrelation technique using FET-based devices shows the opportunity to employ such detectors for direct detection of THz pulses without an interferometric measurement setup.
This work also considers imaging applications, which include near-field and far-field visualization solutions. A considerable milestone for the theory of FET technology was achieved when scanning near-field microscopy led to the visualization of plasma (or carrier density) waves in a graphene FET channel. Whereas another important milestone for the THz technology was achieved when a 3D scan of a mobile phone was performed under the far-field imaging mode. Even though the imaging was done through the phone’s plastic cover, the image displayed high accuracy and good feature recognition of the smartphone, inching the FET-based detector technology ever so close to practical security applications. In parallel, the multi-pixel array testing was carried out on 6x7 pixel arrays that have been implemented in configurable-size aperture and imaging configurations. The configurable aperture size allowed the easier detector focusing procedure and a better fit for the beam size of the incident radiation. The imaging has been tested on various THz sources and compared to the TeraSense 16x16 pixel array. The experimental results show the big advantage of the developed multi-pixel array against the used commercial technology.
Furthermore, two ultra-low-power applications have been successfully tested. The application on hyper-frequency THz imaging tested in the specially developed dual frequency comb and our detector system for 300 GHz radiation with 9 spectral lines led to outstanding imaging results on various materials. The passive imaging of human body radiation was conducted using the most sensitive broadband CMOS detector with a log-spiral antenna working in the 0.1 – 1.5 THz range and reaching the optical NEP of 42 pW/√Hz. The NETD of this device reaches 2.1 K and overcomes the performance limit of passive room-temperature imaging of the human body radiation, which was less than 10 K above the room temperature. This experiment opened a completely new field that was explored before only by the multiplier chain-based or thermal detectors.
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Despite major improvements of the therapy, many B-cell Non-Hodgkin’s lymphoma (B-NHL) entities still have a poor prognosis. New therapeutic options are urgently needed. Therefore this study sets out to investigate oncogenic signalling pathways in the two B-NHL entities mantle cell lymphoma (MCL) and diffuse large B-cell lymphoma (DLBCL) in order to define new potential therapeutic targets.
MCL cells overexpress the anti-apoptotic protein BCL-2, thereby they evade apoptosis. With venetoclax, the first-in-class BCL-2 specific inhibitor was approved and achieved good response rates in MCL. However, some cases display intrinsic or acquired resistance to venetoclax. In order to improve the therapy, this study aimed to identify genes which confer sensitivity or resistance towards venetoclax upon their respective knockout. To this end, a genome-wide CRISPR/Cas9-based loss-of-function screen was conducted in the MCL cell line Maver-1. The E3 ubiquitin
ligase MARCH5 was identified as one of the top hits conferring sensitivity
towards venetoclax upon its knockout. This finding was validated in a competitive growth assay including two more MCL cell lines, Jeko-1 and Mino. MARCH5 knockout also sensitised Jeko-1 cells towards venetoclax even though this cell line was insensitive towards venetoclax in its wild-type form. Using BH3 profiling, an increased dependency on BCL-2 of MARCH5-depleted cells confirmed this finding. The sensitisation was found to be based on induction of apoptosis upon MARCH5 knockout and to an even higher extent upon additional treatment of MARCH5-depleted cells with venetoclax. As already described for epithelial cancer entities, the BCL-2 family members MCL-1 and NOXA were upregulated in MCL cell lines upon MARCH5 knockout. This led to the hypothesis that MARCH5 is a potential
regulator of intrinsic apoptosis with NOXA as a key component. A competitive growth assay with MARCH5 and NOXA co-depleted cells revealed a partial reversion of the BCL-2 sensitisation compared to MARCH5 knockout alone. Furthermore, mass spectrometry-based methods were used to gain more insight into other cellular pathways and networks which might be regulated in a MARCH5-dependent manner. In an interactome analysis, proteins which regulate mitochondrial morphology, such as Drp-1 were identified as MARCH5 interactors. Besides this expected finding, interaction between MARCH5 and several members of the BCL-2 family as well as a potential connection between MARCH5 and vesicular trafficking was discovered. As expected, an ubiquitinome analysis of MARCH5-depleted cells revealed decreased levels of MCL-1 and NOXA ubiquitination. Additionally, a potential role of MARCH5 in the ubiquitination of several members of the cell cycle regulatory
pathway was discovered. Based on the broad spectrum of cellular pathways which seem to be regulated in a MARCH5-dependent manner, it was hypothesised that MARCH5 primarily regulates BCL-2 family members which in turn regulate intrinsic apoptosis on the one hand and additionally are involved in the regulation of various other pathways on the other hand.
In summary, this study provides insight into a MARCH5-dependent MCL1-1/NOXA axis in MCL cells and potential implications into related cellular processes.
In addition to the anti-apoptotic pathways described above, B-cell receptor (BCR) signalling is known to provide a pro-survival signal to both normal and malignant B-cells. Targeting the BCR signalling pathway therefore is a promising therapeutic target for B-cell malignancies. In order to gain more insight into the differential modes of BCR signalling of ABC- and GCB-DLBCL cells, genes/proteins which displayed differential essentiality in ABC- and GCB-DLBCL cells were aimed to be defined. Consequently, data sets from a CRISPR/Cas9-based loss-of-function screen
were re-analysed. SASH3 was identified as a gene which was essential for GCB- but not for ABC-DLBCL cells. Since this protein is known to be involved in T-cell receptor (TCR)-signalling, SASH3 was assumed to play a potential role in BCR signalling as well and was therefore investigated in more detail. A competitive growth assay confirmed that SASH3 knockout was toxic exclusively for GCB-DLBCL cell lines. An interactome analysis in ABC- and GCB-DLBCL cells revealed interaction between SASH3 and many components of the proximal BCR signalling pathway as well as several downstream signalling pathways such as the PI3K or the NF-ΚB pathway.
An integration of the interactome with data from the CRISPR/Cas9-based loss-offunction screen revealed differential essentiality of the SASH3-interacting proteins in ABC- and GCB-DLBCL cells. It was hypothesised that SASH3 might regulate PI3K signalling on which GCB- but not ABC-DLBCL cells are known to dependent. Discontinuation of the regulation of PI3K signalling could therefore be exclusively toxic to GCB-DLBCL cells.
Taken together, this study describes a subtype-specific dependency of GCB-DLBCL cells on SASH3. Furthermore, the SASH3 interactome has been investigated in B-cells for the first time, thereby highlighting a potential role in proximal BCR signalling and involvement in specific BCR-related downstream signalling pathways.
Der Morbus Basedow zählt zu den häufigsten Ursachen einer Hyperthyreose. Zur Behandlung stehen neben der medikamentösen thyreostatischen Therapie auch ein operatives sowie ein nuklearmedizinisches Verfahren zur Verfügung.
Die beiden zuletzt genannten Behandlungsmöglichkeiten stellen aufgrund ihrer Wirkungsweise ein definitives Verfahren dar, bei dem Schilddrüsengewebe entfernt bzw. zerstört wird. Dadurch ist in der Regel eine dauerhafte Substitution der lebensnotwendigen Schilddrüsenhormone erforderlich. Im Gegensatz dazu bleibt bei der medikamentösen Therapie mit Thyreostatika die gesamte Schilddrüse erhalten und funktionsfähig. Der Nachteil besteht in der hohen Rezidivrate von über 50 % im Vergleich zur definitiven Therapie. Damit mehr Patienten von den Vorteilen der thyreostatischen Therapie profitieren, ist eine Optimierung dieser zur Reduktion der Rezidivrate notwendig.
Ziel dieser Arbeit war es, mittels einer retrospektiven Analyse zu ermitteln, welche anamnestischen, klinischen, sonographischen und laborchemischen Parameter mit einem Rezidiv des Morbus Basedow bei Patienten mit thyreostatischer Therapie in Zusammenhang stehen. Weiterhin erfolgte eine Analyse von sonographischen und laborchemischen Werten im Krankheitsverlauf, um daraus Indikatoren für eine optimale Dauer der thyreostatischen Therapie abzuleiten. Hierzu wurden die Daten von 260 Patienten bezüglich der folgenden Faktoren zwischen Remissions- und Rezidivgruppe verglichen: Erkrankungsalter, Geschlecht, Dauer der Thyreostatikagabe, Vitamin D-Spiegel, Nikotinkonsum, endokrine Orbitopathie, fam. Autoimmunerkrankung, fam. Schilddrüsenerkrankung und Veränderungen im Hormonhaushalt anderer Hormonachsen. Zudem erfolgte eine Zeitreihenanalyse Schilddrüsen-spezifischer Laborwerte (fT3, fT4, TSH, TRAK, anti-TPO-Ak, TgAk) und des sonographisch bestimmten Schilddrüsenvolumens jeweils zu den Zeitpunkten Diagnosestellung sowie sechs und zwölf Monate darauf. Die Rezidivrate im untersuchten Patientenkollektiv betrug 68,8 %.
Für das Erkrankungsalter, die Therapiedauer, das Schilddrüsenvolumen, die Schilddrüsenfunktionsparameter und die TSH-Rezeptor-Antikörper ließen sich signifikante Unterschiede zwischen Remissions- und Rezidivkohorte nachweisen. Patienten, die bei Diagnose das 35. Lebensjahr noch nicht vollendet hatten, erlitten signifikant häufiger ein Rezidiv als ältere Patienten. In der Remissionsgruppe war die Therapiedauer mit zwölf Monaten zudem signifikant länger als in der Rezidivgruppe. Patienten, deren Schilddrüse zum Zeitpunkt der Diagnose oder zwölf Monate darauf in der sonographischen Messung über die Norm vergrößert war, erlitten signifikant häufiger ein Rezidiv des Morbus Basedow, ebenso wie Patienten mit anhaltend pathologischen Schilddrüsenfunktionsparametern sechs und zwölf Monate nach Diagnose. Die Werte der TSH-Rezeptor-Antikörper fielen in der Rezidivgruppe zu allen Erhebungszeitpunkten signifikant höher aus als in der Remissionsgruppe. Diese Ergebnisse lassen für die medikamentöse Behandlung des Morbus Basedow den Schluss zu, dass die Dauer der thyreostatischen Therapie dem Krankheitsverlauf, der sich in den Schilddrüsenfunktionswerten und den Leveln der TSH-Rezeptor-Antikörper widerspiegelt, angepasst werden sollte, um deren Erfolgsrate zu steigern. Weiterhin lässt sich folgern, dass bei jüngeren Patienten und Patienten mit vergrößerter Schilddrüse ein erhöhtes Rezidivrisiko besteht und diese Patienten möglicherweise von einem verlängerten Therapieintervall profitieren.
Während in der aktuellen europäischen Leitlinie zur Behandlung der Immunhyperthyreose eine feste Spanne von zwölf bis achtzehn Monaten für die Gabe der Thyreostatika empfohlen wird, lautet die Empfehlung der amerikanischen Hyperthyreose-Leitlinie die thyreostatische Therapie bis zur Normalisierung der TSH-Rezeptor-Antikörper fortzuführen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sprechen dafür, die europäische Leitlinie dahingehend der amerikanischen Leitlinie anzupassen.
Ziel: Ziel dieser Arbeit war es, das Vorhandensein von Normvarianten der arteriellen Leberversorgung in der Lebertransplantationsevaluation zu beurteilen. Anschließend wurde untersucht, ob das Vorliegen einer Normvariante bei Durchführung einer Lebertransplantation mit einer verlängerten Operations- oder Implantationszeit und einem erhöhten Risiko für postoperative Komplikationen und Versterben korreliert.
Material und Methoden: In dieser retrospektiven Studie wurden die Daten von 210 Patienten ausgewertet, bei denen eine Evaluation zur Lebertransplantation im Zeitraum Januar 2011 bis September 2016 durchgeführt wurde. Zunächst wurden die MR-Angiographien der Patienten auf das Vorhandensein von Normvarianten der arteriellen Leberversorgung untersucht. Anschließend wurde bei durchgeführter Transplantation der operative und postoperative Verlauf in einem Follow-Up von 6 Monaten anhand von Dokumentationen aus dem Krankenhaus-Management-System ORBIS ausgewertet. Bei dieser Evaluation wurde das transplantierte Patientenkollektiv (54 Patienten) in eine Gruppe mit Normtypanatomie (41 Patienten) und eine Gruppe mit Normvarianten (13 Patienten) geteilt und miteinander verglichen.
Ergebnisse: Im Gesamtkollektiv wurde bei 20,73% der Patienten eine Normvariante festgestellt und bei 79,86% eine Normtypanatomie. Im Kollektiv der transplantierten Patienten hatten 24,07% der Patienten eine Normvariante und 75,93% keine arterielle Gefäßanomalie.
Die häufigsten Normvarianten im Evaluations- und Transplantationskollektiv waren eine ersetzende oder akzessorische A. hepatica dextra von der A. mesenterica superior (Hiatt Typ III/Abdullah G2II), eine A. hepatica communis aus der A. mesenterica superior (Hiatt Typ V/Abdullah G1II), eine ersetzende oder akzessorische A. hepatica sinistra von der A. gastrica sinistra (Hiatt Typ II/Abdullah G2I) und eine akzessorische oder ersetzende A. hepatica sinistra vom Truncus coeliacus und/oder eine akzessorische oder ersetzende A. hepatica dextra vom Truncus coeliacus (Abdullah G2V).
Bei Betrachtung des transplantierten Kollektivs ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen der Gruppe mit Normtypanatomie und mit Normvarianten in der OP-Dauer (Normtypanatomie: 259,34 ± 57,96 min vs. Normvarianten: 285,15 ± 69,19 min; P=0,172).), der Warmen Ischämie Zeit (Normtypanatomie: 48,31 ± 9,91 min vs. Normvarianten: 51,17 ± 13,58 min; P=0,586), dem Auftreten von primären Transplantatversagen (Normtypanatomie: 7,32% vs. Normvarianten: 0,0%; P=0,316) und Perfusionsstörungen (Normtypanatomie 24,39% vs. Normvarianten: 23,07%; P=0,923), den Retransplantationszahlen (Normtypanatomie: 17,07% vs. Normvarianten 15,38%; P=0,887), sowie der 3-Monats-Mortalität (Normtypanatomie: 24,39% vs. Normvarianten 7,69%; P=0,193). und der 6-Monats-Mortalität (Normtypanatomie: 26,82% vs. Normvarianten 15,38%; P=0,40).
Fazit: Ein ubiquitäres Vorhandensein von Normvarianten konnte in den Versuchsgruppen bestätigt werden. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass Patienten mit Anomalien der arteriellen Leberversorgung bei Lebertransplantationen ein höheres Risiko für eine verlängerte Operations- oder Implantationszeit und für postoperative Komplikationen und Versterben haben.
Die Durchführungen einer präoperativen Gefäßdarstellung arterieller Lebergefäße bleibt weiterhin empfohlen.
Retrospektive Analyse der RSV Bronchiolitis bei hospitalisierten Kindern im ersten Lebensjahr
(2021)
Einleitung: RSV ist der häufigste Erreger einer Bronchiolitis bei Säuglingen und Kleinkindern. Besonders oft betroffen sind Säuglinge in den ersten vier Lebensmonaten. RSV-Infektionen führen saisonal gehäuft weltweit zu zahlreichen Hospitalisierungen. Dennoch gibt es in Deutschland keine aktuellen Daten über die Krankheitslast.
Methoden: Es erfolgte eine retrospektive Analyse der elektronischen Krankenakten an der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin des Universitätsklinikums Frankfurt am Main. Erfasst wurden alle von 2007 bis 2017 stationär aufgenommenen Patienten mit positivem RSV-Nachweis. Die Daten wurden aus dem elektronischen Patientenverwaltungsprogramm ORBIS in Exceltabellen übertragen.
Ergebnisse: Insgesamt wurden in den letzten zehn Jahren 800 Kinder mit RSV-Infektion stationär aufgenommen. Die Mehrzahl der Kinder befand sich in den ersten 12 Lebensmonaten, n = 564 (70,5 %) und der Hauptteil bestand aus Patienten in den ersten vier Lebensmonaten, n = 341 (60,4 %). In diesem Patientenkollektiv stand bei 289 Kindern eine elektronische Krankenakte zur Datenauswertung zur Verfügung. Von den 289 Patienten handelte es sich bei 35 (12,1 %) um FG und 25 Patienten mussten intensivmedizinisch betreut werden. Von den intensivmedizinisch betreuten Kindern waren 15 Patienten (60 %) FG. Klassischerweise unterschied sich das Gewicht der FG von dem der RG (Frühgeborene: Median 3,43 kg vs Reifgeborene: 5 kg). Unter den FG zeigte sich folgende Verteilung nach Schwangerschaftswochen bei insgesamt 289 analysierten Patienten: < 28. SSW (extremely preterm): n = 4 (1,38 %) der Patienten; < 32. SSW (very preterm): n = 8 (2,76 %) der Patienten und 32 + 1 bis 36 + 6 SSW (late preterms): n = 23 (7,95 %) der Patienten. Die geringe Anzahl an RSV-Infektionen bei FG < 28. SSW hängt vermutlich mit einer erfolgreichen Palivizumab Prophylaxe zusammen. Dafür spricht auch, dass sich der Anteil der späten FG (late 43 preterms), die keine Prophylaxe erhielten, in unserer Untersuchung ähnlich wie in frühere Studien darstellte.
Von den 254 RG mussten 10 (3,9 %) Kinder auf Intensivstation (Schwergrad 3 der WHO-Klassifikation), während 102 (40,2 %) Patienten eine Bronchiolitis (Grad 2 der WHO-Klassifikation) aufwiesen und 142 (55,9 %) Patienten hatten eine RSV-Infektion mit Sättigungswerten > 95 %.
Schlussfolgerung: Die Krankheitslast der RSV-Bronchiolitis in Deutschland ist sehr hoch, vor allem in den ersten vier Lebensmonaten. Typischerweise ging die RSV-Saison von Dezember bis März, sodass eine Immunprophylaxe bei Risikokindern in dieser Zeit verabreicht werden sollte.
Private equity has grown remarkably in the last 30 years. Given its rise to prominence, exceptional profitability and a more prolific and publicly visible buyout activity, regulation in the private equity space seemed inevitable. The 2007 global financial crisis furnished an opportunity to doubt the industry’s role and magnify the key concerns, providing momentum for calls to regulate the industry more aggressively. Ultimately, the regulatory change came from the Alternative Investment Fund Managers Directive (AIFMD), which has been described as one of the most rigorously debated and controversial pieces of financial regulation to ever emerge from the European Union (EU).
The AIFMD is unique and unprecedented, yet there has been very little written about it in the context of private equity. Therefore, this thesis makes a contribution to this area of research by examining the implications of AIFMD for private equity and arguing that this EU Directive has a re-shaping effect on the industry that inevitably marks the end of the light-touch regulation in this area. Whilst the desire of policymakers to act and intervene decisively during market
downturns is understandable, there is a risk that the response may not be appropriate and result in a crisis-induced over-reaction.
This thesis demonstrates, amongst other things, that the AIFMD has created a particularly
complex regulatory regime which for the hitherto unregulated or lightly regulated fund managers has had a significant effect in the EU and beyond. Examples of the most impactful
provisions relate to authorisation, marketing, depositaries, acquisition of control, remuneration, and transparency and disclosure. The implication are wide-ranging, and there is a clear conflict between the opportunities (e.g. EU passport, AIFMD as a global brand) and threats (e.g. excessive compliance costs, exodus of fund managers from the EU), which depend on a firm’s size, domicile and the gap needed to be aligned between the pre- and post-AIFMD regime.
Although there will be no stark triumph of one position over another in the assessment of the AIFMD until all of its elements are fully implemented, overall the impact of the Directive has been material, requiring substantial work to comply with (or adapt to) the requirements, which in some cases are not only particularly onerous and costly, but also a bit misguided, discouraging, or fairly irrelevant.
Bohmian mechanics as formulated originally in 1952, has been useful in the implementation of numerical methods applied to quantum mechanics. The scientific community though has had ever since a critical thought about it. Therefore, there are still points to be clarified and rectified. The two main problems are basically: Bohmian mechanics gives a privilege role to the position representation. Secondly, the current interpretation of Bohmian trajectories has been recently proven wrong.
In this context, in Chapter 2, new complex Bohmian quantities are defined; so that they allow the capacity to formulate Bohmian mechanics in any arbitrary continuous representation, for instance, the momentum representation. This Chapter is fully based on two articles, regarding the proposed complex Bohmian formulation and its extension into momentum space.
Chapter 3 deals with a redefinition and reinterpretation of the Bohmian trajectories from the handling of the continuity equation, this is done without any need of additional postulates or interpretations. Also, it is proved that Bohmian mechanics is actually more than a projective aspect of the Wigner function.
As a third point, Chapter 4 presents a sytematic treatment of the hydrodynamic scheme of Bohmian mechanics. Then, a brief summary of the transport equations in Bohmian mechanics is done. Next, a unified hydrodynamic treatment is found for the Bohmian mechanics. This treatment is useful to sketch, a Bohmian treatment to efficiently find the steady value of the transmission integral.
In Chapter 5 conclusions of this thesis are drawn.
Für die Funktion und das Überleben von Zellen ist die Aufrechterhaltung und Regulation der Redoxhomöostase durch Produktion und Elimination von radikalen Sauerstoffspezies (ROS) von entscheidender Bedeutung. In Tumorzellen finden sich höhere basale ROS-Level als in gesunden Zellen, was jedoch trotz des vermehrten oxidativen Stresses nicht zur Zelltodinduktion führt, da kompensatorisch antioxidative Mechanismen ebenfalls gesteigert sind. Vor allem zwei antioxidative Systeme sind hauptsächlich bei der Elimination von ROS involviert: das Glutathion (GSH)-System und das Thioredoxin (TRX)-System. Hierbei spielt eine beständige Regeneration von GSH, als auch von TRX, eine wichtige Rolle, da diese bei der Reduktion von Sauerstoffradikalen verbraucht werden. Im hepatozellulären Karzinom (HCC) ist die gestörte Redoxhomöostase mit gesteigerten ROS Leveln ein wichtiger Faktor in der Karzinogenese. Das HCC wird oft erst im fortgeschrittenen, nicht mehr kurativen Stadium diagnostiziert und ist resistent gegenüber nahezu allen Formen von Chemotherapien. Dies verdeutlich die immense Bedeutung der Erforschung der teilweise unverstandenen Tumorgenese, aber auch die Notwendigkeit für die Entwicklung von neuen Therapien.
In der hier dargestellten experimentellen Arbeit gingen wir deshalb der Frage nach, ob die alleinige Inhibierung der antioxidativen Schutzmechanismen durch sog. ROS Modulatoren ausreicht, um eine Zelltodinduktion in humanen HCC-Zelllinien herbeizuführen und damit eine potenzielle neue Therapiestrategie aufzuzeigen.
Wir konnten zeigen, dass die simultane Inhibierung dieser zwei antioxidativen Hauptmechanismen im HCC durch die Kombination von Auranofin (TXR-Inhibitor) mit Buthionine-Sulfoximin (BSO, Glutathion-Inhibitor) und Erastin (indirekter Glutathion-Inhibitor) mit BSO zur ROS-abhängigen Zelltodinduktion im HCC in vitro führt. Interessant ist, dass die gesteigerten ROS-Level jedoch nicht den Zelltod im HCC induzierten, wenn nur eines der beiden antioxidativen Systeme inhibiert wurde. Offenbar ist die Tumorzelle in der Lage durch Hochregulierung anderer antioxidativer Systeme das induzierte ROS zu neutralisieren. Unsere Untersuchungen zum Wirkmechanismus der Zelltodinduktion durch die Kombinationsbehandlungen Auranofin + BSO bzw. Erastin + BSO identifizierten unerwarteterweise eine Caspasen-unabhängige, nicht-apoptotische Zelltodform, die sog Ferroptose, welche durch ROS-Produktion und Lipidperoxidierung charakterisiert ist.
Weitere Experimente konnten untermauern, dass mit der Induktion der Ferroptose durch die selektive ROS-Modulation die Apoptoseresistenz der HCC Zellen umgangen werden kann.
Mechanistisch kann diese erstmals 2012 beschriebene eisenabhängige Zelltodform, Ferroptose, durch zwei verschiedene Signalwege induziert werden: Erstens durch den kanonischen Pfad, bei welchem die Inhibierung der Glutathionperoxidase 4 (GPX4), einem Protein, welches die Zellmembran vor Lipidperoxidation schützt, eine zentrale Rolle spielt, und zweitens durch den nicht-kanonischen Pfad, welcher durch eine Anhäufung von zweiwertigem Eisen u. a. durch Aktivierung von Hämoxygenasen (HO), vermittelt durch den Transkriptionsfaktor Nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2), gekennzeichnet ist. Wir konnten feststellen, dass in unseren Kombinationsbehandlungen beide Pfade involviert sind und eine Herunterregulierung von GPX4 als auch eine Akkumulation von Nrf2 und Hämoxygenase-1 (HO-1) besteht.
Zusammenfassend konnte unsere Arbeit zeigen, dass mittels pharmakologischer Adressierung zweier antioxidativer Systeme die Therapieresistenz der HCC-Zellen umgangen werden kann, und dass die Induktion der Ferroptose zukünftig eine vielversprechende Therapieoption im HCC darstellen könnte.
Resistant microbes are a growing concern. It was estimated that about 33,000 of people die because of the infections caused by multidrug resistant bacteria each year in Europe (ECDC, 2018, https://www.ecdc.europa.eu/). Bacteria can acquire resistance against toxic compounds via different mechanisms and intrinsic active efflux is one of the first mechanisms deployed by bacterial cells. The membrane-localized efflux pumps catalysing this reaction, extract toxic compounds from the interior of the cell and transport these to the outside, thereby maintaining sub-lethal toxin levels in the cytoplasm, periplasm and membranes. Gram-negative three-component efflux pumps, analysed in this study, are composed of an inner membrane protein, a member of the Resistance-Nodulation cell Division (RND) superfamily, an Outer Membrane Factor (OMF) protein and a Membrane Fusion Protein (MFP) that connects the two afore mentioned components into an active efflux pump. The pumps described in this work, AcrAB-TolC and EmrAB-TolC, are drug efflux pumps belonging to the RND and MFS superfamilies, respectively, while CusCBA is an efflux pump that belongs to the RND heavy metal efflux family. Another efflux pump that was used as a model for the design of an in vitro assay for the silver ion transport studies, CopA, belongs to the P-type ATPase superfamily. All pumps analysed in this study are part of the resistance system of Escherichia coli, which is a highly clinically relevant pathogen.
In order to examine the AcrAB-TolC, CopA and CusA efflux pumps, the individual components were separately produced in E. coli, purified to monodispersity and reconstituted in large unilamellar vesicles, LUVs. Means for the optimized production and adequate conditions for efficient reconstitution were presented in this study. The activity of AcrB in LUVs was detected using fluorescence quenching of the dye 8-hydroxy-1,3,6 pyrenetrisulfonate (pyranine), which is incorporated inside the proteoliposomes and is sensitive to the pH changes in its surrounding. The inactive AcrB variant with a substitution in the proton relay network, D407N, showed no activity in proteoliposomes, which correlates with the measurements done in empty liposomes. When AcrA was co-reconstituted with AcrB D407N proteoliposomes it did not restore protein activity. To test the assembly of the AcrAB-TolC pump out of its single components, an in vitro assay was established where the complex assembly was tested with AcrAB- and TolC-containing liposomes. These experiments showed putative AcrAB-TolC formation in the presence or absence of a pump substrate, taurocholate, as well as in the presence of the pump inhibitor, MBX3132. The assembly appeared stable over time and results were invariant in the presence or absence of a pH gradient across the AcrAB-containing membrane.
After determination of the ATPase activity of the P-type ATPase, CopA, in detergent micelles, the protein was reconstituted in LUVs. Quenching of the Ag+-sensitive dye Phen Green SK (PGSK), present on the inside of the CopA-containing proteoliposomes, was observed in presence of ATP and Ag+. Under the same conditions, but in absence of Ag+-ions, quenching was reduced by 80 % after 300 seconds. No PGSK-quenching was observed in control liposomes in the presence of ATP and Ag+. The additional presence of sodium azide led to minimal reduction of the PGSK-quenching as expected since sodium azide is not an inhibitor of P-type ATPases, but the quenching rate was similar to that of the same experimental condition with control liposomes.
The RND superfamily member CusA, as part of the tripartite CusCBA efflux pump, has been proposed to sequester Ag+ or Cu+ from either the cytoplasmic or periplasmic side of the inner membrane. The periplasmic transport of silver ions was implied from an in vitro assay where the quenching of a pH sensitive dye, 9-amino-6-chloro-2-methoxyacridine (ACMA), indicates acidification of the lumen of the proteoliposomes containing CusA when an inwardly directed pH was imposed. The same experiment with the CusA D405N variant, which was previously reported to be an inactive variant, also led to ACMA quenching, although at a slightly lower rate. Under application of an inwardly directed pH and a (negative inside), CusA-containing proteoliposomes showed a strong quenching of the incorporated PGSK dye, suggesting strong Ag+ influx.
The Major Facilitator Superfamily-(MFS-) type EmrAB-TolC pump has an analogous structural setup as the RND-type AcrAB-TolC pump. To examine the efflux of one of its substrates, carbonyl - cyanide m-chlorophenylhydrazone (CCCP), a plate-based susceptibility assay was used. The presence of the EmrAB-TolC pump confers lower susceptibility levels towards CCCP in E. coli, compared to cells not expressing the pump or cells expressing only the MFS component, indicating that EmrAB-TolC extrudes CCCP.
The work done in this study opens up a path towards investigation of drug and metal resistance in vitro. The methodologies to obtain proteoliposomal samples of multicomponent efflux pumps and subsequent measurements of drug/metal ion and H+ fluxes, as well as the determination of pump assembly are crucial for the future research on pump catalysis and transport kinetics. The in vivo drug-plate assays done in this work provide initial insights for future investigations of the drug susceptibility of E. coli expressing the MFS-type tripartite efflux pumps.
Quo vadis Papua: case study of special autonomy policies and socio-political movements in Papua
(2021)
This research discusses socio-political movements in Papua as a result of the implementation of special autonomy policies (Otsus) by the government for almost two decades. Theoretically, indigenous Papuans should support it but in empirical reality, Otsus has been considered "fail" by the indigenous Papuan people because there are still many problems that have not been resolved by Otsus. This negative response indicates public dissatisfaction towards the development planning process in Papua. This dissertation aims to examine these issues; why these policies and development plans failed and are protested, why protests against them are prolonged, how do protests develop into social movements, and whether indigenous Papuan movements can be classified as social movements. The study uses qualitative approach, through case study methods. Data are collected through interviews, observations and documentation studies. The research finds that the presence of Otsus in Papua in addition to being a source of new conflict, also triggers conflicts in the form of protests and resistance movements against the government of Indonesia, both physical and political. This research discovers that, indeed the Otsus management has succeeded in changing the face of Papua because of the many physical projects but the development of human aspects and supporting instruments has not been touched at all. Thus, only a small percentage of indigenous Papuans feel the benefits of Otsus, while most of them are still struggling. This paper finds that protests against Otus are due to the growing resentments from the community so long as their demands are not met. This study suggests that the presence of the state in Papua through the Otsus policy must be re-evaluated. The state must ensure that in the Otsus era, the indigenous Papuans should not be marginalized, so that aspirations for the welfare of all indigenous Papuans through Otsus can be realized.
In dieser Arbeit werden die Ergebnisse quantenchemischer Untersuchungen von verschiedenen Siliciumverbindungsklassen vorgestellt, die in weiten Teilen als Begleitung zu experimentellen Arbeiten durchgeführt wurden. Das erste Hauptkapitel befasst sich mit den Chloridkomplexen von Perchlorsilanen, zu denen die inversen Sandwichkomplexe und die Silafullerane mit endohedralem Gast gehören. Der Fokus liegt dabei auf den Bindungseigenschaften zwischen Ligand und Silan. Weiterhin werden thermodynamische Untersuchungen zu Aufbaureaktionen und Eigenschaften der Verbindungen vorgestellt. Mit den durchgeführten Rechnungen kann gezeigt werden, dass durch Wahl geeigneter Substituenten am Siliciumatom ein Wechsel in den Chloridkomplexen von einem hyperkoordinierten Siliciumatom hin zu einem Siliciumatom mit ausgebildeter Tetrelbindung erreicht werden kann. Bei den inversen Sandwichkomplexen sind beide Bindungsmodi möglich, von denen die Tetrelbindung die stärkere darstellt. Neben Chloridionen können hier auch Nitrile und Chlorsubstituenten am eigenen Silangerüst als Liganden fungieren. Die stärksten Tetrelbindungen können bei den endohedral funktionalisierten Silafullerankomplexen gefunden werden. Hier stellt das experimentell isolierte Strukturmotiv mit zwölf äußeren Trichlorsilylsubstituenten das thermodynamisch stabilste Substitutionsmuster dar. Im folgenden Kapitel werden die generellen physikalischen Ursachen für die beobachteten thermodynamischen Trends zwischen Perchlorsilanisomeren sowie Disproportionierungsreaktionen behandelt und ein direkter Vergleich mit Alkanhomologen angestellt. Bei den Perchlorsilanen und den meisten Homologen ist bei den untersuchten Systemen eine energetische Präferenz von verzweigteren Strukturen zu erkennen. Die Ursache hierfür liegt hauptsächlich bei stärkeren attraktiven Wechselwirkungen durch Korrelationseffekte, Hyperkonjugation sowie elektrostatische Effekte, welche stärkere repulsive Wechselwirkungen wie die Pauli-Repulsion überkompensieren. Im letzten Kapitel kommen zu den bisher behandelten Reaktionen unter Si-Cl- und Si-Si-Bindungsbeteiligung noch Reaktionen unter Si-C-Bindungsbeteiligungen hinzu. Dort werden die auch wegen ihrer Elektronentransporteigenschaften interessanten Silacyclopentadiene (Silole) hinsichtlich ihrer Isomerisierung, Dimerisierung und weiteren pericyclischen Reaktivität untersucht. Gegenüber dem verwandten Cyclopentadien zeigen diese eine deutlich erhöhte Reaktivität, was zu verschiedenen Dimerisierungsreaktionen führt, solange keine Abfangreagenzien im Überschuss zugegen sind.
Hintergrund: Seit mehr als 50 Jahren werden in Deutschland Herzschrittmacher-Implantationen durchgeführt, mittlerweile mit mehr als 100.000 Implantationen pro Jahr. Obwohl es sich um einen gängigen Eingriff handelt, existieren wenig prospektiv randomisierte Studien zu technischen Aspekten der Implantation, insbesondere dem Wundverschluss am Ende der Operation. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, an einem Kollektiv von Patienten unerwünschte Ereignisse und kosmetische Ergebnisse, in Abhängigkeit des beim Hautverschluss verwendeten Nahtmaterials (resorbierbarer bzw. nicht-resorbierbarer Faden), miteinander zu vergleichen.
Methoden: In einem Zeitraum von Juli 2018 bis April 2019 wurden Patienten mit geplanter de novo Herzschrittmacher-Implantation ohne Defibrillationstherapie prospektiv in die Studie eingeschlossen und anhand einer Randomisierungliste in zwei Probandengruppen eingeteilt: nicht-resorbierbares Nahtmaterial (Gruppe Prolene®) bzw. resorbierbares Nahtmaterial (Gruppe Monocryl®).
Ein Tag (Beobachtungszeitpunkt 1), sechs Wochen (Beobachtungszeitpunkt 2) und ein Jahr post-OP (Beobachtungszeitpunkt 3) erfolgte die Beurteilung der Narbe bezüglich des kosmetischen Ergebnisses und klinisch relevanter, unerwünschter Ereignisse. Zur kosmetischen Beurteilung diente die Wundbreite in mm, eine auftretende Kelloidbildung und die „Patient and Observer Scar Assessment Scale“ (POSA-Score). Dieser wurde zu Beobachtungszeitpunkt 1 seitens des Patienten auf zwei Fragen (Schmerzhaftigkeit, Juckreiz) reduziert. Die erhobenen klinisch relevanten Parameter waren Nachblutungen, Infektionen, Insuffizienz der Naht und Revisions-OP aufgrund eines Lokalbefundes.
Ergebnisse: Es konnten 114 Patienten in die Studie eingeschlossen werden. Zu Beobachtungszeitpunkt 2 und Beobachtungszeitpunkt 3 belief sich die Anzahl auf jeweils 92 Probanden. Zu allen drei Beobachtungszeitpunkten konnte zwischen beiden Gruppen weder ein signifikanter Unterschied im kosmetischen Ergebnis noch im Auftreten klinisch relevanter Ereignisse festgestellt werden.
Schlussfolgerung: Anhand der vorliegenden Studie scheint das verwendete Nahtmaterial keinen großen Einfluss auf das kosmetische Ergebnis der Narbe, sowie auf das Auftreten von unerwünschten Ereignissen zu haben. Eine multizentrische prospektiv randomisierte Studie mit größerer Patientenanzahl ist notwendig, um die hier erhobenen Daten zu verifizieren.
Die traumatische anteriore Schulterluxation ist bei jungen Männern ein häufiges Trauma, bei einer jährlichen Inzidenz von 1,7% bis 2%. Die häufigste schulterinstabilitätsspezifische Pathologie ist die Bankart Läsion. Diese kann zu einer chronisch rezidivierenden Instabilität, Schmerzen und Bewegungseinschränkungen führen. Operativ kann dieses Verletzungsmuster mit einem arthroskopischen Bankart-Repair versorgt werden. Der Goldstandard zur operativen Versorgung der weichteiligen Bankart Läsion ist die Rekonstruktion des Kapsel-Labrum-Komplexes mittels Fadenankern. Nur wenige Studien haben die propriozeptiven Eigenschaften der Gelenkkapsel und des Kapsel-Labrum-Komplexes untersucht. Eine prospektive propriozeptive Nachuntersuchung mittels Winkelreproduktionstests nach arthroskopischem Bankart Repair ist bisher nicht in der Literatur beschrieben. Die 32 Patienten, hauptsächlich junge (circa 25 Jahre alte) gesunde Männer (94%), wurden propriozeptiv und klinisch zu verschiedenen Zeitpunkten vor und nach dem arthroskopischen Bankart-Repair untersucht. Die Diagnose der anterioren primär traumatischen Schulterluxation mit Bankart-Läsion wurde mit einer MRT-Bildgebung verifiziert. Die Follow-Ups erfolgten präoperativ sowie nach 7, 14 und 31 Monaten postoperativ. Pro Patient wurden 3,7 Untersuchungen durchgeführt. Hierbei wurden klinische Scores erhoben sowie Außenrotationsdefizite mithilfe aktiver Winkelreproduktionstests mit Vicon Kameras und dem Cybex Gerät gemessen. Die Abweichung der Winkel wurde als Maß für die propriozeptiven Fähigkeiten verwendet.
Beim Vergleich der Winkelabweichungen der verletzten Schulter zu verschiedenen Zeitpunkten zeigt sich keine signifikante Differenz (p=0,424).
Auch in der Gegenüberstellung der gesunden und verletzten Schulter mithilfe einer Varianzanalyse besteht kein signifikanter Unterschied (p=0,065).
Als möglicher Einflussfaktor wurden die dominante Schulterseite und die Anzahl der implantierten Fadenanker (2 versus 3) definiert. Aufgrund der sehr geringen Probandenanzahl in den Subgruppen erfolgte eine graphische Tendenzanalyse, bei der sich bei beiden Subgruppenvergleichen ähnliche Entwicklungen darstellen ließen.
Beim Methodenvergleich wurden die Messwerte zum Zeitpunkt FU0 (präoperativ) gegenübergestellt. Dabei kann keine signifikante Differenz nachgewiesen werden (p=0,073).
Für die klinische Beurteilung wurden der Walch-Duplay-, Constant- und Rowe-Score verwendet, diese zeigten alle eine deutliche Verbesserung über die Messzeitpunkte: der Walch-Duplay-Score mit 94,78 Punkten (FU0: 41,20), der Constant-Score mit 95,83 (FU0: 75,10) und der Rowe-Score mit 91,96 (FU0: 42,5). Die erreichten Punktzahlen geben Auskunft über die Stabilität, Schulterfunktion und Beweglichkeit und liegen im ausgezeichneten Bereich.
Die Studie zeigt, dass das untersuchte Patientenkollektiv mit der gewählten Therapiemethode, dem arthroskopisch-durchgeführten Bankart-Repair, geringe propriozeptive Defizite, gute klinische Ergebnisse und eine hohe Patientenzufriedenheit erzielen konnte. Die Winkelabweichungen zeigten sich im Studienvergleich im oberen Mittelfeld. Es scheint weder durch die Bankart-Läsion noch dem arthroskopischen Bankart-Repair zu einer signifikanten Veränderung der propriozeptiven Wahrnehmung der Schulter zu kommen. Dieses Ergebnis spricht für die gute Therapie mittels dem arthroskopischen Bankart-Repair sowie die geringe Relevanz der Propriozeptoren des Kapsel-Labrum-Ligament-Komplexes.
Weiterführende Studien in längsschnittigem Studiendesign sowie die Etablierung weiterer Methoden zur standardmäßigen propriozeptiven Untersuchung wären wünschenswert und könnten zur Vergleichbarkeit und Untersuchung größerer Probandenmengen führen.
Das Feld der Hochenergie-Schwerionenforschung hat sich der Untersuchung des Quark-Gluon-Plasmas (QGP) gewidmet. Ein QGP ist ein sehr heißer und dichter Materiezustand, der kurz nach dem Urknall für einige Mikrosekunden das Universum füllte. Unter diesen extremen Bedingungen sind die fundamentalen Bausteine der Materie, die Quarks und Gluonen, quasi frei, also nicht in Hadronen eingeschlossen, wie es unter normalen Bedingungen der Fall ist. Hadronen sind Teilchen, die aus Quarks und Gluonen bestehen. Die bekanntesten Hadronen sind Protonen und Neutronen, die Bestandteile von Atomkernen, aus denen, zusammen mit Elektronen, die gesamte bekannte Materie aufgebaut ist.
Um ein QGP im Labor zu erzeugen, lässt man ultrarelativistische schwere Ionen, wie zum Beispiel Pb-208-Kerne, aufeinander prallen. Dies geschieht am CERN, dem größten Kernforschungszentrum der Welt. Der Teilchenbeschleuniger, welcher Protonen und Pb-Kerne beschleunigt und zur Kollision bringt, heißt Large Hadron Collider (LHC) und ist mit 27 km Umfang der größte der Welt. Bei einer einzigen Pb-Pb Kollision am LHC werden mehrere Tausend Teilchen und Antiteilchen erzeugt. Das dedizierte Experiment zur Untersuchung von Schwerionenkollisionen am LHC ist ALICE. ALICE ist mit mehreren Teilchendetektoren ausgerüstet, die es ermöglichen, tausende Teilchen gleichzeitig zu messen und zu identifizieren.
Unter den produzierten Teilchen befinden sich auch leichte Atomkerne, wenngleich diese nur sehr selten erzeugt werden. Die Anzahl der produzierten Teilchen pro Teilchensorte hängt nämlich von deren Masse ab. In Pb-Pb Kollisionen am LHC sinkt die Anzahl der produzierten (Anti)kerne exponentiell um einen Faktor 1/330 bei Hinzufügen jedes weiteren Nukleons. Die Menge an produzierten Teilchen pro Spezies stellt Informationen über den Produktionsmechanismus beim Übergang vom QGP zum Hadrongas zur Verfügung. Hierbei sind leichte (Anti)kerne von besonderem Interesse, da sie vergleichsweise groß sind und ihre Bindungsenergie bis zu zwei Größenordnungen kleiner ist als die Temperaturen, die bei der Erzeugung der Hadronen vorherrschen. Es ist bis heute noch nicht verstanden, wie leichte (Anti)kerne bei diesen Bedingungen erzeugt werden und überleben können.
Für diese Arbeit wurden ca. 270 Millionen Pb-Pb Kollisionen bei einer Schwerpunktsenergie von 5,02 TeV, die von ALICE im November 2018 aufgezeichnet wurden, analysiert. Es wurde die Produktion von (Anti)triton und (Anti)alpha untersucht. Wegen ihrer großen Masse werden beide Kerne sehr selten produziert, bei weitem nicht bei jeder Kollision. Antialpha ist der schwerste Antikern, der jemals gemessen wurde. Aufgrund dieser Seltenheit ist die Größe des zur Verfügung stehenden Datensatzes entscheidend. Es war möglich, das erste jemals gemessene Antialpha-Transversalimpulsspektrum zu extrahieren. Auch für (Anti)triton und Alpha wurden Transversalimpulsspektren bestimmt.
Die Ergebnisse wurden mit theoretischen Modellen und anderen ALICE Messungen verglichen.
Am Ende wird in einem Ausblick auf das kürzlich durchgeführte Upgrade der ALICE Spurendriftkammer (TPC) eingegangen. In der nächsten, bald startenden Datennahmeperiode wird der LHC seine Kollisionsrate erheblich erhöhen, was es ermöglichen wird, mehr als 100 mal so viele Daten wie bisher aufzuzeichnen. Hiervon werden die in dieser Arbeit beschriebenen (Anti)triton- und (Anti)alpha-Analysen beachtlich profitieren. Um mit den erheblich höheren Kollisionsraten zurecht zu kommen, mussten einige Detektoren, unter anderem die TPC, maßgeblich erneuert werden. In den ersten beiden Datennahmeperioden wurde die TPC mit Vieldrahtproportionalkammern betrieben. Diese sind allerdings viel zu langsam für die geplanten Kollisionsraten. Deshalb wurden sie im Jahr 2019, während einer langen Betriebspause des LHC, durch Quadrupel-GEM (Gas Electron Multiplier) Folien basierte Auslesekammern ersetzt, welche eine kontinuierliche Auslese der TPC ermöglichen. Da es sich um die erste jemals gebaute GEM TPC im Großformat handelt, war ein umfangreiches Forschungs- und Entwicklungs- (F&E) Programm notwendig, um die GEM Auslesekammern zu charakterisieren und zu testen. Im Rahmen dieses F&E Programms wurden am Anfang dieser Promotion systematische Messungen an einer kleinen Test TPC mit Quadrupel-GEM Auslese, die extra zu diesem Zweck gebaut worden war, durchgeführt. Hierbei wurde der Rückfluss der bei der Gasverstärkung erzeugten Ionen in das Driftvolumen der TPC und die Energieauflösung mit verschiedenen GEM Folien Typen und unterschiedlicher Anordnung gemessen. Das Ziel war, möglichst kleine Ionenrückflüsse bei möglichst guter Energieauflösung zu erreichen. Hierbei musste ein Kompromiss gefunden werden, da die beiden Größen sich gegenläufig verhalten. Es war jedoch möglich, mit mehreren GEM Konfigurationen Spannungseinstellungen zu identifizieren, bei denen beide Größen den gewünschten Anforderungen entsprachen.
Probing the photointermediates of light-driven sodium ion pump KR2 by DNP-enhanced solid-state NMR
(2021)
KR2 is a light-driven sodium ion pump found in marine flavobacterium Krokinobacter Eikastus. The protein belongs to the microbial rhodopsin family, which is characterized by seven transmembrane helices and a retinal cofactor covalently bound to a conserved lysine residue through a Schiff base linkage. Specific features of KR2 and other sodium pumping rhodopsins are the NDQ motif, the N-terminal helix capping the protein at the extracellular side, and the sodium ion bound at the protomer interface in the pentameric structure. The ability to pump sodium ions was a surprising discovery since the positive charge at the Schiff base was long thought to hinder the transport of non-proton cations and the Grotthuss mechanism could not be applied to explain the Na+ transport. The photocycle of KR2 revealed by flashed photolysis and ultrafast femtosecond absorption spectroscopy consists of consecutive intermediates, named K, L, M, and O.
Here, DNP-enhanced ssNMR was used to analyze various aspects of these intermediate states. The K/L-state can be generated and trapped by in-situ illumination inside the magnet at 110 K. The trapping of L-state together with the K-state at this temperature is unexpected as this usually leads to the trapping of only K-state in bacteriorhodopsin (BR), proteorhodopsin (PR), and channelrhodopsin 2 (ChR2). This observation suggests a lower energy barrier between K- and L-state in KR2. For the O-state, the intermediate was generated by illuminating outside the magnet, followed by rapid freezing in liquid nitrogen and transfer to the magnet. Based on these procedures, the retinal conformation, and the electrostatic environment at the Schiff base in KR2 dark, K-, L- and O-intermediates were probed using 13C-labeled retinals bound to 15N-labeled KR2 by both 1D and 2D magic angle spinning (MAS) NMR experiments.
The obtained data show an all-trans retinal conformation with the distortion of 150° at H-C14-C15-H in the dark state whereas the retinal has a 13-cis, 15-anti conformation in the K- and L-state after light activation. Differences between K- and L-intermediates were observed. The retinal chemical shifts of the K-state show a large deviation from the model compound behavior between the middle and end part of the polyene chain. In the L-state, these differences are much less pronounced. These observations indicate that the light energy stored in the K-state dissipates into the protein in the subsequent photointermediate states. Furthermore, an additional shielding observed for C14 in L-state indicates the slight rotation toward a more compact 13-cis, 15-syn conformation. The distortion of the H-C14-C15-H angle in the L-state (136°) is larger than in the dark state. This twist of the retinal in the L-state would play an important role in lowering the pKa of the Schiff base, which is a prerequisite for the proton transfer from the Schiff base to the proton acceptor (D116). The electrostatic environments at the Schiff base in K- and L-states cause a de-shielding of the 15N nitrogen compared to the dark state. This indicates a stepwise stronger interaction with the counterion as the Schiff base proton moves away from the Schiff base and comes closer to the D116 in the transition from K- to L-state and approaches the proton transfer step during the M-state formation. In the O-state, the retinal was found to be in the all-trans conformation but differed to the dark state in the C13, C20, and Schiff base nitrogen chemical shifts. The largest effect (9 ppm) was observed for the Schiff base nitrogen, which could be explained by the effect of the positive charge of bound Na+ near the Schiff base in the O-state, coordinated by N112 and D116 as observed in the O-state crystal structure in the pentameric form.
The structural change at the opsin followed the retinal isomerization and the energy transfer from the chromophore to the surrounding were also investigated in this thesis using various amino acids labeling schemes. Moreover, 1H-13C hNOE in combination with CE-DNP was applied to probe the dynamics of retinylidene methyl groups and 23Na MAS NMR was employed to detect the bound sodium ion at the protomer interface in KR2 dark state.
Die Studien im Rahmen dieser Arbeit wurden am Modellorganismus Anabaena sp. PCC 7120 (Anabaena) durchgeführt, einem filamentösen Süßwasser-Cyanobakterium. Cyanobakterien sind photosynthetische, Gram-negative Organismen. Sie besitzen eine das Zytosol begrenzende Plasmamembran und eine Äußere Membran. TonB-abhängige Transporter (TBDTs) und Porine der Äußeren Membran bewerkstelligen und regulieren die Aufnahme von Nährstoffen. Typischerweise wenig abundante Substrate für den TBDT-vermittelten, aktiven Transport sind beispielsweise eisenhaltige Siderophore oder VitaminB12. Kleinere gelöste und abundante Stoffe wie Salze oder andere Ionen gelangen hingegen passiv durch Porine in das Periplasma.
In Anabaena wurden neun putative Porine identifiziert. Sieben hiervon wiesen eine porinspezifische Domänenstruktur auf (Alr0834, Alr2231, All4499, Alr4550, Alr4741, All5191 und All7614), und wurden im Rahmen dieser Arbeit näher betrachtet. Die Expression dieser sieben Gene wurde vergleichend untersucht, nachdem der Wildtyp in Standardmedium oder in Medium indem jeweils Mangan, Eisen, Kupfer oder Zink fehlte angezogen wurde. Außerdem wurde das Wachstum der einzelnen Porinmutanten im Vergleich zum Wildtyp auf Festmedium mit hohen Konzentrationen von Salzen, Antibiotika oder anderen Stoffen analysiert. Hierbei konnten den einzelnen Mutanten teilweise spezifische phänotypische Eigenschaften zugeschrieben werden. Zusammengefasst kann anhand der Analysenergebnisse vermutet werden, dass Alr4550 eine besondere Rolle in der Wahrung der Zellhüllenstabilität oder -integrität spielt, wohingegen das Fehlen von Alr5191 auf unbekannte Weise die Fixierung von Stickstoff zu erschweren scheint. Die alr2231-Mutante zeigte eine Resistenz gegenüber hohen Zinkkonzentrationen, was die Vermutung zulässt, dass Zink ein Substrat von Alr2231 darstellt. Für weitere Porine kann ebenfalls ein Zusammenhang zum Transport von Kupfer oder Mangan vermutet werden.
Neben Porinen wurden ebenfalls TonB-ähnliche Proteine in Anabaena untersucht. TonB ist ein plasmamembranständiges Protein, das in Komplex mit ExbB und ExbD die Energie für Transportprozesse über die Äußere Membran bereitstellt. Hierfür bindet TonB C-terminal an TBDTs und induziert dort Strukturänderungen, welche den Substratimport ins Periplasma ermöglichen. Als Energiequelle wird der Protonengradient genutzt, der über die Plasmamembran besteht. In Anabaena wurden vier putative TonB Proteine identifiziert, die sich jeweils in Länge und Domänenstruktur unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch Substrattransport-Experimente und Wachstumsanalysen gezeigt werden, dass TonB3 an der Aufnahme zweier Siderophore (Schizokinen und dem Xenosiderophor Ferrichrom) beteiligt ist, da die entsprechende Mutante sich als unfähig erwies diese zu als Eisenquelle nutzbar zu machen. Daneben wies TonB3 weitere Merkmale auf, die auch TonB-Proteinen anderer Organismen zugeschrieben wurden (Wachstumsdefizit der Mutante unter Eisenmangel, eisenabhängiges Expressionsprofil). Interessanterweise zeigte sich, dass das Siderophor Ferrichrom ebenfalls nicht als Eisenquelle für die tonB4-Mutante zur Verfügung stand, was zum Beispiel auf eine Beteiligung von TonB4 an dessen Transport hinweisen könnte.
TonB1, welches sich durch ein inkomplettes TBDT-Interaktionsmotiv auszeichnet, und TonB2 konnte keine Beteiligung am Siderophoretransport zugeschrieben werden, jedoch zeigten Mutanten der einzelnen Gene spezifische phänotypische Eigenschaften. Die tonB1-Mutante stach hervor durch ein vergleichsweise stark verzögertes Wachstum unter diazotrophen Bedingungen. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Nitrogenaseaktivität als auch die expression vermindert war im tonB1-Mutantenstamm. Außerdem zeigten die Heterozysten dieser Mutante, die auf die Stickstoffixierung spezialisierten Zellen, eine abnormale Morphologie. Da die Expression von tonB1 jedoch nach dem Überführen von Wildypzellen in stickstoffreies Medium nicht erhöht war, kann eine direkte Beteiligung von TonB1 an der Heterozystendifferenzierung als unwahrscheinlich betrachtet werden. Die Zelleinschnürungen zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen waren in I-tonB1 weniger ausgeprägt als im Wildtyp, was durch eine Anfärbung der Zellwand mit einem Fluoreszenzmarker gezeigt werden konnte. Ebenfalls konnte anhand des fluoreszierenden Markers Calcein gezeigt werden, dass die molekulare Diffusionsgeschwindigkeit zwischen Heterozysten und vegetativen Zellen, und auch zwischen zwei benachbarten vegetativen Zellen, in der tonB1-Mutante erhöht ist. Deswegen kann hier vermutlich vermehrt die Nitrogenase schädigender Sauerstoff in Heterozysten eindringen. Die aufgezählten Ergebnisse deuten auf eine Funktion von SjdR im Aufbau der Septumsstrukturen hin, beispielsweise durch Regulation der Peptidoglykansynthese oder -verteilung, weswegen TonB1 umbenannt wurde in SjdR (Septal junction disc regulator).
Die Untersuchung der tonB2-Mutante zeigte bei dieser eine veränderte Pigmentierung, eine vermehrte Lipopolysaccharidproduktion und Filamentaggregation sowie eine erhöhte Resistenz gegenüber bestimmten Antibiotika oder Detergenzien. Letzteres könnte auf die ebenfalls in der tonB2-Mutante beobachtete verringerte Porinexpression zurückgeführt werden. Es wurde außerdem eine vermehrte Anreicherung von Kupfer und Molybdän in der Mutante gemessen, was ein Grund für die Veränderte Pigmentierung sein könnte und ebenfalls die Porinexpression beeinflussen könnte. Insgesamt scheint sich das Fehlen von TonB2 auf die Integrität der Äußeren Membran auszuwirken. Daher kann für TonB2, eine Funktion in Anlehnung an das Tol-system vermutet werden.
Intrinsische und extrinsische Faktoren wie die Darreichungsform, Komedikation und genetische Polymorphismen können einen signifikanten Einfluss auf die Exposition des Wirkstoffes haben und in der Folge zu Veränderungen in der Wirksamkeit oder Sicherheit eines Wirkstoffes führen. Die Fähigkeit die Auswirkungen solcher Faktoren auf die Exposition und die pharmakologische Aktivität eines Wirkstoffes zu quantifizieren und zu extrapolieren, repräsentiert einen Meilenstein bei der Bestimmung der erforderlichen Dosisanpassungen und der Umsetzung von Risikomanagementstrategien in der klinischen Pharmakologie. Unter dem Blickwinkel der modellbasierten Arzneimittelforschung und -entwicklung (engl. model-informed drug discovery and development (MID3)) können dynamisch mechanistische Modelle, wie z. B. whole-body PBPK/PD-Modelle, für die Vorhersage des Effekts sowie der Wechselwirkung mehrerer Faktoren auf PK und PD nützlich sein und könnten daher als Orientierung für die Wahl der Formulierung und für klinische Dosierungsempfehlungen dienen.
Obwohl PBPK-Modelle in der Pharmabranche inzwischen routinemäßig zur internen Entscheidungsfindung und zur Unterstützung der regulatorischen Bewertung eingesetzt werden, bleibt das Vertrauen Waiver von speziellen klinischen pharmakologischen Studien für biopharmazeutische Anwendungen durch PBPK- Modellanalysen zu stützen eher gering. Andererseits hat sich die virtuelle Bioäquivalenz im Zusammenhang mit der Simulation klinischer Studien als ein vielversprechendes, aber noch unterentwickeltes Feld erwiesen, mit dessen Hilfe der Anwendungsbereich der PBPK-Modellierung in der Biopharmazeutik erweitert werden kann. So werden beispielsweise BCS-basierte Biowaiver für Wirkstoffe der BCS-Klassen II und IV derzeit von den Gesundheitsbehörden nicht akzeptiert. In einigen Fällen hat die PBPK-Modellierung durch Verknüpfung der In-vitro-Freisetzung mit der In-vivo-Performance der Formulierung jedoch gezeigt, dass ein solcher Ansatz unter Umständen wissenschaftlich gerechtfertigt sein könnte. Auf ähnliche Weise können PBPK-Modellierung und VBE verwendet werden, um klinisch relevante Spezifikationen für die Wirkstofffreisetzung festzulegen und den "safe space" der Freisetzung zu definieren (oder zu erweitern). Doch selbst bei Wirkstoffen, die Unterschiede im Umfang und in der Rate der Absorption außerhalb der Bioäquivalenzgrenzen aufweisen, was bedeutet, dass sie nicht als bioäquivalent und damit austauschbar angesehen werden können, kann die therapeutische Äquivalenz beibehalten werden, sofern dies durch eine Expositions-Wirkungs-Analyse und/oder eine Expositions-Sicherheits-Analyse unter Verwendung empirischer, halb- oder vollmechanistischer PK/PD-Modelle angemessen begründet wird.
Wie bereits erwähnt bieten PK/PD- und insbesondere PBPK/PD-Modelle einen mechanistischen Ansatz, der die Gewebekonzentrationen am Wirkort des Wirkstoffes mit der pharmakologischen Wirkung verknüpft. Im Rahmen dieser Arbeit wird zunächst ein Überblick über bestehende PK/PD-Modelle und deren mathematischen Umsetzung vorgestellt. Darüber hinaus sind wirkstoffspezifische Fallbeispiele mit einer offensichtlichen Entkopplung von PK und PD von besonderem Interesse, bei denen Expositionsschwankungen weniger kritisch, wenn nicht gar irrelevant für die pharmakologische Reaktion sind (Publikation 1).
In diesem Zusammenhang bietet PBPK Modellierung und Simulation die Möglichkeit die oben genannten wissenschaftlichen Überlegungen zu untersuchen, ungetestete Szenarios zu erforschen und schließlich evidenzbasiert und arzneimittelspezifische Empfehlungen für Bioäquivalenzprüfungen zu erteilen. Daher bestand das Hauptziel darin PBPK/PD-Modelle zu entwicklen, zu validieren und anzuwenden sowie virtuelle Trials zu simulieren, um den relativen Effekt der In-vitro/ In-vivo-Freisetzung, PK-Charakteristiken (z.b. die Halbwertszeit) und die intraindividuelle Variabilität bei der In-vivo-Arnzeimittelwirkung von BCS Klasse II schwach sauren Verbindungen zu beurteilen und einen PBPK-IVIVE integrierten Arbeitsablauf vorzuschlagen, um virtuelle Bioäquivalenzstudien durchzuführen.
Es wurden drei BCS Klasse II schwach saure Wirkstoffe (Naproxen, Flurbiprofen, Ibuprofen) mit ähnlicher Disposition und ähnlichen metabolischen Eigenschaften zur Untersuchung ausgewählt. Allgemein sind alle drei Wirkstoffe stark an Plasmaproteine gebunden und haben daher ein niedriges Verteilungsvolumen, niedrigen First-Pass-Effekt, niedrige systemische Clearance und eine nahezu vollständige Bioverfügbarkeit (F>0.9). Allerdings unterscheiden sie sich signifikant in ihrer Halbwertszeit: Für Naproxen beträgt t1/2≃20-24 h, für Flurbiprofen t1/2≃7 h und für Ibuprofen t1/2≃2 h, was moderate bis lange, moderate und kurze Halbwertszeiten widerspiegelt.
Für alle drei Wirkstoffe wurde ein systematischer Arbeitsablauf erstellt einschließlich: i) Charakterisierung von in vitro biopharmazeutischen Eigenschaften (z.b. Löslichkeit, Freisetzung) gefolgt von modellbasierten Analysen von In-vitro-Ergebnissen, ii) Entwicklung und umfassende Validierung von PBPK/PD-Modellen und iii) Simulierung und Risikoeinschätzung von Bioäquivalenzstudien. Die Fallstudien von Naproxen (Publikation 2) und Ibuprofen (Publikation 3) konzentrieren sich auf bewährte Verfahren der IVIVE für biopharmazeutische Parameter, Risikoabschätzung und Simulation von Bioäquivalenzstudien mit PBPK-Modellen, welche die inter-occasion Variabilität miteinbeziehen. Das Beispiel von Flurbiprofen (Publikation 4) hebt die Wichtigkeit des Verständnisses des relativen Einflusses von intrinsischen (z.b. genetische Polymorphismen) und extrinsischen (z.b. Komedikationen) Faktoren auf die PK und PD des Wirkstoffes hervor, wenn Empfehlungen für die Bioäquivalenz und die therapeutische Gleichwertigkeit gemacht werden. Alle drei Fallbeispiele liefern mechanistische Erkenntnisse über die Freisetzungssgrenzen, die für die In-vivo-Arneimittelwirksamkeit kritisch ist, unter Berücksichtigung der PK-Eigenschaften des Wirkstoffes und der physiologischen Variabilität mit dem Ziel den Status quo des aktuellen BCS-basierten Biowaiveransatzes in Frage zu stellen und integrierte In-vitro-, In-vivo- und In-silico-Paradigma der Risikobewertung für Waiver von In-vivo-Bioäquivalenzstudien einzuführen.
In dem letzten Teil der Arbeit werden Herausforderungen, Kenntnislücken und Möglichkeiten von PBPK/PD-Modellierung zur Unterstützung von Waivern von in vivo klinischen Studien im Bereich von oralen Biopharmazeutika diskutiert (Publikation 5).
Im Großen und Ganzen schlägt diese Dissertation biorelevante In-vitro-Methoden für die Vorhersage von In-vivo-Formulierungsperformance und neue PBPK/PD-Methoden vor, um Daten von in vitro biopharmazeutischen Experimenten zu den In-vivo-Bedingungen zu extrapolieren. Außerdem ist dies das erste Mal nach unserem Kenntnisstand, dass PBPK/PD-Ansätze zur Durchführung virtueller Bioäquivalenzstudien vorgeschlagen werden, die auch die inter-occasion Variabilität der Pharmakokinetik berücksichtigen. Desweiteren hebt diese Arbeit die Bedeutung von pharmakokinetischen Eigenschaften auf Bioäquivalenz-Ergebnissen hervor und stellt ein neues Konzept zur Risikoeinschätzung von Bioäquivalenz vor, in welchem die Bewertung des Bedarfs eines Waivers von einer In-vivo-Bioäquivalenzstudie sowohl auf biopharmazeutischen als auch pharmakokinetischen Wirkstoffeigenschaften basiert und quantitativ mit PBPK/PD-Modellierung bewertet wird.
Taxa under scrutiny in this thesis are Halophytophthora-like oomycetes. The genus Halophytophthora, proposed in 1990, is an assemblage of unrelated species grouped together on the basis habitat preference, i.e. the mangrove or saltmarsh biome, and morphological similarity to Phytophthora. The premise “Phytophthora-like species from the mangrove environment” became the genus concept for Halophytophthora and lasted for almost 2 decades which resulted to the addition of several species (i.e. H. elongata, H. exoprolifera, H. porrigovesica, H. kandeliae, H. masteri, and H. tartarea). At the onset of molecular phylogenetics, Halophytophthora was inferred as a highly polyphyletic taxon and the genus concept was found to be unsuitable. This thesis adds to this, since six Phytophthora spp. were isolated from the mangrove environment, two of which were found in the Philippines (Phytophthora elongata and Phytophthora insolita). After a thorough assessment of the morphologic and phylogenetic data of taxa included in this thesis, several taxonomic novelties were introduced – a new family (Salispinaceae), a new genus (Calycofera), new species (Calycofera cryptica, Phytopythium dogmae, Phytopythium leanoi, Salisapilia coffeyi, and Salispina hoi), and new combinations (Calycofera operculata, Salisapilia bahamensis, S. elongata, S. epistomia, S. masteri, S. mycoparasitica). In addition, Salisapiliaceae and Salisapilia were emended.
In dieser Arbeit wird sowohl das Potenzial von molekularen Photoschaltern als lichtempfindliche Komponenten für photopharmakologische Anwendungen als auch das von künstlichen RNA-Aptameren als regulatorische Schalteinheiten für die Entwicklung von funktionellen Riboschaltern untersucht. Verschiedene wesentliche Aspekte beider Anwendungs-felder wurden eingehend einzeln untersucht und die beiden Schaltsysteme schließlich durch das Design eines synthetischen RNA-Aptamers kombiniert, dessen Ligandbindung durch licht-induzierte Isomerisierung seines Photoschalterliganden reguliert werden kann.
Molekulare Photoschalter wie Azobenzole und Spiropyrane haben sich als vielversprechende photochemische Werkzeuge erwiesen, um lichtgesteuert reversible und biochemisch nutzbare Effekte erzeugen. Spiropyrane bergen aufgrund der drastischen Veränderungen ihrer molekularen Eigenschaften infolge der Photoisomerisierung zum Merocyanin (MC) ein enormes Anwendungs-potenzial. Von den hier untersuchten wasserlöslichen Pyridin- (Py-) und Nitro-BIPS-Derivaten zeigt insbesondere die Py-BIPS-Verbindung 2 ein außerordentlich vielseitiges Verhalten. Im Vergleich zu anderen Vertretern dieser Photoschalterklasse wird ein deutlich höherer MC-Anteil von etwa 50% thermisch innerhalb von wenigen Minuten akkumuliert. Durch lichtinduzierten Ringschluss zum reinen Spiropyran (SP) und thermische Wiederherstellung des Gleichgewichts, kann diese hohe Schaltamplitude über mehrere Zyklen ohne signifikante Zersetzung beibehalten werden. Der Einsatz von schädlichem UV-Licht kann somit vermieden werden, was zusätzlich sehr vorteilhaft für einen möglichen Einsatz in einem biochemischen Kontext ist.
Verbindung 2 weist zudem mehrere Protonierungsstellen auf, die ihr in Abhängigkeit des pH-Wertes faszinierende photosaure Eigenschaften verleihen. Das einfach protonierte HMC Isomer ermöglicht eine lichtstimulierte reversible Kontrolle des pH-Wertes in einem Bereich von etwa 4,5 bis 7,5, mit möglichen pH-Sprüngen von bis zu 1,5 Einheiten. Durch transiente Absorptionsstudien wurde ein Mechanismus für die Protonenfreisetzung nachgewiesen, der lediglich auf der Veränderung des pKs-Wertes der N-protischen Position infolge des lichtinduzierten Ringschlusses beruht. Im Gegensatz dazu wird das phenolische Proton des doppelt protonierten HMCH Isomers innerhalb von 1-2 Pikosekunden nach Anregung aus dem angeregten Zustand an das Lösemittel übertragen. Durch eingehende Ultrakurzzeitmessungen der Freisetzung des phenolischen Protons, konnten die protonierten Spezies der Py- und Nitro-Merocyanine als Superphotosäuren etabliert werden. Sie können somit als ultraschnelle Auslöser für protonenvermittelte Prozesse eingesetzt werden, die zu den fundamentalsten Reaktionen in der Natur gehören.
Was potenzielle pharmakologische Zielsysteme betrifft, so dürfte RNA eine große Zukunft bevorstehen, da sie einfach zu synthetisieren ist und Zugang zu verschiedenen Ebenen zellulärer Regulationsmechanismen bietet. Insbesondere RNA-Aptamere, die in der Lage sind, niedermolekulare Liganden mit außergewöhnlich hoher Affinität und Spezifität zu binden, sind für die Entwicklung von künstlichen Riboschaltern hoch interessant. Während künstliche Aptamere für beliebige Liganden durch einen in vitro Selektionsprozess generiert werden können, ist nicht zur Gänze geklärt warum nur wenige von ihnen als aktive in vivo Riboschalter funktionieren. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen die Bedeutung der konformationellen Aptamerdynamik während der Ligandenbindung für das Regulationspotential. Die Mg2+-abhängigen Bindungsstudien des hochfunktionellen Tetrazyklin (TC) -Aptamers zeigen, dass zweiwertige Kationen nicht nur für die korrekte Vorfaltung des Aptamers wichtig sind, sondern auch an der Ligandenbindung und RNA-Strukturanpassung selbst beteiligt sein können. Nach der Assoziation von TC an die Bindungstasche pflanzt sich eine Konformationsanpassung zur entfernten Dreifachhelixregion fort, wo Mg2+ zusätzlich für die Ausbildung endgültig gebundenen Zustandes benötigt wird.
Neben dem Einfluss von Mg2+, zeigen zeitaufgelöste Ligandenbindungsstudien von drei Ciprofloxacin (CFX) -Aptameren eine klare Korrelation zwischen der Kinetik des Struktur-anpassungsschrittes der RNA an den Liganden und dem beobachteten Regulationspotenzial in parallel durchgeführten in vivo Assays. Es wird geschlussfolgert, dass eine beschleunigte und irreversible RNA-Anpassung auf eine Konformationsänderung hindeutet, die ausgeprägt genug ist, um eine Aktivität als Riboschalter zu ermöglichen. Diese Erkenntnisse werden durch die berichteten Ligandenbindungskinetiken von anderen künstlichen Aptameren und auch von natürlichen Riboschaltern bestätigt und sollten weitreichende Implikationen für die Optimierung von Selektionsprotokollen für funktionelle Aptamere haben.
Schließlich wird ein lichtempfindliches RNA-Aptamer vorgestellt, dessen Ligand auf dem Antibiotikum Chloramphenicol (Cm) basiert, welches synthetisch mit einem Azobenzolfragment versehen wurde (azoCm). Durch systematische Optimierung von in vitro Selektionsprotokollen und die erfolgreiche Implementierung eines Belichtungsschrittes zur Isomerisierung des Liganden konnten Aptamere erhalten werden, die spezifisch an die trans-Form von azoCm binden. Bindungsaffinitätsstudien bestätigen diese Selektivität und durch Zirkulardichroismusstudien konnte zudem eine lichtinduzierte reversible Dissoziation des von cis-azoCm gezeigt werden. Damit wird hier eine erfolgreiche Entwicklungsstrategie für lichtabhängige RNA-Aptamer – Ligandsysteme dargelegt, welche wiederum fundamental neuartige Ansätze für die Erschließung lichtstimulierter biologischer Regulationswege zugänglich machen.
RNA ist vor allem als Vermittler von Erbinformationen bekannt. Doch neben der Translation in Proteine ist sie auch maßgeblich an regulatorischen Prozessen in der Zelle beteiligt. So kommen in vielen Organismen Argonautenproteine vor, die zusammen mit microRNA einen Komplex bilden, der in der Lage ist, mRNA zu spalten oder auf andere Weise deren Translation zu unterdrücken. Da die Deregulierung von microRNA bei verschiedenen Krankheiten wie Krebs, Parkinson oder Alzheimer auftritt, wurden in dieser Arbeit Alkylanzien entwickelt, die zur besseren Inhibierung von microRNA beitragen sollen.
Als Alkylierungsmittel wurden ortho-Chinonmethide verwendet, die zunächst in geschützter Form synthetisiert wurden und nach Aktivierung mit einer Nukleobase reagieren können. Für die Erkennung der miRNA-Sequenz wurden diese zu einem Konjugat mit Peptid-Nukleinsäuren (PNAs) verbunden. Es wurden zwei Arten von Chinonmethid-Präkursoren hergestellt: Mit o Nitrobenzyl photolabil geschützte, die sich mit Licht der Wellenlänge 365 nm aktivieren lassen, und über ein Disulfid geschützte, die mithilfe eines Reduktionsmittels aktiviert werden. Die photolabil geschützten Derivate lassen sich damit gezielt örtlich und zeitlich aktivieren. Vom reduktiv aktivierbaren Präkursor wurden drei Derivate mit sterisch unterschiedlichen Resten am Disulfid (Benzyl-, Isopropyl- oder tert-Butyl-Rest) hergestellt, die einen Einfluss auf die Kinetik der Entschützung haben. Diese Derivate können nach Eintritt in eine Zelle durch die dort vorherrschende hohe Glutathion-Konzentration aktiviert werden, während sie extrazellulär unreaktiv sind.
Zunächst wurde die Kinetik eines photolabil geschützten Konjugats ohne RNA untersucht. Hier kommt es nach Bestrahlung zur Selbstalkylierung, bei der die Nukleobasen der PNA angegriffen werden. Bei 37 °C erfolgte dies mit einer Halbwertszeit von 0.43 h unter Annahme einer Reaktion 1. Ordnung. Die Kinetik der Alkylierung der komplementären RNA ließ sich durch zwei parallel ablaufende Reaktionen 1. Ordnung abbilden. Die Schnelle hatte eine Halbwertszeit von 0.42 h und die Langsame 11 h mit einer Ausbeute von 73 % nach 168 h. Bei Bestrahlung des Konjugats und erst anschließender Zugabe der RNA wurde ebenfalls eine Halbwertszeit von 11 h bei einer einzelnen Reaktionen 1. Ordnung erhalten. Dies lässt sich mit der Reversibilität mancher Reaktionsprodukte erklären. Die schnelle Reaktion entspricht der direkten Reaktion des Chinonmethids mit der RNA, die langsame entsteht durch Umlagerung von reversiblen Addukten.
Die Analyse der RNA-Alkylierung erfolgte mithilfe von denaturierender Polyacrylamid-Gelelektrophorese, bei der in Abhängigkeit der Gel-Temperatur scheinbar unterschiedliche Kinetiken gemessen wurden. Dies ist ebenfalls eine Folge der Reversibilität. Bei 57 °C kann ein Teil der Bindungen zwischen RNA und den Konjugaten brechen und es wird am Anfang der Reaktion eine geringere Ausbeute gemessen als bei 25 °C Geltemperatur. Die Ausbeute nach 168 h änderte sich jedoch nicht, da im Verlauf der Reaktion die reversiblen Addukte in irreversible umgewandelt werden.
Mit miRNA-20a als Ziel wurden mit einem 10mer Konjugat zunächst nur 13 % Ausbeute nach 72 h und mit einem 15mer Konjugat 41 % nach 75 h erreicht. Durch internen Einbau des Chinonmethid-Präkursors in die PNA, sodass es einem Adenosin der RNA gegenübersteht, konnte die Ausbeute auf 75 % nach 72 h gesteigert werden, da Adenosin bevorzugt alkyliert wird.
Bei den reduktiv aktivierbaren Chinonmethid-Präkursoren waren alle synthetisierten Konjugate in Puffer ohne Glutathion (GSH) stabil. Die Reihenfolge der Reaktionsgeschwindigkeit der Disulfidspaltung war bei 0.5 mM und 10 mM GSH: Benzyl > Isopropyl > tert-Butyl. Die Halbwertszeit bei 10 mM GSH betrug weniger als 5 min (Benzyl-Konjugat) bis 2 h (t Butyl Konjugat). Jedoch bildeten sich mit allen Konjugaten bei 10 mM GSH auch Addukte mit GSH.
Die Reaktivitätsreihenfolge blieb bei der Alkylierung von RNA erhalten. Allein das Benzyl-Konjugat erreichte bei einer GSH-Konzentration von 0.5 mM schon die gleiche Reaktionsgeschwindigkeit wie das photolabil geschützte Chinonmethid. Bei 10 mM GSH erreichten die Derivate zwar nach wenigen Stunden ihre maximale Ausbeute, diese betrug jedoch nur 23 % (tert-Butyl-Konjugat) bis 43 % (Benzyl-Konjugat), da die Chinonmethide auch durch GSH als Nukleophil abgefangen werden.
Mit einem Konjugat, das ein photolabiles Chinonmethid sowie Biotin trägt, wurde ein Fluoreszenzpulldown mit Cy5-markierter RNA durchgeführt. Hier zeigte die bestrahlte Probe eine deutlich höhere Fluoreszenz (6.8x), als eine unbestrahlte Vergleichsprobe. Bei einem Pulldown-Versuch mit miRNA-20a bzw. mit RISCs aus HeLa-Zelllysat konnte das Argonautenprotein jedoch nicht eindeutig mittels Westernblot nachgewiesen werden.
Anhand des reduktiv aktivierbaren Benzyl-Konjugats konnte gezeigt werden, dass sich das Konjugat in Zelllysat zersetzt und nur ein Teil zu Addukten mit Nukleobasen reagiert. Die Ursache wurde in der hydrolyselabilen Abgangsgruppe gesehen, sodass weitere photolabil geschützte Derivate mit Dimethylamino-, Trimethylammonium-, Pivaloylester- und Benzoylestergruppe synthetisiert wurden. Von diesen war nur das Benzoylester-Konjugat in der Lage, RNA mit 72 % Ausbeute nach 48 Stunden zu alkylieren. Zudem war es für mindestens 1 h in Zelllysat stabil.
Ventrikulitis bezeichnet eine Infektion der inneren Liquorräume des Gehirns. Sie tritt gehäuft nach neurochirurgischen Eingriffen, wie z.B. der Anlage einer EVD oder eines VP-Shunts auf, da die Fremdkörper als Eintrittspforten für Bakterien dienen können. Zur Therapie der Ventrikulitis werden am Universitätsklinikum Frankfurt nach hausinternem Standard Meropenem und Vancomycin verwendet. Bei beiden Antibiotika ist für die Therapie von entscheidender Bedeutung, dass ihre Wirkstoffkonzentration über einen möglichst langen Zeitraum oberhalb der MHK liegt. Bei der Ventrikulitis ist insbesondere die Wirkstoffkonzentration im Liquor ausschlaggebend. Problematisch ist bei der Therapie, dass die verabreichten Antibiotika die Blut-Hirn-Schranke überwinden müssen. Diese ist im Normalfall für Medikamente schwer durchlässig, allerdings kann ihre Barrierefunktion durch Infektionen abgeschwächt sein. Zur Therapie der Ventrikulitis wurden als Standard im Universitätsklinikum Frankfurt am Main bislang 3x2g Meropenem und 2x1g Vancomycin täglich als diskontinuierlicher, verlängerter Bolus verabreicht.
In einer Studie von Blassmann et al.191 zeigte sich, dass sich durch dieses Dosisregime nur in etwa der Hälfte der Fälle eine ausreichende Wirkstoffkonzentration im Liquor einstellte. Daraus ergab sich die Fragestellung, ob durch kontinuierliche TDM-gesteuerte Gabe von Meropenem und Vancomycin (wie sie seit 2016 in der Neurochirurgie des Universitätsklinikums Frankfurt angewandt wird) höhere Liquorspiegel zu erreichen sind, und ob sich Nomogramme für die Eindosierung und Dosisanpassung für Parameter, wie die Kreatinin-Clearance, erstellen lassen.
Um der Fragestellung auf den Grund zu gehen, wurden neun Patienten, die an Ventrikulitis erkrankt waren und mit diesem Dosisregime behandelt wurden, in diese Studie eingeschlossen. Hauptzielgrößen waren die Serum- und Liquorkonzentration von Meropenem und Vancomycin. Darüber hinaus wurden vor allem Entzündungsparameter und Nierenfunktionsparameter erfasst. Für die Eindosierung wurden modifizierte Nomogramme einer Studie verwendet, in der Sepsis-Patienten mittels kontinuierlicher Infusion von Meropenem und Vancomycin behandelt wurden.
Die entnommenen Serum- und Liquorproben wurden an die Apotheke des Klinikums Heidenheim versendet und dort analysiert. Jeweils 24 Stunden nach den Messungen erfolgten notwendige Dosisanpassungen, während weitere 24 Stunden später erneut gemessen wurde.
Die Auswertung der Ergebnisse ergab, dass die verwendeten Dosierungen deutlich über den bisherigen Standarddosierungen beider Medikamente lagen. Die resultierenden Wirkstoffkonzentrationen im Serum und im Liquor befanden sich fast ausschließlich innerhalb des angestrebten Intervalls. Die Entzündungsparameter nahmen im Verlauf ab, während die Nierenfunktionsparameter konstant blieben, oder sich trotz hoher Dosierung von Vancomycin sogar verbessert haben.
Die Simulation des Modells ergab zunächst eine Diskrepanz zwischen gemessenen und simulierten Werten. Nach einer Parameteranpassung gelang es, das Verhalten der Meropenemkonzentrationen in dem untersuchten Dosisregime besser zu simulieren, während bei Vancomycin weiterhin Abweichungen bestehen blieben. Mit den neu geschätzten Parametern wurde für Meropenem eine neue Simulation durchgeführt, um die Dosis zu optimieren. Außerdem wurde der Zusammenhang zwischen der Meropenem- und der Kreatinin-Clearance überprüft. Im letzten Schritt wurden aus der optimierten Dosis und der initialen bzw. mittleren Kreatinin-Clearance Nomogramme erstellt, wobei die optimierte Dosis in zwei Nomogrammen auch auf das Körpergewicht des jeweiligen Patienten bezogen wurde. Daraus ergaben sich schließlich die Nomogramme für die Eindosierung und Dosisanpassung für Meropenem.
Als Fazit lässt sich in Bezug auf die Eingangsfrage festhalten, dass durch kontinuierliche TDM-gesteuerte Gabe von Meropenem und Vancomycin viel zuverlässiger wirksame Liquorspiegel dieser Medikamente zu erreichen sind als mit der bisherigen Standarddosierung. Außerdem konnten für Meropenem Nomogramme für die Eindosierung und Dosisanpassung erstellt werden, während die fehlende Korrelation der Vancomycinwerte mit der Kreatinin-Clearance dies nicht zuließ. Für Vancomycin muss daher eine mindestens tägliche Konzentrationsmessung empfohlen werden.
Grundsätzlich bleibt aber festzuhalten, dass durch die kontinuierliche TDM-gesteuerte Gabe viel zuverlässiger wirksame Liquorkonzentrationen der beiden Antibiotika erreicht werden konnten, verglichen mit der diskontinuierlichen Gabe.
Next-generation DIRC detectors, like the PANDA Barrel DIRC, with improved optical designs and better spatial and timing resolution, require correspondingly advanced reconstruction and PID methods. The investigation of the PID performance of two DIRC counters and the evaluation of the reconstruction and PID algorithms form the core of this thesis. Several reconstruction and PID approaches were developed, optimized, and tested using hadronic beam particles, experimental physics events, and Geant simulations. The near-final design of the PANDA Barrel DIRC was evaluated with a prototype in the T9 beamline at CERN in 2018. The analysis finds excellent agreement between the experimental data and the Geant simulations for all reconstruction algorithms. The best PID performance of up to $5.2 \pm 0.2$ s.d. $\pi$/K separation at 3.5 GeV/c, was obtained with a time imaging PID method. The PANDA Barrel DIRC simulation, as well as the reconstruction and PID algorithms, were evaluated using experimental data from the GlueX DIRC as part of the FAIR Phase-0 program. The performance validation was carried out using physics events of the GlueX experiment and simulations. The initial analysis results of the commissioning dataset show a $\pi$/K separation power of up to 3 s.d. at a momentum of 3.0-3.5 GeV/c, obtained using a geometric reconstruction algorithm.
Until quite recently, stem cell technology mainly focused on pure populations of embryonic stem cells (ES) derived from the inner cell mass of the blastocyst and induced pluripotent stem cells (iPS). Using organoids, a newly established culture technique, it is now possible to culture also organ and patient-specific adult stem (AS) and induced pluripotent stem (IPS) cells in vitro. Furthermore, it has been shown that adult stem cells, grown as organoids, are genetically stable, proliferate and maintain their multi-potency (often a bi-potency) for months. This is possible by providing conditions that recapitulate the stem cell niche of the corresponding organ. Particularly, defined growth factors and a physiological scaffold, which is provided by an extracellular matrix (ECM). Because of increasing research activities, organoids became influential in the recent years. Wide-ranging interest also led to a clearer definition: organoids must contain multiple organ-specific cell types, must be able to recapitulate some organ specific functions, and the cells must be spatially organized in a way similar to the organ they are derived from. The excitement about organoids is based on their high potential as a model to understand wound healing, cellular behaviour and differentiation processes in organogenesis. Furthermore, high potential in the drug development and in personalized stem cell therapeutic approaches has been shown. Specifically, for personalized stem cell therapy, one potential application is for chronic autoimmune diseases such as Diabetes type 1 (T1D). T1D is characterized by the immune-mediated destruction of ß-cells in the Pancreas that leads to absolute insulin deficiency. In T1D the first-line therapeutic approach is exogenous insulin replacement therapy, which always implicates the risk of high fluctuations in blood-sugar levels and therefore the risk of hypoglycaemia. Another therapeutic approach is the xenotransplantation of islets from human donors. A successful islet transplantation allows patients a years-long insulin independence. However, the therapeutic value of islet transplantation is highly limited by the availability of organ donors and by the need for chronic administration of immune suppressive medication. The use of pancreas organoids offers a promising alternative as a personalized cell therapeutic approach to treat T1D without the hypoglycaemia risks of the established therapies. In 2013 Meritxell Huch and colleagues established for the first-time organoids from the exocrine, ductal part of the pancreas. These pancreas organoids are characterized by a monolayered, spherical cell epithelium which comprises a liquid filled lumen. In addition, they showed that after transplantation of these cells into immunodeficient mice, they differentiate into ß-cells and cure T1D. However, basic knowledge of the culture growth behaviour is still lacking: to date, no growth parameters are defined and reliable and robust investigation approaches are still missing. Furthermore, basic knowledge about the organoid development and biochemical/biophysical mechanisms that generate the phenotypic structure are not identified. For a clinical approach these parameters are fundamental and therefore must be defined pre-clinically.
The aim of this study is the preclinical characterization of the hPOs...
Classical light microscopy is one of the main tools for science to study small things. Microscopes and their technology and optics have been developed and improved over centuries, however their resolution is ultimately restricted physically by the diffraction of light based on its wave nature described by Maxwell’s equations. Hence, the nanoworld – often characterized by sub-100-nm structural sizes – is not accessible with classical far-field optics (apart from special x-ray laser concepts) since its lateral resolution scales with the wavelength.
It was not until the 20th century that various technologies emerged to circumvent the diffraction limit, including so-called near-field microscopy. Although conceptually based on Maxwell’s long known equations, it took a long time for the scientific community to recognize its powerful opportunities and the first embodiments of near-field microscopes were developed. One representative of them is the scattering-type Scanning Near-field Optical Microscope (s-SNOM). It is a Scanning Probe Microscope (SPM) that enables imaging and spectroscopy at visible light frequencies down to even radio waves with a sub-100-nm resolution regardless of the wavelength used. This work also reflects this wide spectral range as it contains applications from near-infrared light down to deep THz/GHz radiation.
This thesis is subdivided into two parts. First, new experimental capabilities for the s-SNOM are demonstrated and evaluated in a more technical manner. Second, among other things, these capabilities are used to study various transport phenomena in solids, as already indicated in the title.
On the technical side, preliminary studies on the suitability of the qPlus sensor – a novel scanning probe technology – for near-field microscopy are presented.
The scanning head incorporating the qPlus sensor–named TRIBUS – is originally intended and built for ultra-high vacuum, low temperature, and high resolution applications. These are desirable environments and properties for sensitive nearfield measurements as well. However, since its design was not planned for near-field measurements, several special technical and optical aspects have to be taken into account, among others the scanning tip design and a spring suspended measurement head.
In addition, in this thesis field-effect transistors are used as THz detectors in an s-SNOM for the first time. Although THz s-SNOM is already an emerging technology, it still suffers from the requirements of sophisticated and specialized infrastructure on both the detector and laser side. Field-effect transistors offer an alternative that is flexible, cost-efficient, room-temperature operating, and easy to handle. Here, their suitability for s-SNOM measurements, which in general require very sensitive and fast detectors, is evaluated.
In the scientific part of this thesis, electromagnetic surface waves on silver nanowires and the conductivity/charge carrier density in silicon are investigated. Both are completely different concepts of transport phenomena, but this already shows the general versatility of the s-SNOM as it can enter both fields. Silver nanowires are analysed by means of near-infrared radiation. Their plasmonic behaviour in this spectral region is studied complementing other simulations and studies in literature performed on them using for example far-field optics.
Furthermore, the surface wave imaging ability of the s-SNOM in the near-infrared regime is thoroughly investigated in this thesis. Mapping surface waves in the mid-infrared regime is widespread in the community, however for much smaller wavelengths there are several important aspects to be considered additionally, such as the smaller focal spot size.
After that, doped and photo-excited silicon substrates are investigated. As the characteristic frequencies of charge carriers in semiconductors – described by the plasma frequency and the Drude model – are within the THz range, the THz s-SNOM is very well suited to probe their behaviour and to reveal contrasts, which has already been shown qualitatively by numerous literature reports. Here, the photo-excitation enables to set and tune the charge carrier density continuously.
Furthermore, the analysis of all silicon samples focuses on a quantitative extraction of the charge carrier densities and doping levels ...
Within the last thirty years, the contraction method has become an important tool for the distributional analysis of random recursive structures. While it was mainly developed to show weak convergence, the contraction approach can additionally be used to obtain bounds on the rate of convergence in an appropriate metric. Based on ideas of the contraction method, we develop a general framework to bound rates of convergence for sequences of random variables as they mainly arise in the analysis of random trees and divide-and-conquer algorithms. The rates of convergence are bounded in the Zolotarev distances. In essence, we present three different versions of convergence theorems: a general version, an improved version for normal limit laws (providing significantly better bounds in some examples with normal limits) and a third version with a relaxed independence condition. Moreover, concrete applications are given which include parameters of random trees, quantities of stochastic geometry as well as complexity measures of recursive algorithms under either a random input or some randomization within the algorithm.
The putative effects of dark matter are most easily explained by a collisionless fluid on cosmological scales and by Modified Newtonian Dynamics (MOND) on galactic scales. Hybrid MOND dark matter models combine the successes of dark matter on cosmological scales and those of MOND on galactic scales. An example of such a model is superfluid dark matter (SFDM) which postulates that this differing behavior with scale is caused by a single underlying substance with two phases. In this thesis, I highlight successful observational tests of SFDM regarding strong lensing and the Milky Way rotation curve. I also discuss three problems due to the double role of the aforementioned single underlying substance and show how these may be avoided. Finally, I introduce a novel Cherenkov radiation constraint for hybrid MOND dark matter models. This constraint is different from standard modified gravity Cherenkov radiation constraints because such hybrid models allow even non-relativistic objects like stars to emit Cherenkov radiation.
The project investigates how economic paradigm shifts that occur at the beginning of the 1970s (primarily the abandonment of the gold standard and the endlessly increasing pool of capital awaiting investment that succeeded it) led to the emergence of a unique building type: the high-altitude observation deck. Part investment vehicle, part iteration of an ongoing fascination with the view from above, the project presents the observation deck as the point where three distinct paradigms intersect: observation, speculation and spectacle. Tracing the emergence of the observation deck through a series of case studies (Top of the World atop the World Trade Center (NYC), One World Observatory (NYC), The Tulip (London) the project enriches its interdisciplinary approach with archival research and fieldwork. Re-telling the complicated collaboration between architect Warren Platner and graphic designer Milton Glaser at the end of the 1960s, the project lays out how the observation deck is conceived at a time when the perceived “crisis” of New York results in a rapidly accelerating neoliberalization of urban space. An avatar of this emerging ideology the observation deck is heavily invested in making the city visually comprehensible. Incorporating a sort of neoliberalist geometry, the deck transforms the city into a product to be consumed instead of a reality to live in and thus paves the way for other ventures of what has been called the “experience economy.” Thus, it signals the ongoing shift away from an architecture that possesses any use value, towards one that, as Barthes put it with regards to Eiffel Tower, is centered only on viewing and being viewed. A speculative machine, the observation deck renders the city into a product.
Non-ribosomal peptide synthetase docking domains : structure, function and engineering strategies
(2021)
Non-ribosomal peptide synthetases (NRPSs) are known for their capability to produce a wide range of natural compounds and some of them possess interesting bioactivities relevant for clinical application like antibiotics, anticancer, and immunosuppressive drugs. The diverse bioactivity of non-ribosomal peptides (NRPs) originates from their structural diversity, which results not only from the incorporation of non-proteinogenic amino acids into the growing peptide chain, but also the formation of heterocycles or further peptide modifications like methylation, hydroxylation and acetylation.
The biosynthesis of NRPs is achieved via the orchestrated interplay of distinct catalytic domains, which are grouped to modules that are located on one or more polypeptide chains. Each cycle starts with the selection and activation of a specific amino acid by the adenylation (A) domain, which catalyzes the aminoacyl adenylate formation under ATP consumption. This activated amino acid is then bound via a thioester bond to the 4’-phosphopantetheine cofactor (PPant-arm) of the following thiolation (T) domain. Before substrate loading, the PPant-arm is post-translationally added to the T domain by a phosphopantetheinyl transferase (PPTase), which converts the inactive apo-T domain in its active holo-form. In the last step of the catalytic cycle, two T domain bound peptide building blocks are connected by the condensation (C) domain, resulting in peptide bond formation and transfer of the nascent peptide chain to the following module. Each catalytic cycle is performed by a C-A-T elongation module until the termination module with a C-terminal thioesterase (TE) domain is reached. Here, the peptide product is released by hydrolysis or intramolecular cyclisation.
In comparison to single-protein NRPSs, where all modules are encoded on a single polypeptide chain, multi-protein NRPS systems must also maintain a specific module order during the peptide biosynthesis. Therefore, small C-terminal and N-terminal communication-mediating (COM) domains/docking domains (DD) were identified in the C- and N-terminal regions of multi-protein NRPSs. It was shown that these domains mediate specific and selective non-covalent protein-protein interaction, even though DD interactions are generally characterized by low affinities.
The first publication of this work focuses on the Peptide-Antimicrobial-Xenorhabdus peptide-producing NRPS called PaxS, which consists of the three proteins PaxA, PaxB and PaxC. Here, in particular the trans DD interface between the C-terminal attached DD of PaxB and N-terminal attached DD of PaxC was structurally investigated and thermodynamically characterized by isothermal titration calorimetry (ITC), yielding a dissociation constant (KD) of ~25 µM, which is a DD typical affinity known from further characterized DD pairs. The artificial linking of the PaxB/C C/NDD pair via a glycine-serine (GS) linker facilitated the structure determination of the DD complex by solution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. In comparison to known docking domain structures, this DD complex assembles in a completely new fold which is characterized by a central α-helix of PaxC NDD wrapped in two V-shaped α-helices of PaxB CDD.
The first manuscript of this work focuses on the application of synthetic zippers (SZ) to mimic natural docking domains, enabling the easy assembly of NRPS building blocks encoded on different plasmids in a functional way. Here, the high-affinity interaction of SZs unambiguously defines the order of the synthetases derived from single-protein NRPSs in the engineered NRPS system and allows the recombination in a plug-and-play manner. Notably, the SZ engineering strategy even facilitates the functional assembly of NRPSs derived from Gram-positive and Gram-negative bacteria. Furthermore, the functional incorporation of SZs into NRPS modules is not limited to a specific linker region, so we could introduce them within all native NRPS linker regions (A-T, T-C, C-A).
The second publication and the second manuscript of this thesis again focus on the multi-protein PaxS, in particular on the trans interface between the proteins PaxA and PaxB on a molecular level by solution NMR. Therefore, the PaxA CDD adjacent T domain was included into the structural investigation besides the native interaction partner PaxB NDD. Before a three-dimensional structure could be obtained from NMR data, the NH groups located in the peptide bonds had to be assigned to the respective amino acids of the proteins (backbone assignment). Based on these backbone assignments, the secondary structure of PaxA T1-CDD and PaxB NDD in the absence and presence of the respective interaction partner were predicted.
The structural and functional characterization of the PaxA T1-CDD:PaxB NDD complex is summarized in manuscript two. The thermodynamic analysis of this complex by ITC determined a KD value of ~250 nM, whereas the discrete DDs did not interact at all. The high-affinity interaction allowed to determine the solution NMR structure of the PaxA T1-CDD:PaxB NDD complex without the covalent linkage of the interaction partners and an extended docking domain interface could be determined. This interface comprises on the one hand α-helix 4 of the PaxA T1 domain together with the α-helical CDD, and on the other hand the PaxB NDD, which is composed of two α-helices separated by a sharp bend.
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Eine große Gruppe von Aptameren sind die Guanosintriphosphat (GTP) Aptamere. Diese zeigt sehr eindrücklich, wie RNA unterschiedliche Strategien nutzt, um denselben Liganden zu erkennen. Die komplette Struktur des GTP Klasse II Aptamers wird in der ersten Publikation gezeigt. Interessanterweise zeichnet die Struktur ein stabil protoniertes Adenine unterhalb der GTP-Bindestelle aus. Dieses wurde durch eine Kombination aus weiterführenden NMR- und ITC-Experimente untersucht und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die protonierte Base einen pKs-Wert hat, der weit von der Neutralität verschoben ist. Die Protonierung ist auch noch bei sehr basischen Puffern stabil.
Eine Art der funktionellen Protonierung wird von den zyklischen di-Nukleotiden (CDN) bindenden Riboswitches genutzt, um zwei CDN mit ähnlicher Affinität zu binden. c-di-GMP Riboswitches wurden als regulatorische Einheit beschrieben und deren Kristallstruktur aufgeklärt. Mutationsexperimente führten dazu, dass bei einer G-zu-A Mutation an der Gα-Bindestelle die Selektivität des Riboswitches verändert wurde. Die Mutante bindet sowohl c-di-GMP als auch cGAMP mit ähnlichen Bindungsaffinitäten. Riboswitche, die cGAMP binden wurden auch in der bakteriellen Genomen gefunden. Hierbei ist die Promiskuität unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Untersuchung des Bindungsmodus und der damit verbundenen Promiskuität ist in der zweiten Publikation beschrieben. Hier wurde gezeigt, dass die Riboswitche beide Liganden nur binden können, wenn zur Bindung von c-di-GMP das Ligand bindende A protoniert vorliegt. Auch diese Protonierung konnte mit weiterführenden NMR- und ITC-Experimenten charakterisiert werden. Die Untersuchungen einer solch großen RNA sind mit NMR Spektroskopie herausfordernd. Hierbei wurde ausgenutzt, dass die Kristallstruktur bereits bekannt war, welche allerdings die Protonierung nicht zeigte. Auch diese Protonierung zeigt einen pKs-Wert, der weit von der Neutralität verschoben ist und außerdem bei unterschiedlichen pH stabil ist.
In den beiden untersuchten Beispielen wurden zwei verschiedene Arten von Protonierung gezeigt: eine strukturelle und eine funktionelle. Das GTP Klasse II Aptamer benutzt die Protonierung als strukturelle Basis für die Basis der Ligandenbindungsstelle. Hierbei werden durch die Protonierung des Adenines mehr nutzbare Wasserstoffbrücken ausgebildet und damit die Tertiärstruktur stabilisiert. Im Unterschied dazu nutzen die promiskuitiven CDN Ribsowicthes die Protonierung, um verschiedene Liganden binden zu können und es kommt damit zu einer Verschiebung der Funktionalität. Der regulatorische Nutzen dafür ist allerdings noch unbekannt.
Auch bei den SAM Riboswitches wurde ein promiskuitiver Vertreter beschrieben. SAM Riboswitches gehören zu den am längsten bekannten Klassen der Riboswitches. Bis heute sind hier die meisten unterschiedlichen Klassen bekannt. SAM wird häufig als Donor für funktionelle Gruppen benutzt, besonders häufig als Methlygruppendonor für die Methylierung einer Reihe unterschiedlicher Substrate (z.B. DNA, Proteine, Metabolite etc.). Bei dieser Reaktion entsteht SAH als Nebenprodukt. Zusätzlich ist SAH zelltoxisch, da es affin an Methyltransferasen bindet und damit diese essenzielle Reaktion inhibiert. Eine enge Kontrolle der SAH-Konzentration ist daher kritisch. SAM bindende Riboswitches haben zu SAM eine bis zu 1000-fach höhere Bindungsaffinität im Vergleich zu SAH. Die Beschreibung eines translationalen OFF-Riboswitches, der SAM und SAH mit ähnlicher Affinität bindet, ist daher überraschend. Zumal seine Genassoziation fast ausschließlich zu SAM Synthetasen ist, deren Regulation durch SAH wenig sinnvoll erscheint. Um ein besseres Verständnis für die Funktion des SAM/SAH Riboswitches zu erhalten, wurde seine 3D-Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt, wie in der vierten Publikation beschrieben. Dafür mussten zunächst alle Resonanzen der Sequenz und dem Liganden zugeordnet werden, wie in der dritten Publikation beschrieben. Dabei wurde als Ligand SAH gewählt, da dieser chemisch stabiler und damit für die teils tagelangen NMR-Messungen besser geeignet ist. Zusätzlich wurden Mutanten bzw. verwandte Liganden mittels ITC Experimente auf ihre Bindungseigenschaften untersucht, um die Bedeutung der Linkerlänge, einzelner Basenpaare und funktionelle Gruppen des Liganden zu untersuchen. Bei anderen bekannten SAM Riboswitches umschließt die RNA den Liganden fast komplett. Dabei wird zum einem das Sulfoniumion spezifisch durch die Carboxylgruppen verschiedener Uracil-Nukleotide erkennt und koordiniert. Außerdem bildet sich eine Bindetasche aus, die genug Platz für die stabile Bindung der Methylgruppe hat. Beim SAH Riboswitch wird die Selektivität für SAH dadurch erreicht, dass die Bindetasche sterisch keinen Platz für die Methylgruppe von SAM bereitstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei verschiedene Ligand bindende RNA-Strukturen untersucht, die alle sehr unterschiedliche Strategien zur Bindung der Liganden nutzen. Obwohl Portionierungen bei Aptameren und Riboswitches selten beschrieben wurden, haben sie eine maßgebliche Funktion in den beiden zuerst untersuchten Strukturen. Obwohl bisher im Hinblick auf alle bekannten RNA Strukturen eher selten beschrieben, gibt es doch neben den genannten zwei, einige Beispiele für strukturelle oder funktionelle Protonierungen. Auch in Hinblick auf zukünftige bzw. Verbesserung bestehender RNA-Strukturvorhersage-Programme ähnlich wie sie für Proteine schon lange nutzt werden, müssen protonierte Nukleobasen ernsthaft in Betracht gezogen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zwei der untersuchten Riboswitches zwei Liganden mit ähnlicher Affinität binden. Die genutzte Strategie ist hierbei unterschiedlich. Während bei den promiskuitiven CDN Riboswitches der regulatorische Nutzen noch unbekannt ist, konnte für den SAM/SAH Ribsowitch gezeigt werden, dass SAH nur zufällig aufgrund der wahrscheinlich sehr niedrigen intrazellulären Konzentration gebunden wird und dieser daher wahrscheinlich später in der evolutionären Entwicklung entstanden ist. Riboswitches halten es weiterhin spannend.
Cancer therapies have experienced significant advances in recent years. While conventional cytotoxic chemotherapy has long been the cornerstone for the treatment of many tumor entities, uprising immunotherapies have revolutionized the therapeutic landscape. Among them, immune checkpoint inhibitors (ICIs) with their demonstrated increased overall survival rates and response rates in cancer patients are now FDA-approved for metastatic melanoma and multiple other malignancies. Despite their clinical benefit in cancer therapies, ICIs can induce unique autoimmune-like toxicities known as immune-related adverse events (irAEs), which can involve any organ system including the nervous system. Although neurotoxicities are rare complications of ICI therapy they are often severe and can lead to long-term disability or even death if left untreated.
Neurological irAEs exhibit a broad spectrum of clinical presentations affecting the entire nervous system. Diagnosing neurological irAEs is often challenging as symptoms and laboratory findings can be uncharacteristic for common neurological disorders and clinical experience with ICI-mediated toxicities is still limited. In light of expanding clinical indications for ICIs, physicians will encounter ICI-mediated neurotoxicities more frequently. Thus, thorough characterizations of the diverse set of neurological irAEs are essential for optimal patient care, the prevention of severe ICI-mediated complications, and the development of diagnostic and therapeutic algorithms. This work portrays the clinical presentation, management and outcome of neurological irAEs following ICI therapies.
Patients with neurotoxicities related to ICIs who presented at the Yale New Haven Hospital between January 2014 and June 2018 were retrospectively identified from the quality control database. A comprehensive chart review was performed and data regarding patient demographics, medical history, ICI regimen and neurotoxicity were recorded. In total, 18 patients with neurological irAEs following ICI therapy for melanoma, small cell lung cancer, non-small cell lung cancer, and Merkel-cell carcinoma were identified. Neurotoxicities included central nervous system disorders comprising central demyelinating disorder,autoimmune encephalitis predominantly affecting the grey matter, and aseptic meningitis. Peripheral nervous system toxicities included sensorimotor polyneuropathy and myasthenia gravis. Cases of hypophysitis were also recorded. Time to onset of neurological irAEs ranged from 1 to72 weeks with a median of five weeks. In all patients ICIs were held and steroids initiated. Additional immunomodulatory therapies were required in nine patients. Sixteen of 18 patients showed neurological improvement. Fourteen patients had highgrade neurotoxicity (grade 3-4), six of whom deceased due to cancer progression, while none of the low-grade neurotoxicity patients (grade 1-2) died. High-grade neurotoxicity was identified as a negative prognostic marker for overall survival (p = 0.046).
This work shows that neurotoxicities present early-onset, rapidly progressive complications of ICIs with a broad spectrum of clinical phenotypes affecting the central nervous system, peripheral nervous system, and neuroendocrine system. A high index of caution for neurological irAEs is warranted throughout ICI therapy as timely diagnosis and management can reduce morbidity and mortality. Randomized clinical trials are needed to develop standardized diagnostic and therapeutic algorithms of ICI-induced neurotoxicities.
Uneindeutiger Verlust unterscheidet sich von eindeutigem Verlust durch Tod dadurch, dass der Verlust nicht sicher ist, da Verbleib und Schicksal der verlorenen Person unklar sind (physischer uneindeutiger Verlust; die Person wird vermisst) oder aber da die Person zwar physisch präsent, aber psychisch abwesend ist (psychologischer uneindeutiger Verlust, bspw.
durch Alzheimer; Boss, 1999, 2006). Klinische Fallberichte legen nahe, dass die Uneindeutigkeit des Verlusts einer geliebten Person den Trauerprozess erschwert, doch mangelt es an systematischen Studien. Die vorliegende Studie ist die erste, die beide Arten uneindeutigen Verlusts systematisch mit Verlust durch Tod unter nicht-gewaltsamen Umständen vergleicht. Publikation 1 und 2 zielen darauf, ein multidimensionales Verständnis davon zu gewinnen, wie die Uneindeutigkeit eines Verlusts dessen Verarbeitung beeinflusst. Untersucht wurde auch, ob die Auswirkungen der Uneindeutigkeit eines Verlusts sich auf die Erzählung des Verlusts selbst beschränkt oder sich auch auf andere Erinnerungen auswirkt. Artikel 3 geht einen Schritt weiter und untersucht protektive Faktoren, die ein erfolgreiches Verstehen und adaptive Folgen befördern können. Alle drei Veröffentlichungen basieren auf derselben Studie, in der je 30 Erwachsene mit physischem sowie mit psychologischem uneindeutigen Verlust untersucht wurden sowie weitere 30 mit eindeutigem Verlust eines Elternteils durch Tod (N = 90). Alle Teilnehmenden erzählten fünf Erinnerungen (n = 450), einmal eine offene Erzählung des Verlusts sowie je eine Erzählung eines spezifischen Ereignisses, nämlich eines verlustbezogenen Ereignisses, eines traurigen Ereignisses, eines Wendepunkt-Erlebnisses sowie eines selbstdefinierenden Erlebnisses. Zudem füllten sie symptombezogene Fragebögen aus. Insgesamt wurden neun Kodiermanuale auf die Erzählungen angewendet, um zu erfassen, wie Verluste verarbeitet und bewältigt werden. Der erste Artikel zeigt, dass Personen mit uneindeutigem Verlust, verglichen mit Personen mit eindeutigem Verlust, zwar nicht mehr in dem Verlusterlebnis aufgehen, aber doch schlechter mit ihm zurecht kommen. Die Uneindeutigkeit des Verlusts erschwert es, dem Verlust einen Sinn zu verleihen, und lässt seine Folgen negativer erscheinen. Der zweite Artikel zeigt, dass Menschen, die einen uneindeutigen Verlust erlebt haben, diesen sowie selbstdefinierende Erinnerungen mit mehr sogenannten Kontaminations- und weniger Erlösungssequenzen erzählen, und nur das Verlusterlebnis mit weniger Themen der Agentizität und Gemeinschaft, sich aber nicht in traurigen und Wendepunkterzählungen unterscheiden. Diese Gruppenunterschiede waren nicht auf unterschiedliche Symptomausprägungen zurück zu führen. Im dritten Artikel schließlich kann gezeigt werden, dass die relative Häufigkeit von Verknüpfungen zwischen der eigenen Person und einem Lebensereignis sowie ihre Positivität und Veränderungs- versus Stabilitätsbezug damit korrelierte, wie erfolgreich Lehren aus dem Ereignis gezogen werden konnten. Zudem korrelierte eine höhere Schulbildung mit erfolgreicherem Ziehen von Lehren aus den Ereignissen und mit positiveren Implikationen für Erzählende. Schließlich korrelierte die Positivität autobiographischen Urteilens mit weniger verzögerter Trauer. Diese Arbeit stützt zum Teil die von Boss beschriebenen, im Vergleich zu eindeutigen Verlusten schwerwiegenderen Folgen uneindeutigen Verlusts, spricht aber gegen die von Boss behaupteten traumatischen Folgen. Die Uneindeutigkeit eines Verlusts sollte bei der klinischen Behandlung von Trauernden berücksichtigt werden. Allerdings lässt sich aufgrund des Fehlens einer Kontrollgruppe ohne Verlust nicht beurteilen, ob die festgestellten Besonderheiten des Verarbeitens eines Verlusts als unangemessen zu beurteilen sind. Erst longitudinale Studien werden es erlauben, Verarbeitungs- und Bewältigungsprozesse uneindeutigen Verlusts in Erzählungen im Zeitverlauf zu untersuchen.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit.
Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil.
Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet.
Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen.
In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde.
Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte.
Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...
Fragestellung und Ziele
Die vorliegende Dissertation untersucht, auf welche Weisen der Roman Lodore von Mary Shelley die Erziehung von Mädchen inhaltlich und stilistisch gestaltet. Daran anknüpfend erforscht die Arbeit, welche Implikationen die Art der Darstellung für die Interpretation des gesamten Romans birgt. Die Analyse der Inszenierung der Mädchenerziehung dient somit als Basis und Fokuspunkt, durch welchen sich die weitere Erforschung der Sprache und Mechanismen des Romans sowie von Shelleys schriftstellerischer Handwerkskunst entwickelt.
Die Zielsetzung ist darauf ausgerichtet, zur Wiederentdeckung von Lodore beizutragen und eine holistische Neubewertung der Autorin Mary Shelley sowie ihres Spätwerks anzuregen. In Abgrenzung zum Gros der wissenschaftlichen Abhandlungen zu Mary Shelleys Spätwerk konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf den Text als solchen in seiner Gestalt, seinem Inhalt und seinen Aussagen. Shelleys Biographie und ihre weiteren Veröffentlichungen wie etwa Frankenstein werden derweil bewusst ausgeblendet. Untersucht werden somit ausschließlich der Roman Lodore und das darin manifestierte Handwerk der Autorin, nicht jedoch ihr restliches Werk, ihre Person oder ihr Lebensumfeld.
Methodik
Da Lodore das Thema Mädchenerziehung nicht explizit thematisiert, entwickelt und erprobt die vorliegende Abhandlung eine Methodik, die es ermöglicht, einen Text auf Aspekte hin zu erforschen, welche er nur peripher zu tangieren scheint. Um jene für den Untersuchungsschwerpunkt relevanten Details identifizieren zu können, die in den Text beiläufig, untergründig oder selbstverständlich verwoben sind und die Erziehung von Mädchen charakterisieren, stützt sich die Arbeit auf eine diskursanalytische und kulturwissenschaftliche Betrachtung dessen, was der Begriff „Mädchenerziehung“ im Kontext des 18. und 19. Jahrhunderts umfasst.
Fundament dieser Sensibilisierung für die zeitgenössische, historische Perspektive auf die Erziehung von Mädchen sind, erstens, Abhandlungen der historischen Bildungsforschung zu Mädchenerziehung im 18. und 19. Jahrhundert in Europa und speziell in England. Zweitens werden aktuelle, wissenschaftliche Abhandlungen über den historischen Diskurs von Erziehungstheoretikern /-theoretikerinnen über Mädchenerziehung dazu genutzt, ein grundlegendes Verständnis aus moderner Perspektive auf die damaligen Denkmuster und Fragestellungen zu gewinnen. Drittens wird die Sensibilisierung für die zeitgenössischen Überlegungen und Ausdrucksweisen zum Thema Mädchenerziehung abgerundet durch das eigenständige Studium originaler Publikationen von Erziehungstheoretikern /-theoretikerinnen. Feinabgestimmt auf die Problemfelder und die historischen, erziehungsphilosophischen Grundpositionen untersucht die Arbeit in intensivem close reading die Darstellung der Mädchenerziehung und deren resultierenden Einfluss auf das Leben und Verhalten der weiblichen Figuren in Lodore.
Ergebnisse
Die Abhandlung erkennt unter der zunächst konventionell und unanstößig anmutenden Textoberfläche einen systematisch konstruierten, konsistenten Subtext. Die Dissertation charakterisiert die wiederkehrenden Techniken und sprachlichen Muster, mit denen der Subtext implementiert ist. Dadurch macht sie nachvollziehbar, inwiefern die emotionale Reaktion des Lesers auf den Roman im Sinne von Unverständnis, Irritation oder Amüsement nicht zufällig auftritt, sondern durch Mary Shelleys schriftstellerisches Handwerk bewusst provoziert wird.
Im Subtext verborgen identifiziert die Dissertation, erstens, eine Einladung zur kritischen Betrachtung systemkonformer Wertvorstellungen zum Leben von Frauen in der Familie und in der Gesellschaft. Dabei demonstriert die Interpretation, wie der Roman traditionelle und literarische Idealisierungen von „Weiblichkeit“ entzaubert, während er gleichzeitig alternative, geschlechtsneutrale Lebensentwürfe für Frauen anerkennend präsentiert.
Zweitens beobachtet die Arbeit im Subtext vielfältige Hinweise auf Missstände im Lebensalltag von Frauen und weist nach, dass der Roman insbesondere Momente der geschlechtsdiskriminierenden Vorverurteilung durchgängig inszeniert. Diese Problematisierung versteht die Dissertation als eine Aufforderung an den Leser / die Leserin, den eigenen Leseprozess des Romans in Bezug auf Informationsdistribution, Disposition und Verteilung der Sympathien selbstkritisch zu reflektieren.
Drittens entdeckt die Abhandlung im Subtext des Romans, dass Lodore unterschiedliche Ansätze der Mädchenerziehung in Bezug auf die Ausbildung von „Weiblichkeit“ polyperspektivisch erkundet. Die Untersuchung zeigt auf, dass der Roman drei verschiedene Modelle der Mädchenerziehung einander gegenüberstellt, die sich ideologisch mitunter diametral gegenüberstehen. Die Analyse beschreibt, inwiefern sich die drei Modelle mit den gleichen Herausforderungen innerhalb der Mädchenerziehung beschäftigen. Hierbei wird ausgeführt, auf welche Weise der Roman die unterschiedlichen Lösungsansätze auslotet, die von den drei Modellen auf diese konkreten Problemstellungen angeboten werden und sie abwägend, jedoch ohne kategorische Abwertung nebeneinander positioniert. Die Arbeit resümiert, dass der Roman einerseits die Bedeutung, Ausbildung und Konsequenz von „Weiblichkeit“ durch Erziehung, und andererseits das Leben, die Ziele und das Verhalten einer Frau innerhalb der Gesellschaft als Resultat solcher Erziehung kritisch prüft. Im Zuge dessen veranschaulicht die Dissertation, welche Aussagen und Suggestionen der Subtext dabei in Bezug auf die Themenkomplexe „Weiblichkeit“ und „Erziehung“ transportiert.
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High-energy astrophysics plays an increasingly important role in the understanding of our universe. On one hand, this is due to ground-breaking observations, like the gravitational-wave detections of the LIGO and Virgo network or the black-hole shadow observations of the EHT collaboration. On the other hand, the field of numerical relativity has reached a level of sophistication that allows for realistic simulations that include all four fundamental forces of nature. A prime example of how observations and theory complement each other can be seen in the studies following GW170817, the first detection of gravitational waves from a binary neutron-star merger. The same detection is also the chronological starting point of this Thesis. The plethora of information and constraints on nuclear physics derived from GW170817 in conjunction with theoretical computations will be presented in the first part of this Thesis. The second part goes beyond this detection and prepares for future observations when also the high-frequency postmerger signal will become detectable. Specifically, signatures of a quark-hadron phase transition are discussed and the specific case of a delayed phase transition is analyzed in detail. Finally, the third part of this Thesis focuses on the inclusion of radiative transport in numerical astrophysics. In the context of binary neutron-star mergers, radiation in the form of neutrinos is crucial for realistic long-term simulations. Two methods are introduced for treating radiation: the approximate state-of-the-art two-moment method (M1) and the recently developed radiative Lattice-Boltzmann method. The latter promises
to be more accurate than M1 at a comparable computational cost. Given that most methods for radiative transport or either inaccurate or unfeasible, the derivation of this new method represents a novel and possibly paradigm-changing contribution to an accurate inclusion of radiation in numerical astrophysics.
The topic of this thesis is the theoretical description of the hadron gas stages in heavy-ion collisions. The overall addressed question hereby is: How does the hadronic medium evolve i.e. what are the relevant microscopic reaction mechanisms and the properties of the involved degrees of freedom? The main goal is to address this question specifically for hadronic multi-particle interactions. For this goal, the hadronic transport approach SMASH is extended with stochastic rates, which allow to include detailed balance fulfilling multi-particle reactions in the approach. Three types of reactions are newly-accounted for: 3-to-1, 3-to-2 and 5-to-2 reactions. After extensive verifications of the stochastic rates approach, they are used to study the effect of multi-particle interactions, particularly in afterburner calculations.
These studies follow complementary results for the dilepton and strangeness production with only binary reactions, which show that hadronic transport approaches are capable of describing observables when employed for the entire evolution of low-energy heavy-ion collisions. This is illustrated by the agreement of dilepton and strangeness production for smaller systems with SMASH calculations. It is, in particular, possible to match the measured strangeness production of phi and Xi hadrons via additional heavy nucleon resonance decay channels. For larger systems or higher energies, hadronic transport cascade calculations with vacuum resonance properties can point to medium effects. This is demonstrated extensively for the dilepton emission in comparisons to the full set of HADES dielectron data. The dilepton invariant mass spectra are sensitive to a medium modification of the vector meson spectral function for large collision systems already at low beam energies. The sensitivity to medium modifications is mapped out in detail by comparisons to a coarse-graining approach, which employs medium-modified spectral functions and is based on the same evolution.
The theoretical foundation of stochastic rates are collision probabilities derived from the Boltzmann equation's collision term with the assumption of a constant matrix element. This derivation is presented in a comprehensive and pedagogical fashion. The derived collision probabilities are employed for a stochastic collision criterion and various detailed-balance fulfilling multi-particle reactions: the mesonic Dalitz decay back-reaction (3-to-1), the deuteron catalysis (3-to-2) and the proton-antiproton annihilation back-reaction (5-to-2). The introduced stochastic rates approach is extensively verified by studies of the numerical stability and comparisons to previous results and analytic expectations. The stochastic rates results agree perfectly with the respective analytic results.
Physically, multi-particle reactions are demonstrated to be significant for different observables, most notably the yield of the partaking particles, even in the late dilute stage of heavy-ion reactions. They lead to a faster equilibration of the system than equivalent binary multi-step treatments. The difference in equilibration consequently influences the yield in afterburner calculations. Interestingly, the interpretation of results is not dependent on employing multi-particle or multi-step treatments, which a posteriori validates the latter.
As the first test case of multi-particle reactions in heavy-ion reactions, the mesonic 3-to-1 Dalitz decay is found to be dominated by the omega Dalitz decay back-reaction. While the effect on the medium is found to be negligible overall, the regeneration is found to be sizable: up to a quarter of Dalitz decays are regenerated.
Non-equilibrium rescattering effects are shown to be relevant for late collision stages for two particle species: deuteron and protons. In both cases, the relevant rescatterings involve multiple particles.
The deuteron pion and nucleon catalysis reactions equilibrate quickly in the afterburner stage at intermediate energies. The constant formation and destruction keeps the yield constant and microscopically explains the "snowballs in hell"-paradox. The yield is also generated with no d present at early times, which explains why coalescence models can also match the multiplicity.
New is the study of the 5-body back-reaction of proton-antiproton annihilations. This work marks the first realization of microscopic 5-body reactions in a transport approach to fulfill detailed balance for such reactions. A sizable regeneration due to the back-reaction of up to half of the proton-antiproton pairs lost due to annihilations is found. Consequently, both annihilation and regeneration in the late non-equilibrium stage are shown to have a significant effect on the p yield.
Monte Carlo methods : barrier option pricing with stable Greeks and multilevel Monte Carlo learning
(2021)
For discretely observed barrier options, there exists no closed solution under the Black-Scholes model. Thus, it is often helpful to use Monte Carlo simulations, which are easily adapted to these models. However, as presented above, the discontinuous payoff may lead to instability in option's sensitivities for Monte Carlo algorithms.
This thesis presents a new Monte Carlo algorithm that can calculate the pathwise sensitivities for discretely monitored barrier options. The idea is based on Glasserman and Staum's one-step survival strategy and the results of Alm et al., with which we can stably determine the option's sensitivities such as Delta and Vega by finite-differences. The basic idea of Glasserman and Staum is to use a truncated normal distribution, which excludes the values above the barrier (e.g.\ for knock-up-out options), instead of sampling from the full normal distribution. This approach avoids the discontinuity generated by any Monte Carlo path crossing the barrier and yields a Lipschitz-continuous payoff function.
The new part will be to develop an extended algorithm that estimates the sensitivities directly, without simulation at multiple parameter values as in finite-difference.
Consider the local volatility model, which is a generalisation of the Black-Scholes model. Although standard Monte Carlo algorithms work well for the pricing of continuously monitored barrier options within this model, they often do not behave stably with respect to numerical differentiation.
To bypass this problem, one would generally either resort to regularised differentiation schemes or derive an algorithm for precise differentiation. Unfortunately, while the widespread solution of using a Brownian bridge approach leads to accurate first derivatives, they are not Lipschitz-continuous. This leads to instability with respect to numerical differentiation for second-order Greeks.
To alleviate this problem - i.e. produce Lipschitz-continuous first-order derivatives - and reduce variance, we generalise the idea of one-step survival to general scalar stochastic differential equations. This approach leads to the new one-step survival Brownian bridge approximation, which allows for stable second-order Greeks calculations.
To show the new approach's numerical efficiency, we present a new respective Monte Carlo pathwise sensitivity estimator for the first-order Greeks and study different methods to compute second-order Greeks stably. Finally, we develop a one-step survival Brownian bridge multilevel Monte Carlo algorithm to reduce the computational cost in practice.
This thesis proves unbiasedness and variance reduction of our new, one-step survival version with respect to the classical, Brownian bridge approach. Furthermore, we will present a new convergence result for the Brownian bridge approach using the Milstein scheme under certain conditions. Overall, these properties imply convergence of the new one-step survival Brownian bridge approach.
In recent years, deep learning has become pervasive in various fields. As a family of machine learning methods it is used in a broad set of applications, such as image processing, voice recognition, email filtering, computer vision. Most modern deep learning algorithms are based on artificial neural networks inspired by the biological neural networks constituting animal brains. Also in computational finance deep learning may be of use: Consider there is no closed-solution available for an option price, Monte Carlo simulations are substantially for estimation. Instead of persistently contributing new price computations arising from an updated volatility term, one could replace these by evaluating a neural network.
If an according neural network is available, the evaluation could lead to substantial savings and be highly efficient. I.e., once trained, a neural network could save further expensive estimations. However, in practice, the challenge is the training process of the neural network.
We study and compare two generic neural network training algorithms' computational complexity. Then, we introduce a new multilevel training algorithm that combines a deep learning algorithm with the idea of multilevel Monte Carlo path simulation. The idea is to train several neural networks with training data computed from the so-called level estimators of the multilevel Monte Carlo approach introduced by Giles. We show that the new method can reduce computational complexity by formulating a complexity theorem.
The main topic of the present thesis is scene flow estimation in a monocular camera system. Scene flow describes the joint representation of 3D positions and motions of the scene. A special focus is placed on approaches that combine two kinds of information, deep-learning-based single-view depth estimation and model-based multi-view geometry.
The first part addresses single-view depth estimation focussing on a method that provides single-view depth information in an advantageous form for monocular scene flow estimation methods. A convolutional neural network, called ProbDepthNet, is proposed, which provides pixel-wise well-calibrated depth distributions. The experiments show that different strategies for quantifying the measurement uncertainty provide overconfident estimates due to overfitting effects. Therefore, a novel recalibration technique is integrated as part of the ProbDepthNet, which is validated to improve the calibration of the uncertainty measures. The monocular scene flow methods presented in the subsequent parts confirm that the integration of single-view depth information results in the best performance if the neural network provides depth distributions instead of single depth values and contains a recalibration.
Three methods for monocular scene flow estimation are presented, each one designed to combine multi-view geometry-based optimization with deep learning-based single-view depth estimation such as ProbDepthNet. While the first method, SVD-MSfM, performs the motion and depth estimation as two subsequent steps, the second method, Mono-SF, jointly optimizes the motion estimates and the depth structure. Both methods are tailored to address scenes, where the objects and motions can be represented by a set of rigid bodies. Dynamic traffic scenes are one kind of scenes that essentially fulfill this characteristic. The method, Mono-Stixel, uses an even more specialized scene model for traffic scenes, called stixel world, as underlying scene representation.
The proposed methods provide new state of the art for monocular scene flow estimation with Mono-SF being the first and leading monocular method on the KITTI scene flow benchmark at the time of submission of the present thesis. The experiments validate that both kind of information, the multi-view geometric optimization and the single-view depth estimates, contribute to the monocular scene flow estimates and are necessary to achieve the new state of the art accuracy.
In this thesis, molecular dynamics (MD) simulations are used to study the interaction of different proteins with lipid bilayers. MD simulations can be used as a “computational microscope” to gain atomistic insights into the interactions between proteins and lipids that can barely be accessed in such detail by experimental methods. The different chapters of this thesis address the lipid sensing functionality of amphipathic helices (AHs) when bound to membranes, the folding of AHs at lipid-water interfaces as well as the conformational dynamics of the HIV-1 Env glycoproteins in viral-like and experimental bilayers. In the last chapter the possibilities to enhance the performance of MD simulations are explored, leading to a more efficient usage of computational resources.