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Clean water is fundamental to human health and ecosystem integrity. However, water quality deteriorates due to novel anthropogenic pollutants present at microgram per liter concentrations in urban water cycles (termed micropollutants). Wastewater treatment plants (WWTP) have been identified as major point sources for aquatic (micro-)pollutants. Chemical and ecotoxicological analyses have shown that conventional biological WWTPs do not fully remove micropollutants and associated toxicities, which is often because of mobile, polar and/or recalcitrant compounds and transformation products (TPs). To minimize possible environmental risks, advanced wastewater treatment (AWWT) technologies could be a promising mitigation measure. Multiple processes are therefore being developed and evaluated such as ozonation and ozonation followed by granulated activated carbon (GAC) or biological filtration. Assessing the performance of these combined AWWTs was the focus the TransRisk project. Within this project, this thesis accomplished four major goals.
Firstly, the preparation of (waste)water samples was optimised for in vitro bioassays. Acidification, filtration and solid phase extraction (SPE) were tested for their impact on environmentally relevant in vitro endocrine activities, mutagenicity, genotoxicity and cytotoxicity. Significantly different outcomes of these assays were detected comparing neutral and acidified samples. Sample filtration had a lesser impact, but in some cases retention of particle-bound compounds could have caused significant toxicity losses. Out of three SPE sorbents the Telos C18/ENV at sample pH 2.5 extracted highest toxicity, some undetected in aqueous samples. These results indicate that sample preparation needs to be optimised for specific sample matrices and bioassays to avoid false-positive or -negative detects in effect-based analyses.
Secondly, the above listed in vitro toxicities were monitored in a protected region for drinking water production in South-West Germany (2012-2015). Out of 30 sampling sites surface water and groundwater were the least polluted. Nonetheless, a few groundwater samples induced high anti-estrogenic activity that prompted further monitoring. The latter included a waterworks in which no toxicity was detected. Hospital wastewater also had elevated in vitro toxicities and hospitals are, thus, relevant intervention points for source control. The biological WWTPs were effective in removing most of the detected toxicity, and the selected bioassays proved to be pertinent tools for water quality assessment and prioritisation of pollution hotspots.
Thirdly, the in vivo bioassay ISO10872 based on Caenorhabditis elegans (C. elegans) was adapted for this thesis. Using this model, a median effect concentration (EC50) for reproductive toxicity of the polycyclic aromatic hydrocarbon β-naphthoflavone (β- NF) of 114 µg/L was computed which is slightly lower than reported in the scientific literature. β-NF induced cyp-35A3::GFP (a biomarker in transgenic animals) in a time and concentration dependent manner (≤ 21.3–24 fold above controls). β-NF spiked wastewater samples supported earlier hypotheses on particle-bound pollutants. Reproductive toxicity (96 h) and cyp-35A3 induction (24 h) of biologically treated and/or ozonated wastewater extracts and growth promoting effects of GAC/biologically filtered ozonated wastewater extracts were observed. This suggested the presence of residual bioactive/toxic chemicals not included in the targeted chemical analysis. It also highlighted the importance of integrating multiple (apical and molecular) endpoints in wastewater assessments.
Fourthly, five in vitro and the adapted C. elegans bioassay were integrated into a wastewater quality evaluation (developed within TransRisk). Out of the five AWWT options, ozonation (at 1 g O3,applied/g DOC, HRT ~ 18 min) combined with nonaerated GAC filtration was rated most effective for toxicity removal. All five AWWTs largely removed estrogenic and (anti-)androgenic activities, but not anti-estrogenic activity and mutagenicity, which even increased during ozonation. This has been observed in related studies and points towards toxic TPs. These results also emphasized the need for implementing an effective post-treatment for ozonation. The results from a parallel in vivo study with Lumbriculus variegatus and Potamopyrgus antipodarum conducted on site at the WWTP (using flow through systems) were in accordance with the C. elegans results. In this context, it is suggested to further implement C. elegans as sensitive, feasible and ecologically relevant model.
In conclusion, this thesis shows how optimised sample preparation, long-term (in vitro) environmental monitoring, sensitive and ecologically relevant (in vivo) bioassays as well as innovative evaluation concepts, are pivotal in improving the removal of micropollutants and their toxicities with AWWTs. Future research should further develop and evaluate measures at sewer systems, conventional biological, tertiary and other advanced treatment technologies, as well as sociopolitical strategies (e.g., source control or natural conservation) and restoration projects. The effect-based tools optimised in this thesis will support assessing their success.
In the past decades, the use and production of chemicals has been on the rise globally due to increasing industrialization and intensive agriculture; resulting in the occurrence and ecotoxicological risks of chemicals of emerging concern (CECs) in the aquatic compartments. Risks include changes in community structure resulting in the dominance of one species and ecosystem imbalance. When dominant disease-causing organisms are in the environment, the disease transmission is increased. For example, host snails for the schistosomiasis, a human trematode disease, are known to be tolerant to pesticide
exposure compared to the predators. This would therefore result in an increased abundance of snails which consequently increase the disease transmission in the human population.
Kenya, being a low income country faces a lot of challenges with provision of clean water, diseases and sanitation facilities, and increasing population which results in intensive agriculture coupled with pesticide use. Although a lot of research has been carried out on the environmental occurrence and risk of CECs (Chapter 1), most of these studies have been done in developed countries with limited information from Africa. Additionally, research in Africa focused on urban areas with limited number of compounds analyzed and mostly in the water phase, and inadequate information on the effects of CECs on the aquatic organisms. In order to reduce this knowledge gap, this dissertation focused on identification and quantification of CECs present in water, sediment and snails from western Kenya, and the contribution of pesticides to the transmission of schistosomiasis.
Chapter 2 gives a summary of the results and discussion of the dissertation. In Chapter 3, a comprehensive chemical analysis was carried out on 48 water samples to identify compounds, spatial patterns and associated risks for fish, crustacean and algae using toxic unit (TU) approach. A total of 78 compounds were detected with pesticides and biocides being the compounds most frequently detected. Spatial pattern analysis revealed limited compound grouping based on land use. Acute risk for crustaceans and algae were driven by one to three individual compounds. These compounds responsible for toxicity were prioritized as candidate compounds for monitoring and regulation in Kenya.
In Chapter 4, an extension of Chapter 3 was done to cover the CECs present in snails and sediment from the 48 sites. A total of 30 compounds were found in snails and 78 in sediments with 68 additional compounds being found which were not previously detected in water. Higher contaminant concentrations were found in agricultural sites than in areas without anthropogenic activities. The highest acute toxicity (TU 0.99) was determined for crustaceans based on compounds in sediment samples. The risk was driven by diazinon and pirimiphos-methyl. Acute and chronic risks to algae were driven by diuron whereas fish were found to be at low to no acute risk.
In Chapter 5, the effect of pesticide contamination on schistosomiasis transmission was evaluated by applying complimentary laboratory and field studies. In the field studies, the ecological mechanisms through which pesticides and physical chemical parameters affect host snails, predators and competitors were investigated. Pesticide data was obtained from the results in chapter 3. The overall distribution of grazers and predators was not affected by pesticide pollution. However, within the grazers, pesticide pollution increased dominance of host snails. On the contrary, the host-snail competitors were highly sensitive to pesticide exposure. For the laboratory studies, macroinvertebrates including Schistosoma-host snails, competitors and predators were exposed to 6 concentrations levels of imidacloprid and diazinon. Snails showed higher insecticide tolerance compared to competitors and predators. Finally, Chapter 6 summarizes the conclusions of this dissertation, placing it in a broader
context. In this dissertation, a comprehensive chemical characterization and risk assessment of CECs has been carried out in freshwater systems; together with the effects of pesticides on schistosomiasis transmission in rural western Kenya. Results of this dissertation showed that rural areas are contaminated posing a risk to aquatic organisms which contribute to schistosomiasis transmission. This shows the need for regular monitoring and policy formulation to reduce pollutant emissions which contributes negatively to both ecological and human health effects.
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+“).
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.
The main focus of research in the field of high-energy heavy-ion physics is the study of the quark-gluon plasma (QGP). Topic of the present work is the measurement of electron-positron pairs (dielectrons), which grant direct access to some of the key properties of this state of matter, since after their formation they leave the hot and dense medium without significant interaction. In particular, the measurement of the initial QGP temperature is considered a "holy grail" of heavy-ion physics. Therefore, in addition to the analysis of existing data, a feasibility study has been conducted to determine to which extent this goal would be achievable by upgrading the ALICE experiment at CERN.
Dielectrons are produced during all stages of a heavy-ion collision, with their invariant mass reflecting the amount of energy available at the time of their formation. Dielectrons of highest mass are thus produced in the initial scatterings of the colliding nuclei by quark-antiquark annihilation. Correlated electron-positron pairs can also emerge from the decay chains of early-produced pairs of heavy-flavour (HF) particles. During the QGP stage and at the beginning of the hadronic phase, the system emits thermal radiation in the form of photons and dielectrons, which carry information about the medium temperature to the observer. In the final stage of the collision, decays of light-flavour (LF) hadrons produce additional contributions to the dielectron spectrum.
The present work is based on early data from the ALICE experiment recorded from lead-lead collisions at a center-of-mass energy of 2.76 TeV. Due to the limited amount of data, a focus is placed on achieving high efficiencies throughout the analysis. To this end, a special electron identification strategy is developed and a custom track selection applied, together resulting in a tenfold increase in pair efficiency. The dielectron spectrum is evaluated on a statistical basis, using a pair prefilter, which is optimized based on two signal quality criteria, to reduce the fraction of electrons and positrons from unwanted sources at minimum signal loss. In addition, an artifact of the track reconstruction is exploited to suppress pairs from photon conversions and to correct the dielectron yield for a contribution from different-conversion pairs. The main signal uncertainty is extracted from the deviation between results of 20 analysis settings and amounts to 20% in most of the studied kinematic range.
For comparison with the analysis results, a hadronic cocktail consisting of the LF and HF contributions is simulated, which can reasonably well describe the measured dielectron production, with a hint of an enhancement at low invariant mass. Two approaches to model the in-medium modification of the heavy-flavour are followed, resulting in up to 50% suppression, which creates some additional space for a thermal contribution at intermediate mass.
For a complete comparison between experimental data and theoretical expectation, two model calculations are consulted. The Thermal Fireball Model provides predictions for thermal dielectron radiation from the QGP and hadron gas. The data tends to be better described with these additional thermal contributions. For a comparison with a prediction by the UrQMD model, the HF component of the cocktail is subtracted from the data. This results in better agreement if the HF suppression by in-medium effects is taken into account.
The feasibility study in this work has served as a physical motivation for the ALICE upgrade for LHC Run 3. The precision with which the early temperature of the QGP can be determined via dielectrons is chosen as key observable. A multitude of individual contributions are merged into a fully modeled dielectron analysis. The resulting signal-to-background ratio represents some of the expected systematic uncertainties, while from the significance combined with the planned number of lead-lead collisions a realistic "measurement" with statistical fluctuations around the expected dielectron signal is generated using a Poisson sampling technique. Since the HF yield exceeds the QGP thermal radiation by about an order of magnitude, an additional analysis step exploiting the enhanced track reconstruction is introduced to reduce its contribution by up to a factor of five. The resulting reduction in pair efficiency is overcompensated by an up to hundred times higher collision rate. The entire cocktail is then subtracted from the sampled data to isolate the thermal excess yield. The final analysis of this spectrum shows that the inverse slope of the model prediction, which depends directly on the QGP temperature, can be reproduced within statistical and systematic uncertainties of about 10%.
The promising results of this study have contributed on the one hand to the realization of the ALICE upgrade and to a design decision for the new Inner Tracking System, and at the same time represent exciting predictions for upcoming measurements.
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.
In recent years, several neuronal differentiation protocols were published that circumvent the requirement of embryoid body (EB) formation under serum-deprivation and simplified medium conditions. But a neuronal default model to establish an approach that works efficiently for all pluripotent cells and neuronal precursors is still lacking. Whether such a default neural mechanism exist and how this is implemented across a broad spectrum of cell source, is addressed in several studies and still controversially discussed. It was proposed that the default neuronal fate is initiated in the absence of extrinsic signals and is achieved by eliminating extracellular inhibitors of neuroectodermal fate and suppressing cell-cell signalling through limited cell density. Previous studies reported that ESC and ECC grown at low density and in absence of exogenous factors or feeder layers die within 24 h but acquire a neural identity as indicated by expression of the neural marker Nestin. Thus, this application is not suitable for generating neural cultures. Furthermore, it was reported that P19 cells survive and express neuroectodermal marker genes in serum-free DMEM/F12 medium containing transferrin, insulin, and selenite, although no neurites were identified.
Based on this background, in this study, a novel approach to induce neuronal differentiation in vitro was developed that implements a nutrient-poor environment, which, in contrast to previous studies, ensures the survival of neuronally differentiated cells over a long period of time and allows normal formation of neurites. Neither the formation of free-floating aggregates nor supplementation of growth factors or known inducers was required to establish a reliable neuronal differentiation protocol. A simple medium, consisting of DMEM/F12+N2 that was highly diluted in salt solution, was sufficient to drive a fast neuronal differentiation in monolayer cultures. Serum deprivation and strong dilution of DMEM/F12+N2 medium cause a nutrient-poor environment in which the influence of growth factors and inducers is minimized. This medium creates a metabolically defined environment that is presumably free of extrinsic signals that prevent the decision of neuronal fate. Analysis of the medium components discovered no actual inducer. Hence, it was suggested that the metabolic composition of the medium exclusively covers specific cell requirements of neurons, therefore ensures their survival, and drives the switch from pluripotent cells to neurons. The self-developed method was established by usage of the murine embryonal carcinoma cell line P19 and could be transferred to murine ESC. Consequently, the method could provide a feasible protocol for a generally valid neuronal default model.
The established protocol provides several advantages such as the possibility to generate stable pure neuronal cultures by a fast, simple, and highly reproducible one-step induction under defined medium conditions with a minimum of exogen effectors. The method is characterised by clear and steady medium conditions that makes the investigation of specific cell requirements during differentiation accessible. It is therefore expected to be a useful tool to investigate the molecular basis of neuronal differentiation as well as for high throughput screenings. The phenotype of mature postmitotic neurons was arising within one week and cultures were shown to stay stable at least for three weeks. The neuronal identity was confirmed by expression of neuronal markers through immunofluorescence staining and mass spectrometry analysis. Furthermore, increased levels of axon markers were detected in early neuronal differentiation and functionality of the synapses of the P19-derived neurons was ascertained by detection of calcium activity. Axonal laser ablation, immediately followed by fast regrowth of connections in the neuronal network, revealed a strong regeneration potential under the given conditions. Furthermore, the generated neurons showed a morphologically distinct phenotype and the formation of neural rosettes. Immunofluorescence staining demonstrated the generation of pure and homogeneous neuronal cultures, free of glial cells.
Retinoic acid (RA) plays an essential role in cell signalling during embryogenesis and efficiently induces neuronal differentiation in vitro in a concentration dependent manner. Neither retinol nor retinoic acid was included in any of the components of the self-prepared medium in this work. However, I observed, dependence on RARβ- and/or RARγ-regulated RA signalling in serum-free monolayer cultures. Nevertheless, neuronal differentiation in serum-free monolayer cultures was assumed to be RARα-independent because (i) RARα was slightly downregulated after neuronal induction, (ii) the truncated RARα of the RAC65 mutant had no effect on induction efficiency, and (iii) a pan-RAR inhibitor suppressed neuronal differentiation. In contrast to serum-free monolayer cultures, the truncated RARα prevented neuronal differentiation by application of the conventional protocol where cells are grown in free floating cell aggregates in serum-containing medium. Proteome analysis of P19 cells, treated by the self-developed differentiation protocol over five days showed increased levels of cellular RA binding proteins that mediate the cellular RA transport and are involved in canonical as well as non-canonical RA signalling.
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Genetic engineering of Saccharomyces cerevisiae for improved cytosolic isobutanol biosynthesis
(2021)
The finite nature of fossil resources and the environmental problems caused by their excessive usage requires alternative approaches. The transformation from a fossil based economy to one based on renewable biomass is called a “bioeconomy”. To substitute fossil resources, various microorganisms have already been modified for the biosynthesis of valuable chemicals from biomass. However, the development of such efficient microorganisms at an industrial scale, remains a major challenge. The most prominent and robust microorganism for industrial production is the yeast Saccharomyces cerevisiae, which is known to produce ethanol that is used as renewable biofuel. However, S. cerevisiae is also naturally able to produce isobutanol in small amounts. Isobutanol is favoured as a biofuel compared to ethanol due to its higher octane number and lower hygroscopicity, which makes it more suitable for application in conventional combustion engines. In S. cerevisiae, the biosynthesis of isobutanol is permitted by the combination of mitochondrial valine synthesis (catalysed by Ilv2, Ilv5 and Ilv3) and its cytosolic degradation (catalysed by Aro10 and Adh2). The different compartmentalisation of the two pathways limit isobutanol biosynthesis. Thus, Brat et al. (2012) were able to increase the isobutanol yield up to 15 mg/gGlc by cytosolic re localisation of the enzymes Ilv2Δ54, Ilv5Δ48 and Ilv3Δ19 (cyt-ILV), with simultaneous deletion of ilv2. This corresponds to approximately 3.7% of the theoretical yield of 410 mg/gGlc, implying existing limitations in isobutanol biosynthesis, which have been investigated in this work.
For yet unknown reasons, isobutanol was only produced by S. cerevisiae in a valine free medium, according to Brat et al. (2012). This work shows that this can be attributed to the catalytic activity of Ilv2Δ54, which acted as growth inhibitor to S. cerevisiae. By this logic, a negative selection on the ILV2∆54 gene was exerted, which made the ilv2 deletion and simultaneous valine exclusion necessary to maintain the functional expression of toxic ILV2∆54. Furthermore, it was shown that valine exclusion is not mandatory due to the feedback regulation of Ilv2, permitted by Ilv6. Rather, increased isobutanol yield was observed when cytosolic Ilv6∆61 was expressed in the valine free medium, which is explained by the enhanced regulation of Ilv2Δ54 by Ilv6∆61 when BCAA are absent. Isobutanol biosynthesis is neither redox nor NAD(P)H co factor balanced. It was seen that co factor imbalance could be mitigated by the expression of an NADH oxidase (NOX), but not by expression of the NADH dependent ilvC6E6, since the latter showed low in vivo activity. Furthermore, it was seen that NAD(H) imbalance did already limit isobutanol biosynthesis, but the NADP(H) imbalance did not. Another limitation of cytosolic isobutanol biosynthesis is the secretion of the intermediate 2‑dihydroxyisovalerate, which then no longer is taken up by S. cerevisiae, causing a reduced isobutanol yield. This is attributed to insufficient Ilv3∆19 activity, due to poor iron sulphur cluster apo protein maturation. Therefore, it was aimed to replace Ilv3∆19 by heterologous dihydroxyacid dehydratases. Even though some of the enzymes were functionally expressed, none showed better in vivo activity than Ilv3∆19. Therefore, the Ilv3∆19 apo protein maturation was improved. This was achieved by the genomic deletion of fra2 or pim1 as well as by the cytosolic expression of Grx5∆29.
In addition to the isobutanol pathway, S. cerevisiae was optimised for isobutanol biosynthesis by rational and evolutionary engineering. For this purpose, the genes which are necessary for isobutanol production were integrated into the ilv2 locus, and the resulting strain was evolved in a medium containing the toxic amino acid analogue norvaline. Evolved single colonies were isolated, which presented improved growth and increased isobutanol yields (0.59 mg/gGlc) in a valine free medium, as compared to the initial strain. This is explained by a gene dosage effect which occurred during the evolutionary engineering experiment. In collaboration with Dr. Wess, the genes ilv2, bdh1/2, leu4/9, ecm31, ilv1, adh1, gpd1/2 and ald6 were cumulatively deleted in CEN.PK113 7D to block competing metabolic pathways. The resulting strain JWY23 achieved isobutanol yields up to 67.3 mg/gGlc, when expressing the cyt ILV enzymes from a multi copy vector. The most promising approaches of this work, namely the deletion of fra2 and the expression of Grx5∆29, Ilv6∆61, and NOX, were confirmed in this JWY23 strain. The highest isobutanol yield from this work was observed at 72 mg/gGlc for Ilv6∆61 and cyt ILV enzymes expressing JWY23, which corresponds to 17.6% of the theoretical isobutanol yield.
Isobutyric acid (IBA) is a by product of isobutanol biosynthesis, but it is also considered a valuable platform chemical. Therefore, the approaches that improved isobutanol biosynthesis were applied to the biosynthesis of IBA in S. cerevisiae. The highest IBA yield of 9.8 mg/gGlc was observed in a valine free medium by expression of cyt ILV enzymes, NOX and Ald6 in JWY04 (CEN.PK113 7D Δilv2; Δbdh1; Δbdh2; Δleu4; Δleu9; Δecm31; Δilv1). This corresponded to an 8.9 fold increase compared with the control and is, to our best knowledge, the highest IBA yield reported to date for S. cerevisiae.
Sleep is one of the fundamental requirements of all animals from nematodes to humans. It appears in different formats with shared features such as reduced muscle activities and reduced responsiveness to the environment. Despite the long history of sleep research, why a brain must be taken offline for a large portion of each day remains unknown. Moreover, sleep research focused on mammals and birds reveals two stages, rapid-eye-movement (REM) and slow-wave (SW) sleep, alternating during sleep. Whether these two stages of sleep exist in other vertebrates, particularly reptiles, is debated, as is the evolution of sleep in general.
Recordings from the brain of a lizard, the Australian bearded dragon Pogona vitticeps, indicate the presence of two electrophysiological states and provides a better picture of their sleep. Local field potential (LFP) signals, head velocity, eye movements, and heart rate during sleep match the pattern of REM and SW sleep in mammals. The SW and REM sleep patterns that we observed in lizards oscillated continuously for 6 to 10 hours with a period of 80-100 seconds when the ambient temperature was ~27°C. Lizard SW dynamics closely resemble those observed in rodent hippocampal CA1, yet originated from a brain area, the dorsal ventricular ridge (DVR), that does not correspond anatomically or transcriptomically to the mammalian hippocampus. This finding pushes back the probable evolution of these dynamics to the emergence of amniotes, at least 300 million years ago.
Unlike mammals and birds, REM and SW sleep in lizards occupy an almost equal amount of time during sleep. The clock-like alternation between these two sleep states was found initially by measuring the power modulation of two frequency bands, delta and beta. I recorded the full-band LFP and found an infra-slow oscillation (ISO) in the frequency range between 5 and 20 milli-Hz during sleep. The magnitude of ISO increased during sleep and decreased during both wakefulness and arousal during sleep. The up- and down-states of ISO were synchronized with the sleep state alternating rhythm but with a significant time lag dependent on the locations of the recording electrodes. Multi-site LFP recordings indicated that this ISO is a putative propagation wave sweeping extremely slowly, 30-67 µm/sec, from the posterior-dorsal pole to the anterior-ventral pole of the DVR.
Previous studies in other animals showed that brainstem areas such as the locus coeruleus, laterodorsal tegmentum, and periaqueductal gray are involved in sleep states regulation. It is sadly impossible to carry out in vivo recordings in the lizard brainstem without severely affecting them and their quality of life. I thus carried out ex vivo recordings in both DVR and brainstem. Pharmacological stimulation of the brainstem could reversibly silence one distinct EEG pattern characteristic of SW sleep, the sharp-wave and ripple complex, in DVR. An ISO could be recorded simultaneously in both DVR and brainstem. From data collected in both intact and split ex vivo brains, I concluded that there are independent ISO generators in at least two areas, the brainstem and the telencephalon. Their signals may normally be synchronized by long-range connections. The DVR ISO leads the brainstem ISO by ~29 sec. Optogenetic stimulation of brainstem neurons was able to disrupt the ISO in DVR reversibly.
In conclusion, the lizard brain offers a relatively simple model system to study sleep. Despite a diversity of results in different lizard species, my results revealed a number of new findings. Relevant for sleep research in general: 1) REM and SW sleep exist in a reptile. Since they also exist in birds and mammals, they probably existed in their common amniote ancestor, if not earlier. 2) REM and SW occupy equal amounts of time during sleep (50% duty cycle), a unique feature among all described sleep electrophysiological patterns, suggesting the possible existence of a simple central pattern generator of sleep, possibly ancestral. 3) I discovered the existence, in the local field potential, of an infra slow oscillation with extremely slow propagation, locked to the SW-REM alternating rhythm. The causes and mechanisms of this ISO remain to be understood. To my knowledge, the correlation between sleep states and a slow rhythm has only been reported in human scalp EEG recordings so far.
Die allergische Rhinitis (AR) zählt zu einer der häufigsten chronischen Atemwegserkrankungen und betrifft weltweit etwa 500 Millionen Menschen. Bei einem Teil der Patienten mit rhinitischer Symptomatik lassen sich in den herkömmlichen Tests jedoch keine Hinweise für eine Allergensensibilisierung aufweisen. Diese Patienten wurden in der Vergangenheit häufig der Gruppe der nicht-allergischen Rhinitis (NAR) zugeordnet, welche über 200 Millionen Menschen weltweit betrifft. In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die lokale allergische Rhinitis (LAR) als wichtige Differentialdiagnose zur NAR oder idiopathischen Rhinitis (IR) ergeben. Einige Autoren postulieren, dass bis zu einem Viertel der chronischen Rhinitiker von LAR betroffen sein könnten und bis zu 62,5 % der bisher als NAR oder IR klassifizierten Patienten eine LAR haben könnten. Die LAR wird durch allergiesuggerierende Rhinitissymptome, eine positive Reaktion im nasalen Provokationstest (NPT) mit Inhalationsallergenen und das gelegentliche Vorhandensein spezifischer Antikörper in der Nasen-schleimhaut definiert, ohne dass ein Nachweis systemischer Sensibilisierung zu finden ist.
Da große Unterschiede der LAR-Prävalenzangaben herrschen, war es das Ziel der Arbeit, diese bei Personen mit ganzjähriger Rhinitis herauszufinden und die nasale Mukosa auf lokales spezifisches IgE (sIgE) zu untersuchen.
Hierfür wurden aus einer Gruppe von insgesamt 156 gescreenten Testpersonen 63 weitergehend erforscht. Einundzwanzig Patienten mit ganzjähriger NAR wurden herausgefiltert, untersucht und deren Ergebnisse mit denen von
24 AR Patienten und Hausstaubmilben (HDM)-Allergie sowie 18 Kontrollen verglichen. Wir untersuchten die Ausprägung der klinischen Symptomatik sowie die Reaktion im Haut-Prick-Test, das Gesamt-IgE und sIgE gegen die Milbenspezies Dermatophagoides pteronyssinus (D1) und Dermatophagoides farinae (D2) in Serum und Nasensekret (NS) und führten mit allen einen NPT mit D2 durch. Der NPT wurde mithilfe der Messung des peak nasal inspiratory flow (PNIF) und des Lebel-Scores bewertet.
Während sich die Ausprägung der klinischen Symptomatik der NAR- und AR Patienten sehr ähnelte, wies keiner der NAR-Patienten nasales sIgE gegen HDM oder eine positive Reaktion im NPT gegen D2 auf. Der Nasensummenscore lag sowohl bei AR- und NAR-Patienten im Median bei 11 von 24 Punkten (Range: 6–21 Punkte beziehungsweise 6–20 Punkte) und hob sich signifikant von dem der Kontrollen ab, welche einen Score von 0 Punkten (Range: 0–5 Punkte) aufwiesen. Der Median des sIgE-D1 und sIgE-D2 im NS lag sowohl bei NAR Patienten als auch Kontrollen bei 0,1 kU/L (Range: 0,1–0,1 kU/L) und unterschied sich nicht signifikant voneinander. Im Gegensatz dazu zeigten 94,12 % der untersuchten AR-Proben erhöhtes sIgE-D1 oder sIgE-D2 im NS. Die mediane Konzentration im NS lag bei AR-Patienten für sIgE-D1 bei 1,19 kU/L (Range: 0,1–14,93 kU/L) und für sIgE-D2 bei 2,34 kU/L (Range: 0,1–22,14 kU/L). Der NPT mit D2 war bei 13/14 AR-Patienten (= 92,86 %) und keinem der NAR-Patienten oder Kontrollen positiv. Sowohl die absolute als auch die prozentuale PNIF-Abnahme nach HDM-Provokation unterschied sich zwischen AR-Patienten und Kontrollen sowie zwischen Patienten mit AR und NAR signifikant. Die prozentuale PNIF-Reduktion lag nach HDM-Provokation in der AR-Gruppe bei 55,85 %, der NAR-Gruppe bei 7,14 % und bei Kontrollen bei 0 %. Es ließ sich jedoch kein signifikanter Unterschied zwischen Kontrollen und NAR-Patienten feststellen.
Aufgrund der erhobenen Ergebnisse ist festzuhalten, dass wir nur in der Gruppe der AR positive NPTs und nasales sIgE gegen HDM-Spezies nachweisen konnten und wir demnach für diese Studie eine Prävalenz der LAR unter den NAR-Patienten von 0 % feststellen. Wir gehen in Zusammenschau unserer Befunde daher davon aus, dass die Prävalenz von LAR im Bereich der NAR oder IR in der untersuchten in Deutschland lebenden Population deutlich niedriger sein muss als zuvor in anderen Populationen berichtet.
Protein ubiquitination is a post-translational modification that typically involves the conjugation of ubiquitin to substrate proteins via a three-enzyme cascade and regulates a wide variety of cellular processes. Recent studies have revealed that SidE family of Legionella effectors such as SdeA catalyzes novel phosphoribosyl-linked ubiquitination (PR-ubiquitination) of serines in host substrate proteins utilizing NAD+, without the need of E2, E3. The catalytic core of SdeA comprises a mono-ADP-ribosyltransferase (mART) domain that functions to ADP-ribosylate ubiquitin, and a phosphodiesterase (PDE) domain that processes ADP-ribosylated ubiquitin and transfers the resulting phosphoribosylated ubiquitin to serines of substrates.
To date, extensive efforts have been made to study the function of SdeA and mechanism of SdeA mediated PR-ubiquitination, however, the cellular effects of this novel ubiquitination and phosphoribosylation of ubiquitin remained poorly understood. In our study, using biochemical and cell biological approaches, we explored the biological effect of phosphoribosylation of ubiquitin caused by SdeA in cells. We found that phosphoribosylated ubiquitin is not available for conventional ubiquitination, thereby phosphoribosylation of ubiquitin impairs numerous classical ubiquitination related cellular processes including mitophagy, TNF-α signaling and proteasomal degradation.
The precise temporal regulation of the functions of bacterial effectors during Legionella infection by other effectors with antagonizing activities has been well studied so far. Not surprisingly, PR-ubiquitination catalyzed by SidE family effecters is tightly controlled as well, it has been long known that effector SidJ counteracts the toxicity of SdeA to yeast cells. Interestingly, in an experiment for verifying the activity of SidJ, we found that Legionella lysate lacking SidJ was still able to remove ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates. Using biochemical approach we identified DupA and DupB, two Legionella bacterial effectors that specifically reverse the novel serine PR-ubiquitination catalyzed by SdeA. We found that DupA and DupB possess a highly homologous PDE domain that removes ubiquitin from PR-ubiquitinated substrates by cleaving the phosphodiester bond between the phosphoribosylated-ubiquitin and serines of substrates. Catalytically deficient mutant DupA H67A strongly binds to PR-ubiquitinated proteins but not capable of cleaving PR-ubiquitin, using it as a trapping bait we identified over 180 substrates of PR-ubiquitination, including a number of ER and Golgi proteins.
In particular, we found that exogenously expressed SdeA localizes to the Golgi apparatus via its C-terminal region and disrupts the Golgi. We validated the identified potential substrates of SidE effectors and found that SdeA modifies Golgi tethering proteins GRASP55 and GRASP65. Using mass spectrometry analyses we identified four serine targets (S3, S408, S409, S449) of GRASP55 PR-ubiquitinated by SdeA in vitro. Ubiquitination of GRASP55 serine mutant in cells co-expressing SdeA or infected with Legionella was markedly decreased, compared with that of the wild-type GRASP55. In addition, with co-immunoprecipitation analyses we found that SdeA-catalyzed ubiquitination regulates the function of GRASP55. PR-ubiquitinated GRASP55 exhibited reduced self-interaction compared to unmodified GRASP55, expression of GRASP55 serine mutant in cells in part rescued Golgi damage caused by SdeA. Furthermore, our study reveals that Golgi structure disruption caused by SdeA does not result in the recruitment of Golgi membranes to the Legionella-containing vacuoles. Instead, it affects cellular secretory pathway including cytokine secretion in cells.
Taken all together, this work expands the understanding of this unconventional PR-ubiquitination catalyzed by Legionella effectors and sheds light on the functions of PR-ubiquitination by which Legionella regulates the Golgi function and secretion pathway during bacterial infection.
Inducing cell death in tumor cells is a major goal of anti-cancer therapy. However, the preferable mode of cell death to induce is under debate. Apoptosis is known to be an anti-inflammatory and pro-resolving type of programmed cell death, whereas necroptosis results in the release of danger-associated molecular patterns (DAMPs) and is pro-inflammatory. Efferocytosis of apoptotic cells by macrophages results in a pro-resolving switch of macrophages polarization and is required to induce resolution of inflammation. This impact of apoptotic cells on macrophages is a non-desired consequence of cell death in tumors, which are often characterized by an overshooting wound healing response. Moreover, apoptosis resistance is frequently observed in cancer cells. To overcome apoptosis resistance in cancer cells, necroptosis can be induced as an alternative mechanism for cancer treatment. Interferons (IFNs) play an important role in tumor immune responses and act by inducing the expression of IFN-stiumlated genes (ISGs). Furthermore, IFNs were shown to be able to induce necroptosis together with Smac-mimetics when caspases are inhibited in different cancer cell lines. Necroptosis is induced by phosphorylation and activation of receptor-interacting serine/threonine-protein kinase 1 (RIPK1), RIPK3 and pseudokinase mixed lineage kinase domain-like (MLKL).
In my thesis, we first identified MLKL as an ISG in various cancer cell lines. MLKL upregulation was found to be a general feature of IFN signaling since both type I and type II IFNs increase the expression of MLKL. IFNy was able to upregulate MLKL at messenger ribonucleic acid (mRNA) and protein level indicating that MLKL is elevated transcriptionally. Indeed, Actinomycin D chase experiments showed that inhibition of transcription abolished MLKL upregulation upon IFN treatment. Both, knockdown of the IFNy-activated transcription factors interferon regulatory factor 1 (IRF1) and signal transducer and activator of transcription 1 (STAT1) as well as knockout of IRF1 significantly dampened MLKL mRNA upregulation, demonstrating that STAT1 and especially IRF1 are necessary to induce MLKL expression. This first part of the study highlights the upregulation of MLKL by IFNy as valuable tool to sensitize cells towards necroptosis and by that overcome apoptosis resistance in cancers.
When compared to apoptosis, the immune response to necroptotic cells and the polarization of macrophages phagocytosing necroptotic cells is not well studied. In most studies, cell death was induced by biological or chemical compounds, which may lead to artifacts by affecting the macrophages and triggering of unrelated signaling pathways. Therefore, in the second part of my thesis we used a pure cell death system of NIH 3T3 cells expressing either dimerizable caspase 8 or oligomerizable RIPK3 to induce cell death. Addition of B/B-Homodimerizer (dimerizer) to the cells resulted in apoptosis or necroptosis, which was confirmed by caspase 3/7 activation, phosphorylation of MLKL and inhibitor experiments, respectively. We analyzed the effect of dying cells on peritoneal macrophages by establishing a co-culture in a transwell system. The genetic profile of macrophages co-cultured with dying cells was evaluated by whole transcriptome RNA sequencing. In macrophages co-cultured with necroptotic cells genes corresponding to chemotaxis and hypoxia pathways were upregulated. A significant proportion of hypoxia-related pathways are mediated by hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF-1α), which also induces metabolic changes in polarized macrophages. We could show that macrophages co-cultured with necroptotic cells showed a decreased mitochondrial respiration, indicating an inflammatory (M1) polarization. Protein levels of chemokine C-X-C motif ligand 1 (CXCL1), which was increased in the RNA sequencing data, were also upregulated in supernatant of co-cultured macrophages and of necroptotic cells, demonstrating that necroptotic cells both secrete CXCL1 and induce gene expression of CXCL1 in peritoneal macrophages. This may influence the recruitment of neutrophils as inhibition of necroptosis during Zymosan-A-induced peritonits in mice decreased the levels of neutrophils at day 1 of this model of self-resolving inflammation.
Furthermore, RNA sequencing revealed an unexpected impact of apoptotic cells on macrophage biology as cell cycle and cell division pathways were increased. Enhanced proliferation of macrophages was confirmed by two functional assay with peritoneal macrophages isolated from mice and IC-21 macrophages. Inhibition of apoptosis during Zymosan-A-induced peritonits in mice demonstrated decreased mRNA levels of cell cycle mediators in peritoneal macrophages. Simultaneously with cell cycle activation, gene sets of prostaglandin E2 (PGE2) signaling were upregulated during RNA sequencing. In the second part of my thesis we could demonstrate, that apoptotic cells induce transcription of cell cycle genes and proliferation of macrophages and necroptotic cells are able to influence the chemokine profile of macrophages and thereby the recruitment of neutrophils.
Die Therapie des critical size defects stellt eine große Herausforderung der Medizin dar. Die Knochendefekte können beispielsweise in Folge von Tumorresektionen, Knochenheilungsstörungen oder nach Frakturen entstehen. Den aktuellen Goldstandard in der Therapie großer Knochendefekte stellt die Transplantation von autologem Knochenmaterial dar. Die Entnahme des Materials aus dem Beckenkamm ist allerdings mit Nachteilen wie der Entnahmemorbididät verbunden. Alternativ können Tissue-Engineering Techniken eingesetzt werden, bei denen Zellen mit regenerativem Potential mit Knochenersatzmaterialien und Wachstumsfaktoren kombiniert werden, um eine Defektheilung zu erzielen. Der Einsatz von bone marrow mononuclear cells (BMC) mit einem osteokonduktiven Gerüst wie b-TCP hat sich als geeignetes Therapiekonzept bewiesen. Einen weiteren Ansatz stellt die Verwendung von autologen Blutkonzentraten wie beispielsweise des platelet rich fibrin (PRF) dar. Das PRF kann innerhalb weniger Minuten aus patienteneigenem Blut mittels Zentrifugation hergestellt und direkt angewandt werden. Durch seine charakteristische dreidimensionale Fibrinmatrix dient das PRF als Reservoir für Wachstums- und Regenerationsfaktoren.
Die Kombination von BMC mit PRF könnte also durch die gesteigerte Konzentration an Zytokinen und Wachstumsfaktoren wie VEGF und TGF-b zu einer Unterstützung der regenerativen Wirkung der BMC führen. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Effekt von PRF auf BMC in vitro zu analysieren.
In Anlehnung an das low speed centrifugation concept wurden zwei verschiedene PRF-Matrices hergestellt. Diese wurden entweder mit mittlerer relativer Zentrifugalbeschleunigung (RCF) (208g) oder mit geringer RCF (60g) zentrifugiert. Um eine geeignete Konzentration des PRF zur Kombination mit den BMC zu finden, wurde im Vorfeld eine Dosisfindungskurve erstellt. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss ansteigender PRF-Konzentrationen auf die metabolische Aktivität der BMC nach 7 Tagen Inkubation analysiert. Wir konnten einen Trend zu erhöhten Werten bei einer Konzentration von 10% des PRF beobachten. Die metabolische Aktivität der BMC wurde durch höhere PRF-Konzentrationen nicht weiter gesteigert.
Aufgrund dieser Ergebnisse wurde für die nachfolgenden Experimente eine Konzentration von 10% der PRF-Aufbereitungen und der Serum-Kontrolle eingesetzt.
Zur Charakterisierung der beiden PRF-Aufbereitungen wurde der Gehalt an Wachstumsfaktoren im Vergleich zu humanem Serum untersucht. Es zeigten sich signifikant gesteigerte Konzentrationen von Insulin-like Growth Factor-1 (IGF-1), soluble Intercellular Adhesion Molecule-1 (sICAM-1) und Transforming Growth Factor-b (TGF-b) in dem PRF. Bezüglich des Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF)-Gehaltes ließ sich allerdings kein Unterschied zwischen humanem Serum und den PRF-Matrices darstellen.
Der Effekt des PRF low-RCF und PRF medium-RCF auf die Viabilität der BMC wurde anhand der metabolischen Aktivität nach 2, 7 und 14 Tagen Inkubation untersucht. Als Kontrollgruppe diente hierbei der Zusatz von humanem Serum. Die metabolische Aktivität der BMC zeigte sich an Tag 14 in allen Gruppen signifikant gesteigert.
Außerdem konnten wir zeigen, dass der Zusatz von PRF zu BMC zu einer statistisch signifikant erhöhten Genexpression der Matrix-Metalloproteasen (MMP) -2, -7 und - 9 im Vergleich zur Serum-Kontrollgruppe führt.
In unseren Versuchen konnte nachgewiesen werden, dass die apoptotische Aktivität der BMC durch Kombination mit PRF nicht negativ beeinflusst wird. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich PRF-Matrices als geeignete allogene oder autologe Quelle von Wachstums- und Regenerationsfaktoren nutzen lassen. Sie besitzen damit die Kapazität, Zellen wie die BMC zu stimulieren und zu aktivieren. Unsere Studie zeigt, dass der Zusatz von PRF für BMC-gestützte Therapien förderlich sein könnte. Dies muss jedoch in geeigneten Tiermodellen überprüft werden.
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.
Das kolorektale Karzinom stellt die zweithäufigste Krebstodesursache bei Männern und Frauen in der Bundesrepublik Deutschland dar
Das CRC hat aus diesem Grund eine große Bedeutung in chirurgischen und radiologischen Fachgebieten. Hierbei spielen zahlreiche Verfahren und Behandlungsmethoden eine zentrale Rolle, um das CRC und die hiervon ausgehenden kolorektalen Lebermetastasen zu behandeln und eine bestmögliche Therapie zu evaluieren. Über die letzten Jahrzehnte haben sich daher viele verschiedene Methoden für die Behandlung von CRLMs entwickelt, wie Mikrowellenablation (MWA), laserinduzierte interstitielle Thermotherapie (LITT), Radiofrequenzablation (RFA) und das chirurgische Vorgehen. Die vielversprechendste unter den Techniken und Verfahren stellt die chirurgische Resektion dar. Problematisch ist hierbei, dass viele erkrankte Patienten keine ausreichend gute körperliche Verfassung mehr aufweisen, um eine Resektion ohne große Risiken durchführen zu können.
Das Hauptziel dieser Studie war es nun, eine möglichst genaue und
aussagekräftige Untersuchung von Patientengruppen durchzuführen, bei denen eine kolorektale Lebermetastase diagnostiziert wurde. In der vorliegenden Studie wurden 132 Patienten mit kolorektalen Lebermetastasen (CRLM) untersucht, welche zwischen 2010 und 2018 mit einer CT-gesteuerten MWA-Therapie im Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie des Universitätsklinikums in Frankfurt am Main behandelt wurden. Hierbei war von besonderer Bedeutung, welche prognostischen Parameter die Überlebenszeiten und Überlebensraten beeinflussen. Die Daten konnten anhand von vielfältigen Personendaten und den dazugehörigen Therapieverläufen erhoben werden. Außerdem wurden CT-Bilder, welche im Zuge der Behandlung entstanden waren, für die Erhebung zusätzlicher Parameter verwendet. Die erhobenen Daten und Messwerte wurden retrospektiv ermittelt und umfassten eine große Patientengruppe. Dies steigert die Aussagekraft der Ergebnisse und Kennzahlen wesentlich. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Einteilung der Patienten in zwei Gruppen entsprechend ihrer Behandlungsindikation.
Zu den prognostischen Faktoren zählten das Ablationssystem, die Lokation der Metastasen, die Anzahl der Metastasen, der technische Erfolg, die Energie und Leistung, der Durchmesser und das Volumen der Metastasen, die Vor- und Nachbehandlung und die Lokalrezidive.
Die Patientengruppe mit palliativer Therapieindikation (1.08 Jahre) zeigte eine signifikant geringere mediane Überlebenszeit im Vergleich mit der kurativen Patientengruppe (3.48 Jahre). Die mediane Überlebenszeit aller Patienten betrug insgesamt 2.68 Jahre. Zusätzlich wurden die Überlebensraten der Patienten ermittelt. Die 1- und 3-Jahres-Überlebensraten aller behandelten Patienten im Untersuchungszeitraum lagen bei 82.7% und 41.6%. Die 1- und 3-JahresÜberlebensraten der 57 Patienten mit palliativer Behandlungsindikation waren 54.4% und 14.9%. Im Vergleich hierzu betrugen die 1- und 3-JahresÜberlebensraten der kurativ behandelten Patientengruppe 96.9% und 55.1%. Die mediane Beobachtungszeit nach der Behandlung betrug 2.39 Jahre. In dieser Zeit erreichten 96.2% aller Patienten eine lokale Tumorkontrolle (127/132). Die Überlebenszeit von Patienten mit einer, zwei oder drei, vier oder fünf und multiplen Lebermetastasen betrug 3.79, 2.13, 1.09 und 0.93 Jahre (alle p<0,017). Es gab eine einzige relevante Komplikation (Abszess) bei allen Behandlungen (1/257; 0,4%). Alle Unterschiede der Überlebenszeiten im primären Tumorursprung (p <0,038) und bei der Anzahl der Metastasen waren signifikant. Die anderen prognostischen Faktoren zeigten keine statistische Signifikanz. Prognostische Faktoren wie die Anzahl der Lebermetastasen, die Lokation des Primärtumors und das verwendete Ablationssystem haben einen bedeutenden Einfluss auf die Überlebenszeiten der CRLM-Patienten in dieser Studie gezeigt. Die Ergebnisse dieser Studie sind als vornehmlich anzusehen, weil eine strenge Zuteilung der Patienten in kurative und palliative Behandlungsindikationen für die Analyse der Überlebensdaten in dieser Form bis zu diesem Zeitpunkt nicht durchgeführt worden war.
Die Prognosefaktoren und deren Einfluss auf die Überlebenszeiten stellen für zukünftige radiologische Prognosen und Therapiemaßnahmen in Bezug auf CRLM Patienten gute Richtwerte dar. Sowohl für die Radiologen und Ärzte als auch für die Patienten und Angehörigen sind dies zukunftsweisende Anhaltspunkte.
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.
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.
Der US-amerikanische Architekturdiskurs der 1990er Jahre ist entscheidend von den Theorien Gilles Deleuzes geprägt. Die Aneignung seiner philosophischen Konzepte und jener, die er gemeinsam mit Félix Guattari entwickelt hat, findet vor allem innerhalb des architekturtheoretischen Netzwerks der »Anyone Corporation« statt: In ihren Diskursen wimmelt es von glatten Räumen, organlosen Körpern, Rhizomen, Falten, abstrakten Maschinen und Diagrammen. Frederike Lausch zeigt auf, wie sich die »Anyone Corporation« durch die Bezugnahme auf Deleuze als intellektuelle Elite der Architekturdisziplin inszeniert und wie im Zuge der Entpolitisierung seiner Theorien die »Post-Criticality«-Bewegungen entstehen.
Um Wissen in einer Form abzulegen, in der es automatisiert verarbeitet werden kann, werden unter anderem Ontologien verwendet. Ontologien erlauben über einen als Inferenz bezeichneten Prozess die Ableitung neuen Wissens. Bei inhaltlichen Überschneidungen werden Ontologien über Ontologie-Alignments miteinander verbunden, die Entitäten aus den verschiedenen Ontologien in Beziehung zueinander setzen. Üblicherweise werden diese Alignments als Mengen von Äquivalenzen formuliert, die beschreiben, welche Konzepte aus einer Ontologie Konzepten aus einer anderen Ontologie entsprechen. Ebenfalls verbreitet sind Ober- und Unterklassenbeziehungen in Alignments.
Diese Ontologie-Alignments werden zum Beispiel in der Biomedizin in Forschungsdatenbanken verwendet, da durch Alignments Informationen aus verschiedenen Bereichen zusammengeführt werden können. Der manuelle Aufwand, um große Ontologien und Alignments zu erstellen, ist sehr hoch. Dementsprechend wäre es wünschenswert, bei einer Veränderung von Ontologien nicht wieder von vorne beginnen und eine neue Ontologie erstellen zu müssen und möglichst viel aus der veränderten Ontologie und den die Ontologie betreffenden Alignments wiederverwenden zu können. Daher sollten möglichst automatisierte Verfahren verwendet werden. Diese Arbeit untersucht vier Ansätze, um die Anpassung von Alignments an Veränderungen in Ontologien zu automatisieren.
Der erste Ansatz bezieht Inferenzen in den Prozess zur Vorhersage von Alignment-Änderungen mit ein. Dazu werden die Inferenzen vor und nach der Änderung der Ontologien berechnet und auf Basis der Unterschiede mit einem regelbasierten Algorithmus bestimmt, wie sich das Alignment ändern soll. Der zweite Ansatz, wie auch die weiteren Ansätze, hat nicht zum Ziel das Alignment direkt anzupassen. Stattdessen soll vorhergesagt werden, welche Teile des Alignments angepasst werden müssen. Dazu werden die Ontologien und das Alignment als Wissensgraph-Embeddings repräsentiert. Diese Embeddings bilden Knoten aus den Ontologien in einen Raum mit 300-1000 Dimensionen so ab, dass in dem Raum auch die Beziehungen zwischen den Entitäten der Ontologien repräsentiert werden können. Diese Embeddings werden dann verwendet, um verschiedene Klassifikationsalgorithmen zu trainieren. Auf diese Weise wird vorhergesagt, welche Teile des Alignments sich verändern werden. Der dritte Ansatz verbindet Embeddings mit einem Veränderungsmodell. Das Veränderungsmodell kategorisiert die an den Ontologien vorgenommenen Veränderungen. Auf diese Kategorisierung und das Embedding werden dann Klassifikationsalgorithmen angewandt. Der vierte Ansatz verwendet eine speziell auf Wissensgraphen ausgerichtete Architektur für neuronale Netze, sogenannte Graph Convolutional Networks, um Veränderungen an Alignments vorher zu sagen.
Diese Ansätze werden auf ihre jeweiligen Vor- und Nachteile untersucht. Dazu werden die Verfahren an zwei Anwendungsfällen untersucht. Der Ansatz zur regelbasierten Einbeziehung von Inferenzen wird anhand eines Anwendungsbeispiels aus dem Bereich der Interweaving Systems betrachtet. In dem Beispiel wird eine allgemeine Methode für Interweaving Systems angewandt um das Selbstmanagement von Ampelsteuerungen zu ermöglichen. Die auf maschinellem Lernen aufbauenden Ansätze werden auf einem Auszug aus der biomedizinischen Forschungsdatenbank UMLS evaluiert.
Dabei konnte festgestellt werden, dass die betrachteten Ansätze grundsätzlich zur Anpassung von Alignments an Ontologie-Veränderungen eingesetzt werden können. Der Ansatz zur regelbasierten Einbeziehung von Inferenzen kann dabei vor allem auf sehr kleinen Datensätzen eingesetzt werden, bei denen alle Gesetzmäßigkeiten der Veränderungen grundsätzlich bekannt sind. Diese Anwendbarkeit ergibt sich aus dem Entwurf der Problemstellung für den ersten Ansatz. Die auf maschinellem Lernen aufbauenden Ansätze eignen sich besonders für große Datensätze und bieten den Vorteil, dass auch ohne ein vollständiges Verständnis des Veränderungsprozesses Vorhersagen getroffen werden können.
Unter den Ansätzen, die maschinelles Lernen einsetzen, zeigte die Einbeziehung von Veränderungsmodellen keine Vorteile gegenüber den anderen Ansätzen. Auf einem etwas
kleineren Datensatz waren die Ergebnisse des Embedding-basierten Ansatzes und der Relational Graph Convolutional Networks vergleichbar, während auf einem größeren Datensatz
die Graph Convolutional Networks etwas bessere Ergebnisse erreichen konnten.
Weitere Ergebnisse dieser Arbeit stellen eine Formalisierung der Problemstellung der Anpassung von Ontologie-Alignments an Veränderungen sowie eine formale Darstellung der Ansätze dar. Ein weiterer Beitrag der Arbeit ist die Vorstellung eines Anwendungsfalls aus dem Bereich der Interweaving Systems für Ontologie-Alignments. Außerdem wurde das Problem der Anpassung von Alignments an Veränderungen so formuliert, dass es mithilfe von
maschinellem Lernen betrachtet werden kann.
Das Hepatozelluläre Karzinom (HCC) steht weltweit an dritter Stelle tumorbedingter Todesursachen. Eine kurative Therapie durch Leberresektion oder Transplantation ist nur dann Erfolg versprechend, wenn der Patient in einem frühen Stadium diagnostiziert wird, in dem noch keine Fernmetastasen oder Gefäßinvasionen vorliegen. Die Ausbildung von Mikrometastasen sind mittels Bildgebung nicht detektierbar.
Mit Hilfe der „liquid biopsy“, einem Blutanalyseverfahren, das sich auf die Detektion zirkulierender Tumorzellen (CTCs) im Patientenblut fokussiert, ist es m glich, diese Tumorzellen im Anschluss an ihre Isolation auf ihre molekularen Eigenschaften hin zu untersuchen. Im Laufe des Metastasierungsprozesses kommt es zur De- und Repolarisierung der CTCs.
In der vorliegenden Promotionsarbeit wurde ein immunologisches Verfahren zur Detektion polarisierter Tumorzellen (p-CTCs) im Blut von Patienten mit HCC entwickelt. Dazu erfolgte zunächst die Isolation der CTCs mittels Dichtegradientverfahren (Oncoquick@, Fa. Greiner
bio-one) und die anschließende Immunfluoreszenzfärbung der CTCs mittels Anti-Ezrin-Alexa- Fluor 488 zum strukturellen Nachweis des zytoskelletalen Membranproteins Ezrin.
Anhand der Lokalisation des Ezrin innerhalb der CTCs war es m glich, die CTCs in polarisierte(p-CTC) und nicht-polarisierte Zellen (non-polarized CTC) zu unterteilen. Mit diesem Verfahren konnten in einem Zeitraum von Juni 2018 bis Januar 2019 Blutproben (5 ml/Patient) von 15 Patienten mit HCC und von 10 Patienten mit einer nicht malignen Lebererkrankung (NMLD) untersucht werden.
Die häufigste Grunderkrankung war mit 30,43% (n=7) C2 Abusus, gefolgt von der NASH mit 26% (n=6) und DM Typ 2 mit Leberzirrhose mit 13,04% (n=2). 10 (66,6%) HCC-Patienten hatten eine Leberzirrhose. Bei einem Patienten war die Tumorgröße <2 cm, bei 7 Patienten zwischen 2-5 cm, und 7 Patienten hatten eine Tumorgröße von > 5 cm. Die meisten Patienten hatten ein BCLC-Stadium C (n=7), gefolgt von BCLC-Stadium B (n=4), und BCLC-Stadium D (n=3) und nur ein Patient hatte ein BCLC-Stadium 0.
In 14 (93,3%) HCC-Patienten konnten CTCs 1,2 CTCs/ml (0,4-3 CTCs/ml) nachgewiesen werden. Die Falsch-Positiv-Rate lag bei 0,2 isolierte Zelle/ml (p=0,0006). P-CTC konnten in 10/14(71%) HCC-Patienten identifiziert werden. Die HCC-Gruppe wies mit 0,42 p-CTCs/ml signifikant mehr p-CTCs als die NMLD-Patienten(0 p-CTCs/ml, p=0,002).
Eine negative Korrelation fand sich zwischen der Tumorgröße, BCLC-Stadium und der Anzahl polarisierter CTCs (r=-0,029, p=ns).
Die hier vorgestellten Daten zum Nachweis der Polarisierung von CTCs in Zusammenhang mit HCC könnten zukünftig eine Rolle in der molekularen Charakterisierung von CTCs und der
Diagnose des HCC darstellen.
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.
Bacteria are true artists of survival, which rapidly adapt to environmental changes like pH shifts, temperature changes and different salinities. Upon osmotic shock, bacteria are able to counteract the loss of water by the uptake of potassium ions. In many bacteria, this is accomplished by the major K+ uptake system KtrAB. The system consists of the K+-translocating channel subunit KtrB, which forms a dimer in the membrane, and the cytoplasmic regulatory RCK subunit KtrA, which binds non-covalently to KtrB as an octameric ring. This unique architecture differs strongly from other RCK-gated K+ channels like MthK or GsuK, in which covalently tethered cytoplasmic RCK domains regulate a single tetrameric pore. As a consequence, an adapted gating mechanism is required: The activation of KtrAB depends on the binding of ATP and Mg2+ to KtrA, while ADP binding at the same site results in inactivation, mediated by conformational rearrangements. However, it is still poorly understood how the nucleotides are exchanged and how the resulting conformational changes in KtrA control gating in KtrB is still poorly understood.
Here,I present a 2.5-Å cryo-EM structure of ADP-bound, inactive KtrAB, which for the first time resolves the N termini of both KtrBs. They are located at the interface of KtrA and KtrB, forming a strong interaction network with both subunits. In combination with functional and EPR data we show that the N termini, surrounded by a lipidic environment, play a crucial role in the activation of the KtrAB system. We are proposing an allosteric network, in which an interaction of the N termini with the membrane facilitates MgATP-triggered conformational changes, leading to the active, conductive state.
T-cell development is a highly dynamic and stepwise process comprimising T lineage commitment, T-cell receptor (TCR) gene rearrangements and subsequent selection. From a quantitative point of view, only a few hundred progenitor cells migrate from the bone marrow into the thymus. Developing thymocytes (termed double negative (DN), CD4-CD8-) can be further divided into DN1-4 cells based on the expression of CD25 and CD44. These developmental events are interspersed by proliferative bursts which ultimately lead to the generation of millions of double positive (DP, CD4+CD8+) thymocytes that then undergo selection. As a consequence, a proportion of naïve T-cells evolves to ensure adaptive, but not autoreactive immunity.
Previous studies of our lab focused on the quantification of thymus colonization and identified thymus entry to be dependent on expression of the chemokine receptors CCR7 and CCR9 (Krueger et al., 2010; Ziętara et al., 2015). CCR7/9 double knockout (DKO) mice are almost completely devoid of the most immature thymocyte populations (DN1 and DN2), but show near normal DN3 cellularity. Interestingly, a similar defect during early development but a virtually complete recovery of later stages and total thymocyte numbers was also observed in thymi of miR-17~92 deficient mice. Here, a failure of prethymic IL-7 signaling dampens early T-cell development (Regelin et al., 2015). For this reason, we hypothesized a tight regulation of thymocyte population size through alterations in the underlying cell cycle kinetics.
In this thesis, we employed in vivo single- and dual-nucleoside pulse labeling combined with determination of DNA replication over time in different WT thymocyte subsets at steady-state. Based on this, we assessed alterations in cell cycle kinetics of CCR7/9 and miR-17~92 defcicient mice and identified compensatory mechanisms of thymocytes on the level of cell cycle phase distribution and cell cycle speed. In addition, single-cell RNA sequencing helped to obtain information on cell cycle dynamics of early thymocyte subsets, exemplarily shown for WT and CCR7/9 DKO mice. Lastly, we performed cell cycle analyses in a model of endogenous thymic repair upon sublethal total body irradiation which provided insight into intrathymic cell cycle regulation as an adjustable system to re-establish normal thymus cellularity.
In the second part of the thesis, we addressed the role of miR-21 in the thymus. In various studies, we and others identified miRNAs as key posttranscriptional regulators of the immune system and especially for T-cell development (Regelin et al. 2015; Mildner et al. 2017; Li et al. 2007; Ebert et al. 2009; Ziętara et al. 2013; Schaffert et al. 2015). The dynamic expression of miR-21 during T-cell development (Neilson et al. 2007; Kirigin et al. 2012; Kuchen et al. 2010) prompted us to hypothesize that miR-21 has a regulatory function in the thymus. A miR 21-knockout mouse model allowed us to study the role of this miRNA for the development of T-cells in the thymus and the maintenance of T-cells in the periphery. In addition, we performed competitive bone marrow chimera experiments in the context of miR-21 deficiency and overexpression. Further insights were provided by exploring the function of miR-21 in negative selection in vivo as well as in T-cell differentiation in coculture experiments in vitro. To unravel implications of miR-21 to regulate cellular stress responses, we assessed the contribution of miR-21 in a model of endogenous regeneration of the thymus after sublethal irradiation. We could not provide evidence for a prominent role for miR-21 during T-cell development. Together, our experiments revealed that miR-21 is largely dispensable for physiologic T-cell development despite high and dynamic expression in the thymus (Kunze Schumacher et al., 2018). The apparent discrepancy between dynamic expression but lack of a regulatory function in the thymus led us to conclude that miR-21 is rather fine tuning T-cell responses than controlling a developmental event.
Die Dissertation widmet sich einem Aspekt der hellenistischen Lebenswelt: dem Stellenwert des Athleten und des Intellektuellen innerhalb der für männliche Polisbürger geltenden Wertprädikationen. Hintergrund der Fragestellung bildet ein für die hellenistische Zeit postuliertes abnehmendes Ansehen der körperlichen gegenüber der geistigen (Aus)bildung – eine Annahme, die sich unter anderem auch auf ein Zurückgehen von Athletenbildern in der griechischen Sepulkralkunst stützt und in der Dissertation kritisch hinterfragt wird. Dazu liegt mit dieser Arbeit eine ausführliche, lokal und chronologisch eingegrenzte Studie zur Ikonographie hellenistischer Grabstelen männlicher Verstorbener aus einem Zeitraum vom 3. Jh. v. Chr. bis in das fortgeschrittene 1. Jh. v. Chr. vor. Die Materialbasis bilden die Stelen aus Delos, Smyrna, Ephesos, Samos, Kyzikos und Rhodos.
Zur Klärung, wie sich die Darstellung von Athleten und Intellektuellen in den betrachteten Regionen quantitativ niederschlägt, wurden das Bildthema sowie die Bildzeichen auf den Grabreliefs analysiert. Hierbei sind mit Bildzeichen vorhandene Attribute, aber auch weitere Hinweise, wie bestimmte Körperhaltungen, gemeint. Unterschieden wird bei den Bildzeichen außerdem zwischen primären und sekundären Bildzeichen, wobei primäre dingliche Zeichen – wie Schriftrolle oder Strigilis – eine meist sichere Zuschreibung zur athletischen bzw. intellektuellen Sphäre gewährleisten, wohingegen etwa die in der Arbeit zu den sekundären Zeichen gezählte Bekleidung oder Haltung ohne weiter verifizierende Bildinhalte zumeist deutungsoffener sind.
Über eine ausführliche quantitative Auszählung der einzelnen Bildzeichen in Verbindung mit den vorkommenden Darstellungsschemata gelangen Rückschlüsse auf die männlichen Repräsentationspraktiken in den betrachteten Regionen. So zeigte sich beispielsweise, dass die Stelen auf Delos im Allgemeinen zwar eher attributarm sind, die Wahl für sportthematische Bildzeichen jedoch vergleichsweise häufig getroffen wurde. Der Vergleich mit Grabmälern aus den übrigen untersuchten Poleis schärfte die Aussagekraft der ikonographischen Analysen, da Unterschiede sowie Gemeinsamkeiten der jeweiligen lokalen Bildsprache, ihrer Kompositionsvorlieben und Bildtraditionen herausgearbeitet werden konnten. Solche stadttypischen Ausprägungen zeigen deutlich, dass die hellenistische Kunst bzw. Kultur nicht als strenge Einheit zu begreifen ist.
Abschließend ist festzuhalten, dass die Athletenpräsentation konstant im männlichen Wertespektrum verankert und etabliert geblieben ist. Folglich ist die Annahme, sportliche Repräsentation habe im Hellenismus zugunsten einer geistigen abgenommen, in dieser Deutlichkeit nicht haltbar. Vielmehr gelten geänderte Bild- und Darstellungsformen, die im Vergleich zur vorhellenistischen Praxis bisweilen recht subtil erscheinen, aber vor allem eine kombinierte Vorführung verschiedener Qualitäten, darunter sowohl geistige wie sportliche inbegriffen, anstrebten.
Körpergrößenschätzung und Geschlechtsdiskrimination anhand von metrischen Schädeldachparametern
(2021)
1. Körpergrößenschätzung und Geschlechtsdiskrimination; Messung des maximalen Längs- und Querdurchmessers des Schädels
Knöcherne Schädel sind häufig die einzigen Skelettüberreste, die für forensisch-osteologische Untersuchungen zur Verfügung stehen. Am Schädel lassen sich gute Hinweise für Geschlechtsdiskriminierung, Lebensalter und Herkunft erlangen. Es sollte überprüft werden, ob mithilfe der an der frischen Sägefläche des Hirnschädels gemessenen maximalen Schädellänge und -breite eine Schätzung der Körpergröße oder eine Geschlechtsdiskrimination möglich ist.
In die Untersuchung gingen die Autopsieberichte von 959 Verstorbenen ein, die das 21. Lebensjahr vollendet hatten und in den Jahren 2004 bis 2008 am Institut für Rechtsmedizin der Universität Gießen obduziert worden waren. Um den Einfluss der Herkunft der Individuen auf die untersuchten Maße abzuschätzen, wurde eine getrennte Betrachtung der in Deutschland (n=760) und außerhalb von Deutschland geborenen Individuen (n=199) durchgeführt. Trotz signifikanter Korrelationen der maximalen Schädellänge mit der Körpergröße konnte aufgrund der hohen Standardfehler keine sinnvolle einsetzbare Regressionsformel berechnet werden. Die maximale Schädelbreite zeigte keine nennenswerte Korrelation zur Körperlänge. Bezüglich der Geschlechtsdiskrimination konnte für kaukasoide Individuen folgende Aussage getroffen werden: Schädellängen kleiner 15,5 cm sprechen für weibliche und größer 19 cm für männliche Individuen. Bei der Schädelbreite weisen Werte kleiner 12,5 cm auf eine Frau und größer 15,5 cm auf einen Mann hin.
2. Über die Korrelation von Schädelnahtlängen und Körperhöhe bei Mitteleuropäern
An den Stellen des Schädeldachs, an denen 2 benachbarte Knochenanlagen aneinanderstoßen, bildet das Bindegewebe Knochennähte, Suturae (Sutura sagitalis, Sutura coronalis, Sutura lambdoidea) aus (Schiebler et al. 2002).
Ein vielversprechender Ansatz hinsichtlich der Verwendung der Schädelnähte zur Körperhöhenschätzung wurde von Rao et al. (2009) publiziert. Sie konnten in ihrer Studie an 87 Schädeln südindischer männlicher Individuen eine Korrelation sowohl zwischen Sagittal- als auch Coronarnaht und Körperhöhe nachweisen und für deren Berechnung eine Regressionsformel ableiten. In der vorliegenden prospektiven Studie sollte überprüft werden, ob sich die Ergebnisse von Rao et al. auf eine mitteleuropäische Population übertragen lassen, und ob sich anhand von Sektionsfällen eine Korrelation zwischen Schädelnahtlängen (Sagittal- und Coronarnaht) einerseits und Körperlänge andererseits nachweisen lässt.
Am Gießener Institut für Rechtsmedizin wurden in den Jahren 2009 und 2010 bei 117 Verstorbenen prospektiv die Längen der Sagittal- und Coronarnaht sowie die Körperhöhen gemessenen. Das Alter der Verstorbenen lag zwischen 15 und 96 Jahren (Mittelwert 52,8 Jahre, Median 51 Jahre); 82 Personen waren männlich und 35 weiblich. Die Länge der Sagittalnaht in Bezug auf die Körperhöhe ergab in der Regressionsanalyse einen Korrelationskoeffizienten von lediglich r = 0,045 (p = 0,617). Ähnliche Ergebnisse wurden für die Coronarnaht ermittelt; hierbei betrug der Korrelationskoeffizient r = 0,015. Bei Annahme einer maximal zulässigen Fehlerwahrscheinlichkeit von α = 0,05 erwies sich keine der durchgeführten Regressionsanalysen als statistisch signifikant. Nach den erhobenen Befunden ist weder die Länge der Sagittal- noch die Länge der Coronarnaht geeignet, bei Mitteleuropäern die Körperhöhe zu schätzen.
Die vorliegende Studie widmet sich der Problematik von individueller Mehrsprachigkeit und Mehrschriftigkeit innerhalb kollaborativer Schreibinteraktionen. Individuelle
Mehrsprachigkeit/Mehrschriftigkeit wird mittels der Konzepte der sprachlichen Repertoires und Register beleuchtet. Als kollaborative Schreibinteraktion wird ein Face-to-Face-Format definiert, bei dem zwei oder mehrere, am selben Ort befindliche Personen, ein Dokument basierend auf gemeinsamen Ideen anfertigen und hierüber ein Gespräch führen. Von Interesse ist die Forschungsfrage, wie mehrsprachige Studierende der Romanistik an der Goethe-Universität Frankfurt a.M. ihre schriftsprachlichen Ressourcen beim gemeinsamen Formulieren eines akademischen Texts in einer romanischen Zielsprache (Französisch oder Spanisch) einsetzen.
Zur Beantwortung der Fragestellung dient ein qualitatives methodenplurales Forschungsdesign, bei dem theoretisch-methodische Forschungsansätze aus Soziolinguistik, Ethnographie und Aktionsforschung zusammenfließen. Die Datenerhebung erfolgte in einem ethnographisch gerahmten Aktionsforschungsseminar, in dem mehrsprachige Studierende über ihre sprachlichen Repertoires schriftlich reflektieren und zum akademischen Schreiben interaktiv in Gruppen zusammenkommen. Das hierbei entstandene Datenmaterial, die Reflexionstexte einerseits sowie die Audio- und Bildschirmaufnahmen der Schreibinteraktionen andererseits, wurde inhalts- und gesprächsanalytisch ausgewertet. Darüber werden Konzepte aus Mehrsprachigkeits- und Textproduktionsforschung miteinbezogen, um einen ganzheitlichen Blick auf Dynamiken beim kollaborativen Formulieren zu gewinnen.
Die Studie bietet zahlreiche Anknüpfungspunkte für zukünftige Forschung über Mehrschriftigkeit. Aus theoretischer Sicht ist es relevant, wie strukturelle Mehrschriftigkeit im Format der kollaborativen Schreibinteraktion konzeptualisiert werden kann. Methodisch betrachtet besteht die Notwendigkeit zur Weiterentwicklung des methodenpluralen Forschungsdesigns, um sowohl Daten zu Prozessen und Produkten als auch zu beteiligten Individuen zu triangulieren. In dieser Hinsicht spielt das Verhältnis von Ethnographie und Gesprächsanalyse eine gewichtige Rolle. Aus didaktischer Sicht ist es schließlich bedeutsam, wie die Aneignung zielsprachlicher Kompetenz beim akademischen Schreiben mit einer Integration mehrsprachiger Ressourcen einhergehen kann.
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.
In dem vergangenen Jahrzehnt sah sich der Kindergarten vor neuen Herausforderungen gestellt, welche die Gesellschaft an ihn heranträgt: Das ist einerseits der gestiegene Anspruch an die Bildungsarbeit bereits im Kindergarten und andererseits der Anspruch an die bessere Vereinbarkeit von Familie und Beruf. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit die Strukturen der pädagogischen Praxis im Kindergartenalltag analysiert und beschrieben.
Datengrundlage sind Videografien von Kindergartenalltagen in 61 Kindergartengruppen, davon 41 Aufnahmen in Deutschland und 20 in der Deutschschweiz. Zusätzlich wurden die strukturellen Rahmenbedingungen mit einem Fragebogen erhoben. Diese Daten entstanden im Rahmen der Studie „Professionalisierung im Elementarbereich“ (PRIMEL) (Kucharz et al., 2014), welche in der Linie „Ausweitung der Weiterbildungsinitiative Frühpädagogische Fachkräfte“ (AWiFF) vom BMBF gefördert wurde.
Zur Beantwortung der Fragestellung wurden in Anlehnung an Andrist und Chanson (2003) die Videografien inhaltsanalytisch (deskriptiv und induktiv ergänzt) hinsichtlich der gezeigten Strukturelemente kodiert, welche die Gestaltung eines Kindergartenalltags ausmachen: geführte Sequenz, freie Sequenz, angeleitete Sequenz und verbindende Sequenz. Mit Hilfe einer Clusteranalyse (Ward-Methode) wurden die unterschiedliche Verteilung der Sequenzen eines gezeigten Alltages gruppiert und somit einem Strukturierungsmuster (Cluster) zugeordnet. Die Clusteranalyse ergab, dass die Strukturen der pädagogischen Praxis drei Strukturierungsmuster bilden: „Kind-initiiert“, „Fachperson-initiiert“ und „Alltags-orientiert“. In allen Strukturierungsmuster kommen alle Strukturelemente vor. Kennzeichnend für das Strukturierungsmuster „Kind-initiiert“ ist das häufige Vorkommen der freien Sequenz und für das Strukturierungsmuster „Fachpersonen-initiiert“ die vielen geführten Sequenzen. Im Strukturierungsmuster „Alltags-orientiert“ machen verbindenden Sequenzen (Rituale, Routine, Essen und Übergänge), welche alltägliche Handlungen und Rituale umfassen, den größten Teil der Zeit aus.
Die Gestaltung des Mittagessens wurde in drei Videografien inhaltsanalytisch hinsichtlich der Arrangements analysiert. Hier ließen sich induktiv vier Kategorien – Instruktion/ Anweisung, Autonomie/Eigenständigkeit, Akzeptanz von Vorlieben und Abneigungen, Klima/Kultur/Rituale – herausarbeiten und drei Gestaltungstypen – „Familienähnlich“, „Mensaähnlich“ und „pädagogisches Familien-Restaurant“ – unterscheiden.
Die Ergebnisse zeigen auf, dass neben der Altersspanne der Kinder in der Gruppe, das Makrosystem (Länderebene) die Tagesgestaltung des Kindergartens stark beeinflusst. Die Sichtbarmachung der Strukturen auf der Mesoebene ermöglicht es, diese vergleichend zu diskutieren und Implikationen für die pädagogische Praxis abzuleiten.
The DNA damage response (DDR) is a vast network of molecules that preserves genome integrity and allow the faithful transmission of genetic information in human cells. While the usual response to the detection of DNA lesions in cells involves the control of cell-cycle checkpoints, repair proteins or apoptosis, alterations of the repair processes can lead to cellular dysfunction, diseases, or cancer. Besides, cancer patients with DDR alterations often show poor survival and chemoresistance. Despite the progress made in recent years in identifying genes and proteins involved in DDR and their roles in cellular physiology and pathology, the question of the involvement of DDR in metabolism remains unclear. It remains to study the metabolites associated with specific repair pathways or alterations and to investigate whether differences exist depending on cellular origin. The identification of DDR-related metabolic pathways and of the pathways that cause metabolic reprogramming in DDR-deficient cells may produce new targets for the development of new therapies.
In this thesis, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) was used to assess the metabolic consequence of the loss of two central DNA repair proteins with importance in diseases context, ATM and RNase H2, in haematological cells. An increase in intracellular taurine was found in RNase H2- and ATM-deficient cells compared to wild-type cells for these genes and in cells after exposition to a source of DNA damage. The rise in taurine does not appear to result from an increase in its biosynthesis from cysteine, but more likely from other cellular processes such as degradation pathways.
Overall, evidence for metabolic reprogramming in haematological cells with faults in DNA repair resulting from ATM or RNase H2 deficiencies or upon exposition to a source of DNA damage is presented in this study.
Acinetobacter baumannii is a worldwide opportunistic pathogen responsible for nosocomial infections. One of the main factors contributing to multidrug resistance in A. baumannii is the upregulation of various chromosomally encoded or acquired efflux pumps, which expel toxic compounds out of the cells with high efficiency.
The resistance-nodulation-cell division (RND)-type efflux pump gene deletion strains ∆adeAB, ∆adeFG or ∆adeIJ and the major facilitator superfamily (MFS) chloramphenicol efflux pump gene deletion strain ∆craA of A. baumannii ATCC 19606 were created and a differential gene expression study was conducted via RT-qPCR. The expression of efflux pump genes adeB, adeG, adeJ, craA, and the outer membrane protein ompA were examined in the absence and presence of chloramphenicol. No significant up- or downregulation of these genes for any of these deletion strains in comparision to the wild-type strain in absence of the drug chloramphenicol.
In contrast, craA was significantly up-regulated in A. baumannii exposed to chloramphenicol, emphasizing the importance of CraA in chloramphenicol resistance. CraA is widely present in clinical isolates of A. baumannii. It is homologous to the well-studied multiple-drug efflux transporter MdfA from Escherichia coli (61% similarity), but surprisingly reported to be acting as a specific chloramphenicol transporter of A. baumannii (Roca et al., 2009).
The drug susceptibility assay done with A. baumannii ATCC 19606 ΔcraA showed that CraA could confer resistance towards phenicols (chloramphenicol, thiamphenicol, and florfenicol), which was in line with the previous report. CraA was heterologously overproduced in E. coli BW25113 ∆emrE∆mdfA and its substrate specificity was determined by drug susceptibility assays and whole cell fluorescent dye uptake experiments. We observed that the substrate specificity of craA overexpressed in E. coli was more diverse and resembling that of the E. coli MdfA homolog. Apart from resistance towards phenicols (chloramphenicol, thiamphenicol, and florfenicol), CraA also confer resistance towards monovalent cationic drugs (benzalkonium, TPP+, and ethidium), long dicationic drugs (dequalinium and chlorhexidine), fluoroquinolones (norfloxacin and ciprofoxacin) and anticancer drugs (mitomycin C). We showed that CraA is a drug/H+ antiporter by ACMA quenching in inverted CraA or CraA variant containing membrane vesicles.
To address the molecular determinants for multidrug binding and transport, 45 mostly single Ala-substitution variants of CraA were created. These include substitution variants for membrane-embedded proton-titratable residues (E38, D46, and E338) and residues predicted to be important for binding and transport of drug, as inferred from docking experiments on basis of a MdfA-derived CraA model. The combined results indicated a high degree of functional similarities between MdfA and CraA. The conserved titratable residues E26 and D34 (E38 and D46 in CraA) are important for transport in both these homologs. The CraA variant E38A is inactive against all tested drugs, but D46A is only inactive for some drugs, suggesting that only E38 is involved in H+-transport.
Another focus of this thesis is the three tetracycline transporters of A. baumannii strain AYE, TetA, TetG and TetA(A). Susceptibility assays involving tetracycline, minocycline, doxycycline and the last-resort antibiotic tigecycline were conducted on E. coli BW25113 ∆emrE∆mdfA overexpressing these transporters. TetA(A) was excluded from further study due to toxicity of the cells caused by protein overexpression. Both TetA and TetG confer resistance against tetracycline, minocycline and doxycycline. Although tigecycline was reported not to be recognized by tetracycline efflux pumps, we surprisingly found that TetA is able to transport tigecycline. The role of TetA in tigecycline efflux in A. baumannii was confirmed by conducting tigecycline susceptibility assays on A. baumannii.
We speculate that TetA embedded in the inner membrane acts in cooperation with RND-type tripartite systems that span the inner and outer membrane to extrude tigecycline from the periplasm across the outer membrane. A. baumannii ATCC 19606 ∆adeAB were indeed sensitive to tigecycline in comparison to wild-type strain. Deletion of adeIJ also leads to sensitivity to tigecycline, but less so compared to the DadeAB phenotype, while A. baumannii ATCC 19606 ∆adeFG did not show any difference compared to wild-type strain in tigecycline susceptibility. Differential gene expression analysis of the RND efflux pumps (adeB, adeG and adeJ) and tetA of A. baumannii strain AYE showed that the expression of tetA expression is significantly upregulated when tigecycline is present in the growth medium.
We conclude that craA encodes a broad-spectrum efflux pump rather than a specific chloramphenicol transporter. In A. baumannii, the synergistic effects with the outer membrane and/or the presence of other transporters could result in the discrepancy observed. Thus, the possibility of CraA in conferring multidrug resistance should not be overlooked, especially when it is up-regulated under antibiotic stress conditions.
Empathie ist ein mehrdimensionales psychologisches Konstrukt, das aus verschiedenen Facetten besteht (Decety & Ickes, 2011). Es ist anzunehmen, dass Empathie ein wichtiger Mechanismus ist, um Menschen miteinander zu verbinden und eine Gruppenkohäsion möglich zu machen (Rameson & Lieberman, 2009). Neben der Fähigkeit die Erlebenswelt des Gegenübers mit eigenen mentalen Repräsentationen nachzuvollziehen, werden dadurch Emotionen ausgelöst, die denen des Gegenübers sehr ähnlich sind. Gleichzeitig unterscheidet sich dieses Gefühlserleben aber beispielsweise von reiner Gefühlsansteckung, da eine Selbst-Andere Differenzierung stattfindet und in einer empathischen Episode immer im Vordergrund steht, dass man sich aufgrund der Gefühle des anderen so fühlt (Altmann, 2015). Hier spielt Imitation eine wichtige Rolle, wenn es darum geht, die Erlebenswelt der anderen Person zu erfassen (Meltzoff & Decety, 2003). Besonders auch bei Lehrkräften zeigt sich eine Wichtigkeit von empathischem Handeln und Verstehen (Tausch & Tausch, 2008). In verschiedenen Studien zeigten sich positive Effekte von Empathie auf die Schülerschaft und die Unterrichtsqualität. Die SchülerInnen trauen sich mehr, es herrscht weniger Angst im Klassenzimmer und die Qualität der Unterrichtsbeiträge steigt (vgl. Tausch & Tausch, 1998). Empathie selbst besteht aus State- und Trait-Anteilen, so dass zumindest Teile davon trainierbar sind (Butters, 2010). Eine potentielle Möglichkeit um Empathie zu fördern scheint das Lehr-Lern-Format Service Learning (SL) darzustellen. Hierbei handelt es sich um ein Veranstaltungskonzept, bei dem ein meist fachlicher, akademischer Inhalt mit einem ehrenamtlichen Engagement außerhalb der Universität verknüpft wird (Reinders, 2016). Forschung aus dem angloamerikanischen Raum weist darauf hin, dass Empathie durch derartige Formate gefördert werden kann (Lundy, 2007; Wilson, 2011). Da die meisten Messverfahren von Empathie auf Selbstauskunft basieren und damit nur indirekt Anteile wie das affektive Mitschwingen abbilden können, war es Teil dieser Arbeit im ersten Schritt einen objektiven, videobasierten Test zu entwickeln, der dann mit anderen Verfahren zur Messung eingesetzt werden sollte. In zwei ExpertInnen-Befragungen wurden aus einem Pool von Videosequenzen mit Unterrichtssituationen insgesamt zehn Videoclips mit jeweils vier Items und zugehörigen Antwortoptionen extrahiert. In einer darauf folgenden Validierung mit Studierenden der Goethe-Universität (N = 112) wurden diese Vignetten mit verschiedenen Verfahren zur Messung von Empathie gemeinsam erhoben und die Zusammenhänge analysiert. Die Reliabilitäten der drei Testscores bewegten sich in den beiden gebildeten Testversionen zwischen Cronbachs α = .53 (Verhaltens-Score der Testversion 1) und α = .76 (Intensitäts-Score der Testversion 2). Es zeigten sich zu allen Fragebögen erwartungskonforme Zusammenhänge von kleinen bis mittleren Effekten. Die Itemschwierigkeiten bei den meisten Items lagen zwischen 50 und 65, die Trennschärfen zwischen .18 und .70.
Im nächsten Entwicklungsschritt wurden die Vignetten in neu zusammengestellten Testversionen nur Lehramtsstudierenden (N = 41) vorgelegt und zusätzlich Videoaufnahmen der Gesichter der ProbandInnen gemacht, um sie mit Face-Reader zu analysieren und die Facette Mitschwingen abzubilden. Die Reliabilitäten der Testversionen lagen mit einem neuen Scoring nun zwischen α = .24 (Emotionserkennungs-Score Prä-Testversion) und
α = .57 (Intensitäts-Score Prä-Testversion) sowie zwischen α = .10 (Emotionserkennungs-Score Post-Testversion) und α = .77 (Intensitäts-Score Post-Testversion). Auch die Schwierigkeiten und Trennschärfen änderten sich nach Adaptieren des Scorings und bewegten sich in beiden Testversionen nun von 30 bis 89 (Schwierigkeit) und von .0 bis .5 (Trennschärfe). Die Face-Reader Analysen zeigten nur in Teilen kongruente Emotionen mit den Selbstauskunftsdaten bzw. den eingeschätzten Intensitäten in den Videosequenzen, dann allerdings mittlere bis große Effekte, so dass in Teilen von einem affektiven Mitschwingen ausgegangen werden kann. Da sich die internen Konsistenzen im Vergleich zur Validierung verschlechterten, wurden die Zusammensetzungen der Testversionen für den Praxiseinsatz wieder auf die Validierungs-Versionen umgestellt.
Im Praxiseinsatz wurden Lehramtsstudierende in SL und Non-SL-Veranstaltungen rekrutiert und miteinander verglichen. Insgesamt nahmen N = 68 Personen an drei Messzeitpunkten teil (n = 30 in SL und n = 38 in Non-SL-Seminaren). Die Analysen zeigten, dass es zwischen den Gruppen keine signifikanten Unterschiede in den genutzten Instrumenten gab. Auch über die Zeit gab es nach der Bonferroni-Korrektur nur einen signifikanten Effekt (F (2,52) = 6.57, p = .003, η2 = .20). Es ist anzunehmen, dass diese Ergebnisse vor allem auf methodische Einschränkungen und Verbesserungsmöglichkeiten des entwickelten Testverfahrens zurückzuführen sind. Weitere Möglichkeiten werden diskutiert.
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.
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.
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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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.
Das Dermatofibrosarcoma protuberans (DFSP) ist ein seltenes fibroblastisches Weichteilsarkom. Bisher ist wenig über die optimale Therapie des primären und insbesondere des rezidivierten DFSP im Kindes- und Jugendalter bekannt. Zudem gibt es sehr wenig klinische Daten über das fibrosarkomatöse DFSP (FS-DFSP) bei pädiatrischen Patienten, welches eine intermediär maligne Variante des DFSP darstellt. Die vorliegende Studie untersuchte das Dermatofibrosarcoma protuberans im Kindes- und Jugendalter im Hinblick auf die Therapie und Prognose der primären Erkrankung und bei Rezidiven. Es wurden Daten von 40 Patienten mit DFSP, welche im Zeitraum von 1996 bis 2016 in der Cooperativen Weichteilsarkomstudiengruppe (CWS) prospektiv registriert wurden, retrospektiv analysiert. Zusätzlich wurde die Therapie und der Verlauf von 3 Patienten mit der Diagnose eines FS-DFSP beschrieben.
Alle Patienten erhielten vorrangig eine chirurgische Tumorresektion. Eine sekundäre Resektion erfolgte bei 18 Patienten nach unvollständiger oder grenzwertig vollständiger primärer Resektion. Insgesamt konnte bei 85% (n = 34/40) eine mikroskopisch vollständige chirurgische Resektion (R0) in der besten Resektion erreicht werden. Alle Patienten konnten eine komplette Remission nach der primären Erkrankung erreichen und das 5-Jahres Gesamtüberleben war 100% (± 0; CI, 95%). Die R0-Resektion (IRS I) stellte einen signifikanten Faktor für die Prävention eines Rezidivs dar. Ein lokales Rezidiv trat nach einem Median von 1,1 Jahren bei insgesamt 15% (n = 6/40) der Patienten auf und wurde durch erneute chirurgische Resektion behandelt. Darunter konnten alle Patienten eine komplette Remission erreichen. Zwei von 3 Patienten mit einem FS-DFSP überlebten nach einer R0-Resektion in kompletter Remission.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass das DFSP eine gute Prognose bei pädiatrischen Patienten hat. Der wichtigste prognostische Faktor für die Prävention von Rezidiven ist eine mikroskopisch vollständige chirurgische Resektion. Im Falle eines Rezidivs oder dem Vorliegen eines FS-DFSP sollte ebenfalls eine vollständige chirurgische Resektion angestrebt werden.
Standard biorelevant media reflect the average gastrointestinal (GI) physiology in healthy volunteers. The use of biorelevant media in in vitro experiments has become an important strategy to predict drug behaviour in vivo and is often combined with in silico tools in order to simulate drug plasma profiles over time. In addition to the healthy population, the effects of disease state or co-administration of other drugs on plasma profiles must be considered to assure drug efficacy and safety. Thus, there is a need for a more accurate representation of the human GI physiology when it is altered by disease or co-administered drugs in in vitro dissolution experiments.
This thesis focused on the development of biorelevant media and dissolution tests reflecting GI physiology in circumstances where the gastric pH is elevated. Diseases linked to an elevated gastric pH are hypochlorhydria and achlorhydria, but these days treatment with acid-reducing agents (ARAs) is the single greatest cause of elevation in gastric pH. pH-dependent drug-drug interactions (DDIs) with ARAs are frequent, as the ARAs are used in a number of diseases using a variety of drugs. As the drugs currently on the market are often poorly soluble and ionisable, their dissolution is highly dependent on the pH of the GI tract, especially the gastric pH.
The thesis research consisted of several steps. In the first step, physiological changes in the human GI tract during the therapy with ARAs were identified. Parameters of the standard biorelevant gastric medium FaSSGF were adjusted to the identified changes to reflect the impact of ARA co-administration on the gastric physiology. The media aim to assess the potential extent of the ARA impact on gastric physiology by introducing biorelevant media pairs, ARA pH 4 and pH 6 media, of which one reflects a lesser, and the other a stronger impact of ARAs.
In the second step these ARA media were implemented in in vitro dissolution set-ups.
The dissolution of poorly soluble ionisable drugs was assessed using one-stage, two-stage and transfer model set-ups, as well as using a more evolved in vitro system TIM-1. Comparison of results from dissolution set-ups using the standard, low pH, gastric biorelevant medium FaSSGF (pH 1.6 or 2), and the same set-ups using ARA pH 4 and pH 6 media, shows a decrease in dissolution rate and extent for weakly basic compounds PSWB 001 and dipyridamole, and an increase in rate and extent of dissolution for the weakly acidic compound raltegravir potassium, when the gastric pH is elevated. Due to different physicochemical properties, the extent of the impact of physiological changes during ARA therapy (when either ARA pH 4 or pH 6 medium is selected) on dissolution varied among the model drugs. Thus, the bracketing approach, which considers a range of the possible ARA co-administration impact on drug dissolution, was confirmed to be best practice in assessing the impact of ARAs.
In the third step, dissolution data from in vitro experiments with ARA media was implemented into in silico models. The predictions using various in silico model approaches in Simcyp™ Simulator (minimal and full PBPK model, dissolution input using DRM and DLM) successfully bracketed in vivo data on drug administration during ARA therapy and correctly predicted an overall decrease in plasma concentration for the two model weakly basic compounds and an increase in plasma concertation for the model weakly acidic compound.
In all assessed scenarios, the ARA methods proved to be an essential part of evaluating and predicting the impact of ARAs on drug pharmacokinetics, and appropriately predicted the extent of a possible impact of ARAs on the drug plasma profiles. Thus, the ARA biorelevant media and dissolution tests were demonstrated to be valuable tools reflecting administration of drugs when the gastric pH is elevated and able to predict the impact of ARA therapy on drug administration.
The ability to evaluate the impact of human (patho) physioloy on drug behaviour in the gastrointestinal tract is of great importance, as the GI conditions play a significant role in drug release and absorption. Thus, there is great interest on the part of the pharmaceutical industry and regulatory agencies to develop best practices in this field, especially for pH-dependent DDIs. The media and dissolution tests developed in this thesis are biorelevant methods appropriate for evaluation of the impact of elevated gastric pH on drug efficacy and safety. Such methods, used as a risk assessment tool, in connection with evaluation of the efficacy window and potential toxicity, may help to increase confidence about decisions as to whether a pH-effect will occur and whether it is relevant or not, prior to conducting clinical studies. They may also enable changes in inclusion/exclusion criteria during recruiting for large-scale efficacy trials. In fact, the biopharmaceutic approach to drug development is becoming standard practice on a number of fronts, including metabolic DDIs, renal and hepatic insufficiency, powering decision-making process and possibly even waiving certain types of clinical studies.
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We provide extensions of the dual variational method for the nonlinear Helmholtz equation from Evéquoz and Weth. In particular we prove the existence of dual ground state solutions in the Sobolev critical case, extend the dual method beyond the standard Stein Tomas and Kenig Ruiz Sogge range and generalize the method for sign changing nonlinearities.
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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Photorhabdus and Xenorhabdus are Gram-negative, entomopathogenic bacteria, living in endosymbiosis with the soil-dwelling nematode of the genera Steinernema and Heterorhabditis. The life cycle of these nematodes consists of non-feeding infective juvenile (IJ) stage, which actively searches for insects in the soil. After penetrating the insect prey, Photorhabdus and Xenorhabdus bacteria are released from the nematode gut. The bacteria proliferate and produce toxins to kill the insect. Photorhabdus and Xenorhabdus support nematode development throughout the life cycle and to get rid of food competitors by providing a wide variety of specialized metabolites (SMs). However, little is known about which SMs function as so called “food signals” to trigger the development process.
The IJs develop into adult, self-fertilizing hermaphrodites in a process called recovery, while feeding on cadaver and bacterial biomass. Heterorhabditis and Steinernema proceed to breed until nutrients are exhausted. Next generation IJs (NG-IJs) develop and leave the cadaver to search for another insect prey.
Photorhabdus and Xenorhabdus can be cultivated in defined medium under laboratory conditions. By placing IJs on a plate containing their respective bacterial symbiont, the complete life cycle of the nematodes can be observed in vitro. The in vitro nematode bioassay was used as a tool to investigate the development of the nematode.
The aim of this study was to find the food signals responsible for nematode development. Different Photorhabdus deletion strains unable to produce one or several SMs were co-cultivated with nematodes in the nematode bioassay. Subsequently, two aspects of the life cycle were investigated: recovery and NG-IJ development.
As isopropyl stilbene (IPS) is postulated to function as a food signal to support nematode recovery, it was used as a starting point for investigations. This study was focused on the biosynthetic pathway of IPS, including intermediates, side products and derivatives to investigate which one is in fact responsible for supporting nematode development.
The biosynthesis of IPS requires two precursors, phenylalanine and leucine (Figure 5). The first topic was focused on the phenylalanine derived pathway. Photorhabdus laumondii deletion mutants, defective in intermediate steps of this pathway, were created. The deletion of the genes coding for the phenylalanine ammonium lyase (stlA), converting phenylalanine into cinnamic acid (CA), the coenzyme A (CoA) ligase (stlB) and the operon coding for a ketosynthase and aromatase (stlCDE), were used. These strains were used for nematode bioassay including complementation of mutant phenotypes by feeding experiments. Recovery of nematodes grown on the deletion strains was always lower than recovery of nematodes grown on wild type bacteria. Feeding IPS to a deletion strain did not restore wild type level nematode recovery, thus IPS cannot be the food signal. Instead, the food signal must be another compound derived from this part of biosynthetic pathway. Lumiquinone and 2,5-dihydrostilbene are suggested to function as food signals and need to be investigated in future work.
The second part of this study was focused on the leucine derived pathway, which involved the Bkd complex forming the iso-branched part of IPS. A deletion of bkd was created and phenotypically analysed, subsequently performed with the nematode bioassay. Not only IPS but also other branched SMs, like photopyrones and phurealipids are synthetised by the Bkd complex. Deletions strains defective in producing photopyrones and phurealipids were also performed in nematode bioassays to investigate effects of these SMs individually. Branched SMs did not have an impact on nematode development, but nematodes grown on the ΔbkdABC strain showed a reduced nematode recovery and almost diminished NG-IJs development. As the Bkd complex also produces branched chain fatty acids (BCFAs), feeding experiments were performed with lipid extracts of wild type and mutant strain. All lipid extracts improved recovery, but only wild type lipids could complement NG-IJ development. This strongly indicates that BCFAs play an important role in NG-IJ development, which needs to be proven with purified BCFA feeding. This is an interesting finding, which could improve nematode production for biocontrol agent usage.
The role of IPS derived to epoxy stilbene (EPS) for nematode development, was another focus in the nematode life cycle. Recently it was demonstrated that EPS does not support nematode development. However, EPS forms adducts with amino acids. In my thesis, novel adducts containing the amino acid phenylalanine or a tetrapeptide were characterized. Another adduct, most likely being an EPS dimer, was also characterized. The biological role of such adducts was discussed to be potentially important for insect weakening and the structure of the novel compounds need to be structure elucidated and tested for bioactivity.
Chronische Herzinsuffizienz ist eine der führenden Todesursachen im Rahmen kardiovaskulärer Erkrankungen und ist mit einer hohen Anzahl an Komorbiditäten assoziiert. Unter anderem führt Herzinsuffizienz zu Veränderungen des Immunsystems, welche denen der Immunoseneszenz ähneln. Als einflussreiche Modulatoren ganzer molekularbiologischer Regelkreise sind microRNAs in den letzten Jahren zunehmend in den Fokus gerückt. Diese nicht-kodierenden, kurzen RNA-Einzelstränge können die Genexpression von vielen Zielgenen durch spezifisches Binden der jeweiligen mRNA Transkripte kontrollieren. Aufgrund zum Teil gewebe-, zelltyp- und prozess-spezifischer Expression können microRNAs auch als mögliche Biomarker für spezifische klinische Fragestellungen dienen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Expression von immunmodulatorischen microRNAs im peripheren Blut (PB) von jungen und gealterten gesunden Probanden (y/h bzw. o/h) sowie Patienten mit chronischer Herzinsuffizienz (CHF) untersucht. Dabei wurde ein Bezug auf Immunoseneszenz bzw. die Auswirkung von CHF auf das Immunsystem hergestellt. Im Rahmen dessen wurden Leukozyten-, insbesondere Lymphozyten-Subpopulationen analysiert.
Hierzu wurden Probanden in die drei folgenden Gruppen eingeschlossen: Patienten mit CHF (n=18, durchschnittliches Alter 64 Jahre), alters-korrelierte gesunde Probanden (n=13, durchschnittliches Alter 64 Jahre) sowie junge gesunde Probanden (n=30, durchschnittliches Alter 25 Jahre). Neben der Erhebung der klinischen Daten wurde peripheres Blut zur Bestimmung der microRNA-Expressionslevels sowie für durchflusszytometrische Analysen der Leukozytenpopulationen gewonnen.
In den Expressionsanalysen konnte eine alters- und herzinsuffizienz-abhängige Dysregulation einzelner microRNAs beobachtet werden. Insbesondere Mitglieder der miR-181-Familie, spezifisch miR-181a und miR-181c, waren im Alter niedriger exprimiert, zudem war die Expression von miR-181c bei Vorliegen einer CHF deutlicher reduziert. Des Weiteren zeigte sich eine altersabhängige erhöhte Expression von miR-34a, wobei das Vorliegen von CHF keine Auswirkung auf die Expression zeigte. Bei den microRNAs miR-146a und miR-223 konnte keine signifikante alters- oder CHF-abhängige Regulation nachgewiesen werden. Lediglich zeigte bei der miR-155 zeigte sich eine signifikante Reduktion bei Vorliegen einer CHF im Vergleich o/h Probanden.
In Hinblick auf die Leukozytenpopulationen im peripheren Blut wiesen Patienten mit CHF höhere Zahlen an Leukozyten auf, alle miR-181 Mitglieder zeigten hierbei eine inverse Korrelation. Dagegen stellte sich in Hinblick auf die Zusammensetzung der Leukozyten-Subpopulationen eine Reduktion der Lymphozytenfraktion im Alter dar, besonders bei Patienten mit CHF. Insbesondere zeigte sich eine altersabhängige Abnahme der B-Lymphozytenpopulation, wobei auch hier das Vorliegen einer CHF diesen Effekt verstärkte. Die Expression miR-181a und miR-181c sowie miR-146a und miR-223 korrelierte positiv mit dem Anteil der B-Lymphozyten. Innerhalb der B-Zellen zeigte sich eine alters- und CHF-abhängige Reduktion der naïven B-Zellen, welche positiv mit der Expression von miR-181c, miR-146a und miR-223 korrelierte. Die beobachteten Veränderungen der B-Zell-Subpopulationen zeigten sich insbesondere bei CHF Patienten mit ischämischer Ursache im Vergleich zur dilatativen Kardiomyopathie.
Bei den untersuchten T-Lymphozyten-Subpopulationen zeigte sich eine altersabhängiger Abfall bei den zytotoxischen T-Zellen. Das Vorliegen einer CHF verstärkte diesen Effekt. Die beobachteten Veränderungen der T-Zell-Subpopulation korrelierten nicht mit der Expression der untersuchten microRNAs.
Im Gegensatz zu den lymphoiden Subpopulationen zeigte sich ein Anstieg der neutrophilen Granulozyten und der Monozyten im Alter, es stellte sich jeweils eine negative Korrelation mit der Expression von miR-181 Transkripten sowie miR-155, miR-146a und miR-223 dar.
Zusammenfassend zeigten sich signifikant erniedrigte Expressionslevels von miR-181c im Alter, was mit Immunoseneszenz-bedingten Veränderungen des peripheren Bluts einherging. Diese Veränderungen zeigten sich zusätzlich verstärkt bei Patienten mit CHF. Zukünftig könnten miR-181c Expressionslevel in peripherem Blut als Biomarker für die Immunfunktionen bei CHF Patienten dienen und in Hinblick auf eine mögliche prospektive Information evaluiert werden.
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.
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.
Ein durch einen chronischen Ethanolabusus vorgeschädigter Organismus erfährt nach Hämorrhagie/Reperfusions (H/R) Trauma eine vermehrte inflammatorische Antwort und höheres Ausmaß an hepatischer Schädigung. Dies ist mit häufigerem Auftreten von Komplikationen und verlängertem Intensivaufenthalt vergesellschaftet.
Andere sowie eigene Studien haben gezeigt, dass durch D-JNK-1, ein spezifisches zellgängiges, proteaseresistentes Peptid, welches die c-Jun-N-terminale Kinase hemmt, die Inflammationsreaktion und das Ausmaß der hepatischen Schädigung nach H/R vermindert werden kann.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung, ob auch bei einem durch chronischen Ethanolabusus vorgeschädigten Organismus, die D-JNK-1 Gabe zu einer Abschwächung der Inflammation im Tiermodell führt. Des Weiteren sollte auch die Rolle des Transkriptionsfaktors NF-κB in der Inflammationskaskade unter D-JNK-1 Gabe bei der chronisch ethanolvorgeschädigter Leber genauer betrachtet werden.
Wir arbeiteten mit einem H/R Modell, sowie einem etablierten chronischen Ethanol Fütterungsregime mittels Lieber-DeCarli Diät. Die Versuchstiere erhielten nach der Durchführung von Hämorrhagie vor der Reperfusion eine D-JNK-1- oder NaCl-Gabe. Zwei Stunden nach Beendigung des Versuches wurden Leberenzyme, Lactatdehydrogenase und pro-inflammatorische Zytokine im Serum sowie die Konzentrationen der pro-inflammatorischen Mediatoren im Lebergewebe untersucht. Die Aktivität von NF-κB und c-Jun wurde durch Nachweis der relativen Proteinexpression mittels Westernblot quantifiziert. Zusätzlich wurde die NF-κB Aktivierung immunhistologisch durch die GFP Färbung untersucht. Der Leberschaden wurde histologisch mittels HE-Färbung nachgewiesen.
Durch eine 4-wöchige chronische ethanolhaltige Fütterung wird bei den Versuchstieren eine Steatosis hepatis, mit den entsprechenden strukturellen und funktionellen Veränderungen ausgelöst. Durch zusätzliche Durchführung der H/R-Prozedur wird eine relevante hepatische Schädigung sowie Inflammationsreaktion ausgelöst. NF-κB und c-Jun spielen in der Regulation der Inflammationsraktion nach H/R-Trauma eine wesentliche Rolle. Durch die chronische Ethanol-Fütterung kommt es ebenso wie durch die H/R-Prozedur zu einer Aktivierung von NF-κB und wenn auch in geringerem Ausmaß von c-Jun.
Die Intensität der durch H/R-Trauma ausgelösten Inflammationsreaktion und des Gewebeschadens in der durch chronischen ethanolgeschädigten Leber kann durch eine eimalige D-JNK-1 Gabe im Tiermodel nicht wesentlich beeinflusst werden. In der Kontrollgruppe kann durch die D-JNK-1 Applikation jedoch eine Abschwächung der posttraumatischen Inflammationsreaktion beobachtet werden.
Dies führt zu dem Schluss, dass nachdem im ersten Schritt die Grundlagen und Ursachen eines pathologischen Sachverhaltes untersucht wurden, im Anschluss an den zweiten Schritt, der weiterführenden Erforschung und Erarbeitung von therapeutischen Ansätzen, die erarbeiteten Ansätze in Hinsicht auf ihre Wirksamkeit bei Vorliegen weiterer Pathologien nochmals gesondert betrachtet werden müssen. Da das Zusammenspiel verschiedener pathologischer Zustände oftmals zur Zunahme der Komplexität führt und neue Sachverhalte aufzeigt. Jedoch bleibt es in weiterführenden Studien zu untersuchen, ob eine wiederholte Applikation des spezifischen c-Jun Inhibitors oder eine Erhöhung seiner Dosis sowie eine Modulation des Therapiezeitfensters die in vorherigen Studien beobachteten benefiziellen Effekte auch in diesem Modell herbeiführen können.
Das Projekt anan ist ein Werkzeug zur Fehlersuche in verteilten Hochleistungsrechnern. Die Neuheit des Beitrags besteht darin, dass die bekannten Methoden, die bereits erfolgreich zum Debuggen von Soft- und Hardware eingesetzt werden, auf Hochleistungs-Rechnen übertragen worden sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Werkzeug namens anan implementiert, das bei der Fehlersuche hilft. Außerdem kann es als dynamischeres Monitoring eingesetzt werden. Beide Einsatzzwecke sind
getestet worden.
Das Werkzeug besteht aus zwei Teilen:
1. aus einem Teil namens anan, der interaktiv vom Nutzer bedient wird
2. und aus einem Teil namens anand, der automatisiert die verlangten Messwerte erhebt und nötigenfalls Befehle ausführt.
Der Teil anan führt Sensoren aus — kleine mustergesteuerte Algorithmen —, deren Ergebnisse per anan zusammengeführt werden. In erster Näherung lässt anan sich als Monitoring beschreiben, welches (1) schnell umkonfiguriert werden (2) komplexere Werte messen kann, die über Korrelationen einfacher Zeitreihen hinausgehen.
Einleitung: Die Aufgabe der zahnmedizinischen Fakultäten ist unter anderem sicherzustellen, dass die Studierenden die Kenntnisse und Fähigkeiten besitzen, einfache endodontische Eingriffe durchzuführen. Für die Evaluation der zahnmedizinischen präklinischen Ausbildung in der Endodontologie liegt jedoch weder ein aktuelles Bewertungsinstrument vor noch existiert für diese eine zeitgenössische Standortbestimmung an deutschsprachigen zahnmedizinischen Fakultäten. Aus diesem Grund liegt die Zielsetzung der vorliegenden Studie in der Erstellung und Validierung eines standardisierten Fragebogens, der sich mit dieser Forschungslücke wissenschaftlich auseinandersetzt. Zahnmedizinische Fakultäten in Österreich, Deutschland und der Schweiz nahmen an der onlinebasierten Umfrage teil.
Methodik: Der Umfragebogen GEndoQ wurde auf der Grundlage früherer Fragebögen in fünf Phasen mit Hilfe der Delphi-Methode und think-aloud-Methode erstellt. Der in neun Kategorien unterteilte Fragebogen wurde vor Ausbreitung der COVID-19-Pandemie mit der SurveyMonkey Software an 37 zahnmedizinische Fakultäten gesendet. Er umfasst 50 Fragen zur Bewertung der präklinischen endodontischen Ausbildung. Unter anderem wurden das Lehrenden-Studierenden-Verhältnis, die Lehrinhalte und die zugrundeliegenden Materialien evaluiert. Die Bearbeitungszeit wurde auf insgesamt acht Wochen terminiert. Die zahnmedizinischen Fakultäten erhielten Erinnerungsmails und wurden zudem telefonisch kontaktiert, um die Vollständigkeit zu gewährleisten.
Ergebnisse: Die Rücklaufquote der Fragebögen beläuft sich auf 89%. Die Auswertung dieser ergibt, dass eine klare Diskrepanz an den beteiligten deutschsprachigen Universitäten in der präklinischen endodontischen Ausbildung vorliegt: Der theoretische Unterricht reicht von 1 bis 70 Stunden (15 Stunden im Mittel), der praktische Unterricht von 3 bis 78 Stunden (39 Stunden im Mittel). Das Verhältnis der Lehrenden zu Studierenden variiert zwischen 1:4 und 1:38 (1:15 im Mittel). 45% der Universitäten beschäftigen SpezialistInnen der Endodontologie für den Theorieunterricht. Dentalmikroskope stehen in 82% der Universitäten für präklinische Lehrzwecke zur Verfügung. Die Mehrheit (82%) der Universitäten unterrichtet die Wurzelkanalaufbereitung mit rotierenden oder reziproken NiTi-Instrumenten.
Schlussfolgerung: GEndoQ ist ein valides Bewertungsinstrument zur Beurteilung der präklinischen zahnmedizinischen Ausbildung in der Endodontologie. Darüber hinaus können zukünftige Forschungsarbeiten zur weiteren Verfeinerung und Validierung des Bewertungsinstruments beitragen. Von wissenschaftlichem Interesse wäre hierbei die Fragestellung, ob die COVID-19-Pandemie messbare Auswirkungen auf die präklinische Ausbildung in der Endodontologie hatte. Die präklinische endodontische Ausbildung hat sich in der Gegenüberstellung mit Sonntag et al. (2008) weiterentwickelt: Verbesserungen zeigen sich unter anderem im Lehrenden-Studierenden-Verhältnis und in der theoretischen Unterrichtszeit. Zudem können Fortschritte in der höheren Qualifikation der Lehrenden sowie in der Verwendung moderner Materialien und Instrumente, wie Vergrößerungshilfen oder NiTi-Instrumente, festgestellt werden. Allerdings gibt es zwischen den Fakultäten nach wie vor große Unterschiede hinsichtlich des Zeitaufwands für den theoretischen und praktischen Unterricht. Darüber hinaus ist eine Konvergenz bei der Verwendung von Wurzelkanalbehandlungstechniken und - materialien festzustellen.
Schlüsselwörter: Zahnmedizinische Fakultäten, endodontischer Lehrplan, endodontische Ausbildung, Endodontie, Online-Umfrage
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.
Die Funktion nukleärer Rezeptoren (NR) beruht auf einem empfindlichen Zusammenspiel zwischen ihren Domänen, Coregulatoren und Liganden. Die meisten Rezeptoren binden die DNA als Homo- oder Heterodimere und transregulieren die Gentranskription in Folge von Ligandenbindung. Klassische Assay-Systeme, die sich auf die Untersuchung der NR-Funktion oder auf die Charakterisierung von Substanzen richten, bilden nur die Coregulator-Rekrutierung zu isolierten NR-Ligandenbindungsdomänen (LBDs) ab und vernachlässigen dabei die NR:NR-Interaktion. Damit klammern sie die NR:NR-Wechselwirkung aus, obwohl die Rekrutierung von Cofaktoren durch allosterischen Crosstalk mit der Oligomerisierung verbunden ist. Dies war die Motivation dafür, Assay-Systeme zu entwickeln, welche die Untersuchung von NR-Interaktionen,
insbesondere der NR-Dimerisierung, und deren Modulation durch verschiedene Arten von Liganden ermöglichen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird ein vielfältiges modulares Set von Assays für die Untersuchung der NR-Dimerisierung und NR-Coregulator-Rekrutierung vorgestellt und deren Anwendbarkeit auf eine Vielzahl von NRs demonstriert. Die Verwendung einer
rekrutierungsunfähigen RXRα-Variante mit einer mutierten AF-2-Domäne ermöglichte den spezifischen Nachweis der Coaktivatorrekrutierung durch PPARγ im Kontext des Heterodimers mit seinem obligatorischen Dimerpartner RXRα. Außerdem konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung der RXRα LBD mit ihrem Agonisten SR11237 zu einer Destabilisierung des RXRα-Homodimers, aber zu einer Förderung der Bildung des Heterodimers mit der PPARγ LBD führte.
Ein zentrales Ergebnis war das Phänomen, dass der Einbau von PPARγ in das Heterodimer zu einem erheblichen Anstieg an Affinität gegenüber Coaktivatoren führt, auch in Abwesenheit von Liganden. Somit fördert die RXRα-Aktivierung die Coaktivator-Rekrutierung von PPARγ indirekt durch eine Verschiebung der Oligomerisierungspräferenz von RXRα in Richtung des Heterodimers. Zusätzlich wurde die Wirkung von Tetrac, einem nicht-klassischen Schilddrüsenhormon, auf PPARγ und RXRα untersucht und dessen Aktivierungsvermögen gegenüber beiden Rezeptoren mit einer deutlich vervielfachten Wirkung auf das Heterodimer demonstriert. Mit Hilfe des neu etablierten Cofaktor-Rekrutierungsscreens konnte die Dynamik
zwischen dem Nurr1 NR und 29 kanonischen Coregulatoren, von denen einige ligandenabhängig hohe Affinitäten zum Rezeptor aufwiesen, beleuchtet werden. Diese Interaktionen wurden
bidirektional durch eine Reihe von strukturell unterschiedlichen nicht-steroidalen Antirheumatika moduliert, die auch die Affinitäten sowohl des Nurr1-Homodimers als auch des Heterodimers mit der RXRα LBD beeinflussen konnten. Die Nurr1-Dimere zeigten zudem auch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber dem Endocannabinoid Anandamid. Zusätzlich zu PPARγ, RXRα und Nurr1 wurden erste Schritte zur Untersuchung der TLX NR-Funktion unternommen. Unter Anwendung der entwickelten Assays konnte die Heterodimerbildung der TLX und der RXRα LBD
beschrieben und die ligandenabhängige Rekrutierung des Corepressors SMRT beobachtet werden.
Zusammenfassend beschreibt diese Arbeit einen Satz von Werkzeugen für die Untersuchung von ligandenabhängiger NR-Coregulator-Interaktion und Oligomerisierung. Auf diese Weise trug sie zu einer umfassenderen Identifizierung und Charakterisierung von NR-Liganden bei und stellt eine valide Basis für die weitere Assayentwicklung und Ligandendesign dar.
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.
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.
Octanoic acid (C8 FA) is a medium-chain fatty acid which, in nature, mainly occurs in palm kernel oil and coconuts. It is used in various products including cleaning agents, cosmetics, pesticides and herbicides as well as in foods for preservation or flavoring. Furthermore, it is investigated for medical treatments, for instance, of high cholesterol levels. The cultivation of palm oil plants has surged in the last years to satisfy an increasing market demand. However, concerns about extensive monocultures, which often come along with deforestation of rainforest, have driven the search for more environmentally friendly production methods. A biotechnological production with microbial organisms presents an attractive, more sustainable alternative.
Traditionally, the yeast Saccharomyces cerevisiae has been utilized by mankind in bread, wine, and beer making. Based on comprehensive knowledge about its metabolism and genetics, it can nowadays be metabolically engineered to produce a plethora of compounds of industrial interest. To produce octanoic acid, the cytosolic fatty acid synthase (FAS) of S. cerevisiae was utilized and engineered. Naturally, the yeast produces mostly long-chain fatty acids with chain lengths of C16 and C18, and only trace amounts of medium-chain fatty acids, i.e. C8-C14 fatty acids. To generate an S. cerevisiae strain that produces primarily octanoic acid, a mutated version of the FAS was generated (Gajewski et al., 2017) and the resulting S. cerevisiae FASR1834K strain was utilized in this work as a starting strain.
The goal of this thesis was to develop and implement strategies to improve the production level of this strain. The current mode of quantification of octanoic acid includes labor-intensive, low-throughput sample preparation and measurement – a main obstacle in generating and screening for improved strain variants. To this end, a main objective of this thesis was the development of a biosensor. The biosensor was based on the pPDR12 promotor, which is regulated by the transcription factor War1. Coupling pPDR12 to GFP as the reporter gene on a multicopy plasmid allowed in vivo detection via fluorescence intensity. The developed biosensor enabled rapid and facile quantification of the short- and medium-chain fatty acids C6, C7 and C8 fatty acids (Baumann et al., 2018). This is the first biosensor that can quantify externally supplied octanoic acid as well as octanoic acid present in the culture supernatant of producer strains with a high linear and dynamic range. Its reliability was validated by correlation of the biosensor signal to the octanoic acid concentrations extracted from culture supernatants as determined by gas chromatography. The biosensor’s ability to detect octanoic acid in a linear range of 0.01-0.75 mM (≈1-110 mg/L), which is within the production range of the starting strain, and a response of up to 10-fold increase in fluorescence after activation was demonstrated.
A high-throughput FACS (fluorescence-activated cell sorting) screening of an octanoic acid producer strain library was performed with the biosensor to detect improved strain variants (Baumann et al., 2020a). For this purpose, the biosensor was genomically integrated into an octanoic acid producer strain, resulting in drastically reduced single cell noise. The additional knockout of FAA2 successfully prevented medium-chain fatty acid degradation. A high-throughput screening protocol was designed to include iterative enrichment rounds which decreased false positives. The functionality of the biosensor on single cell level was validated by adding octanoic acid in the range of 0-80 mg/L and subsequent flow cytometric analysis. The biosensor-assisted FACS screening of a plasmid overexpression library of the yeast genome led to the detection of two genetic targets, FSH2 and KCS1, that in combined overexpression enhanced octanoic acid titers by 55 % compared to the parental strain. This was the first report of an effect of FSH2 and KCS1 on fatty acid titers. The presented method can also be utilized to screen other genetic libraries and is a means to facilitate future engineering efforts.
In growth tests, the previously reported toxicity of octanoic acid on S. cerevisiae was confirmed. Different strategies were harnessed to create more robust strains. An adaptive laboratory evolution (ALE) experiment was conducted and several rational targets including transporter- (PDR12, TPO1) and transcription factor-encoding genes (PDR1, PDR3, WAR1) as well as the mutated acetyl-CoA carboxylase encoding gene ACC1S1157A were overexpressed or knocked out in producer or non-producer strains, respectively. Despite contrary previous reports for other strain backgrounds, an enhanced robustness was not observable. Suspecting that the utilized laboratory strains have a natively low tolerance level, four industrial S. cerevisiae strains were evaluated in growth assays with octanoic acid and inherently more robust strains were detected, which are suitable future production hosts.
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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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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.
An investigation of photoelectron angular distributions and circular dichroism of chiral molecules
(2021)
The present work demonstrates the capability of several type of molecular frame photoelectron angular distributions (MFPADs) and their linked chiroptical phenomenon the photoelectron circular dichroism (PECD) to map in great detail the molecular geometry of polyatomic chiral molecules as a function of photoelectron energy. To investigate the influence of the molecular potential on the MFPADs, two chiral molecules were selected, namely 2-(methyl)oxirane (C3H6O, MOx, m = 58,08 uma) and 2-(trifluoromethyl)oxirane (C3H3F3O, TFMOx, m = 112,03 uma). The two molecules differs in one substitutional group and share an oxirane group where the O(1s) electron was directly photoionized with the use of synchrotron radiation in the soft X-ray regime. The direct photoionization of the K-shell electron is well localized in the molecule and it induces the ejection of two or more electrons; the excited system separates into several charged (and eventually neutral) fragments which undergo Coulomb explosion due to their charges. The electrons and the fragments were detected using the COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy (COLTRIMS) and the momentum vectors calculated for each fragment belonging from a single ionization. The former method gives the possibility to post-orient molecules in space, giving access to the molecular frame, thus the MFPAD and its related PECD for multiple light propagation direction.
Stereochemistry (from the Greek στερεο- stereo- meaning solid) refers to chemistry in three dimensions. Since most molecules show a three-dimensional structure (3D), stereochemistry pervades all fields of chemistry and biology, and it is an essential point of view for the understanding of chemical structure, molecular dynamics and molecular reactions. The understanding of the chemistry of life is tightly bounded with major discoveries in stereochemistry, which triggered tremendous technical advancements, making it a flourishing field of research since its revolutionary introduction in late 18th century. In chemistry, chirality is a brunch of stereochemistry which focuses on objects with the peculiar geometrical property of not being superimposable to their mirror-images. The word chirality is derived from the Greek χειρ for “hand”, and the first use of this term in chemistry is usually attributed to Lord Kelvin who called during a lecture at the Oxford University Junior Scientific Club in 1893 “any geometrical figure, or group of points, “chiral”, and say that it has chirality if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincide with itself.”. Although the latter is usually considered as the birth of the word chirality, the concept underlying it was already present in several fields of science (above all mathematics), already proving the already multidisciplinary relevance of chirality across many field of science and beyond. Nature shows great examples of chiral symmetry on all scales. Empirically, it is possible to observe it at macroscopic scale (e.g. distribution of rotations of galaxies), down to the microscopic scale (e.g. structure of some plankton species), but it is at the molecular level where the number gets remarkable: most of the pharmaceutical drugs, food fragrances, pheromones, enzymes, amino acids and DNA molecules, in fact, are chiral. Moreover, the concept of chirality goes far beyond the mere spatial symmetry of objects being crucially entangled with the fundamental properties of physical forces in nature. The symmetry breaking, namely the different physical behaviour of a two chiral systems upon the same stimuli, is considered to be one of the best explanation for the long standing questions of homochirality in biological life, and ultimately to the chemical origin of life on Earth as we know it. Our organism shows high enantio-selectivity towards specific compounds ranging from drugs, to fragrances. Over 800 odour molecules commonly used in food and fragrance industries have been identified as chiral and their enantiomeric forms are perceived to have very different smells, as the well-know example of D- and L- limonene. Similarly, responses to pharmaceuticals drugs can be enantiomer specific, and in fact about 60 % the drugs currently on the market are chiral compounds, and nearly 90 % of them are sold as racemates. The same degree of enantio-selectivity is observed in the communications systems of plants and insects. Plants produce lipophilic liquids with high vapour pressure called plant volatiles (PVs) which are synthesized via different enzymes called tarpene synthases that are usually chiral. Chiral molecules and chiral effects have a strong impact on all the fields of science with exciting developments ranging from stereo-selective synthesis based on heterogeneous enantioselective catalysis, to optoelctronics, to photochemical asymmetric synthesis, and chiral surface science, just to cite a few.
Chiral molecules come in two forms called enantiomers. Their almost identical chemical and physical properties continue to pose technical challenges concerning the resolution of racemic mixtures, the determination of the enantiomeric excess, and the direct determination of the absolute configuration of an enantiomer. ...
1.1. Einleitung
Die periprothetische Infektion (PPI) gilt als eine der schwersten Komplikationen nach endoprothetischem Gelenkersatz, deren Behandlung einen hohen finanziellen, personellen und zeitlichen Aufwand erfordert. Das Krankheitsbild ist seit Beginn der Endoprothetik bekannt und das Wissen um die Pathophysiologie wurde seitdem vertieft. Die Therapie wurde um stadienadaptierte Konzepte, wirksame Antibiotika und verbesserte Implantate beachtlich erweitert. Dennoch liegt die Inzidenz der PPI beim Kniegelenk unverändert zwischen einem und zwei Prozent, bei Risikopatienten auch deutlich darüber (1). Falle einer PPI sind die primären Ziele aus Patientensicht die Wiederherstellung der Gehfähigkeit und Schmerzfreiheit bei Implantation einer beweglichen Revisionsprothese. Es zeigt sich allerdings, dass nach mehrmaligem Prothesenwechsel die Gelenkfunktion, die Patientenzufriedenheit und das Outcome abnehmen. Nach multiplen Operationen am betroffenen Gelenk leidet der Streckapparat und ein Verlust von Knochen ist unumgänglich. In diesen Extremsituationen müssen neben der Ultima Ratio einer Amputation auch Salvage-Prozeduren, wie das Anlegen einer stabilen Arthrodese, erwogen werden. Das klinische Outcome und die Lebensqualität hiervon sind bisher weitgehend unbekannt. Daher vergleicht die vorliegende Arbeit das klinische und funktionelle Behandlungsergebnis in Kombination mit der resultierenden Lebensqualität von Patienten, bei denen das Anlegen einer stabilen Arthrodese klinisch erforderlich war, mit dem von Patienten nach Implantation einer Revisionsprothese als Resultat eines mehrzeitigen septischen Endoprothesen-Wechsels.
1.2. Material und Methoden
Die Studie umfasste 104 Patienten (2010-2017), von denen alle eine periprothetische Infektion einer Knie-Totalendoprothese (KTEP) aufwiesen. In einem mehrzeitigen Verfahren wurde das Implantat gewechselt. Nach Infektberuhigung erfolgte die Implantation eines Revisionsimplantates. Im Falle von ausgedehnten Knochendefekten oder bei Verlust der Streckapparates wurde ein modularer intramedullärer Arthrodesenagel verwendet (Knie-Arthrodese-Modul, KAM-Gruppe; n=52). In der Kontrollgruppe wurde eine gekoppelte Revisionsprothese reimplantiert (Rotating Hinge Knee, RHK-Gruppe; n=52). Infektremissionsraten und das klinische Behandlungsergebnis (anhand des Knee Society Score (KSS) und Western Ontario McMasters Universities Osteoarthritis Index (WOMAC), sowie die Lebensqualität (anhand des Short Form Health Survey 12 (SF-12)) wurden gemessen. Zusätzlich wurden patientenbezogene Daten, wie Komorbititäten (Charlson Comorbidity Index (CCI)) und das Schmerzniveau (visuelle Analogskala), untersucht.
1.3. Ergebnisse
Das Durchschnittsalter der Studienteilnehmer war 72,5 Jahre. Der Charlson Comorbidity Index war in der KAM-Gruppe leicht erhöht (3,3 KAM versus 2,8 RHK). Die Infektberuhigungsrate lag bei 89,4% (88,5 KAM versus 90,4% RHK). Bei Reinfektion war der Prothesenerhalt vor allem in der RHK-Gruppe (7,7%) möglich, Amputationen mussten hauptsächlich in der KAM-Gruppe (9,6%) durchgeführt werden. In beiden Gruppen wurde eine signifikante Schmerzreduktion (visuelle Analogskala prä-OP: 7,9 post-OP: 2,8) erreicht. Die Gehstrecke der KAM-Gruppe war signifikant gegenüber der RHK-Gruppe (504 Meter KAM versus 1064 Meter RHK) vermindert. Der KSS Funktionsscore und der WOMAC (25 KAM versus 40 RHK bzw. 35 KAM versus 64 RHK) waren in der KAM-Gruppe ebenfalls signifikant niedriger. Eine etwas niedrigere Lebensqualität wurde in der KAM-Gruppe (SF-12 Körpersubskala 34 KAM versus 40 RHK; SF-12 Psychesubskala 51 KAM versus 56 RHK) beobachtet. Die generelle Zufriedenheit mit der Behandlung lag in der KAM-Gruppe bei 88% und bei 81% in der RHK-Gruppe.
1.4. Schlussfolgerungen
Sowohl durch Therapie mittels Revisionsprothese als auch durch Arthrodese konnten hohe Infektremissionsraten erreicht werden. Die Gehstrecke und Gelenkfunktion war nach Arthrodesenimplantation reduziert, doch war die Rehabilitationszeit deutlich kürzer. Eine Arthrodese mit intramedullärer Marknagelung bietet eine gute Therapieoption zum Extremitätenerhalt, zur Schmerzreduktion und zum Erhalt von Lebensqualität und Alltagsmobilität, wenn aufgrund von Knochensubstanzverlust und Streckapparatinsuffizienz keine Möglichkeit zur Implantation einer Revisionsprothese mehr besteht.
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.
Paläoklimarekonstruktionen, die es sich zum Ziel gesetzt haben, Klima-Mensch Interaktionen auf lange Zeitreihen betrachtet zu erforschen, nehmen begünstigt durch die aktuell intensiv geführte Klimadebatte, einen immer größer werdenden Stellenwert in der öffentlichen und wissenschaftlichen Wahrnehmung ein. Denn trotz aller wissenschaftlicher Fortschritte, die in den vergangenen Jahrzehnten im Bereich der modernen Klimaforschung gemacht wurden, bleibt die zuverlässige Vorhersage und Modellierung von zukünftigen Klimaveränderungen noch immer eine der größten Herausforderungen unser heutigen Zeit. Betrachtet man die Karibik exemplarisch in diesem Rahmen, dann prognostizieren viele Modellrechnungen, infolge steigender Ozeantemperaturen, ein deutlich häufigeres Auftreten von tropischen Stürmen und Hurrikanen sowie eine Verschiebung hin zu höheren Sturmstärken. Dieser Trend stellt für die Karibik und viele daran angrenzende Staaten eine der größten Gefahren des modernen Klimawandels dar, den es wissenschaftlich über einen langen Zeitrahmen zu erforschen gilt.
Klimaprognosen stützen sich meist vollständig auf hoch-aufgelöste instrumentelle Datensätze. Diese sind aber alle durch einen wesentlichen Aspekt limitiert. Aufgrund ihrer eingeschränkten Verfügbarkeit (~150 Jahre) fehlt ihnen die erforderliche Tiefe, um die auf langen Zeitskalen operierenden Prozesse der globalen Klimadynamik adäquat abbilden zu können. Betrachtet man das Holozän in seiner Gesamtheit, so wurde die globale Klimadynamik über die vergangenen ~11,700 Jahre von periodisch auftretenden Prozessen und Abläufen gesteuert. Diese wirken grundsätzlich über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten, teilweise Jahrhunderten und in einigen Fällen sogar Jahrtausenden. Viele dieser natürlichen Prozesse, können in der kurzen Instrumentellen Ära nicht gänzlich identifiziert und angemessen in Klimamodellen berücksichtig werden. Die alleinige Berücksichtigung der Instrumentellen Ära bietet daher nur eine eingeschränkte Perspektive, um die Ursachen und Abläufe von vergangenen sowie mögliche Folgen von zukünftigen Klimaveränderungen zu verstehen. Um diese Einschränkung zu überwinden, ist es somit erforderlich, dass die geowissenschaftliche Forschung mit Proxymethoden ein zusammenfassendes und mechanistisches Verständnis über alle Holozänen Klimaveränderungen erlangt.
Wenn man sich diese Limitierung, die ansteigenden Ozeantemperaturen und das in der Karibik in den vergangen 20 Jahren vermehrte Auftreten von starken tropischen Zyklonen ins Gedächtnis ruft, ist es nachvollziehbar, dass im Rahmen dieser Doktorarbeit ein zwei Jahrtausende langer und jährlich aufgelöster Klimadatensatz erarbeitet werden soll, der spät Holozäne Variationen von Ozeanoberflächenwasser-temperaturen (SST) und daraus resultierende lang-zeitliche Veränderungen in der Häufigkeit tropischer Zyklone widerspiegelt. In Zentralamerika wird das Ende der Maya Hochkultur (900-1100 n.Chr.) mit drastischen Umweltveränderungen (z.B. Dürren) assoziiert, die während der Mittelalterlichen Warmzeit (MWP; 900-1400 n.Chr.) durch eine globale Klimaveränderung hervorgerufen wurde. Die aus einem „Blue Hole“ abgeleiteten Informationen über Klimavariationen der Vergangenheit können als Referenz für die gegenwärtige Klimakriese verwendet werden.
Als „Blue Hole“ wird eine Karsthöhle bezeichnet, die sich subaerisch während vergangener Meeresspiegeltiefstände im karbonatischen Gerüst eines Riffsystems gebildet hat und in Folge eines Meeresspiegelanstiegs vollständig überflutet wurde. In einigen wenigen marinen „Blue Holes“ treten anoxische Bodenwasserbedingungen auf. Die in diesen anoxischen Karsthöhlen abgelagerten Abfolgen mariner Sedimente können als einzigartiges Klimaarchiv verwendet werden, da sie aufgrund des Fehlens von Bioturbation eine jährliche Schichtung (Warvierung) aufweisen.
In dieser kumulativen Dissertation über das „Great Blue Hole“ werden die Ergebnisse eines 3-jährigen Forschungsprojekts vorgestellt, dass das Ziel verfolgte einen wissenschaftlich herausragenden spät Holozänen Klimadatensatz für die süd-westliche Karibik zu erzeugen. Beim „Great Blue Hole“ handelt es sich um ein weltweit einzigartiges marines Sedimentarchiv für diverse spät Holozäne Klima-veränderungen, das im Zuge dieser Dissertation sowohl nach paläoklimatischen als auch nach sedimentologischen Fragestellungen untersucht wurde. Die vorliegende Doktorarbeit befasst sich im Einzelnen mit (1) der Ausarbeitung eines jährlich aufgelösten Archives für tropische Zyklone, (2) der Entwicklung eines jährlich aufgelösten SST Datensatzes und (3) einer kompositionellen Quantifizierung der sedimentären Abfolgen sowie einer faziell-stratigraphischen Charakterisierung von Schönwetter-Sedimenten und Sturmlagen. Zu jedem dieser drei Aspekte, wurde jeweils ein Fachartikel bei einer anerkannten wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit „peer-review“ Verfahren veröffentlicht.
Der insgesamt 8.55 m lange Sedimentbohrkern („BH6“), der für diese Dissertation untersucht wurde, stammt vom Boden des 125 m tiefen und 320 m breiten „Great Blue Holes“, das sich in der flachen östlichen Lagune des 80 km vor der Küste von Belize (Zentralamerika) gelegenen „Lighthouse Reef“ Atolls befindet. Durch seine besondere Geomorphologie wirkt das, innerhalb des atlantischen „Hurrikan Gürtels“ positionierte, „Great Blue Hole“ wie eine gigantische Sedimentfalle. Die unter Schönwetter-Bedingungen kontinuierlich abgelagerten Abfolgen feinkörniger karbonatischer Sedimente, werden von groben Sturmlagen unterbrochen, die auf „over-wash“ Prozesse von tropischen Zyklonen zurückzuführen sind.
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Einleitung: Der Typ 1 Diabetes (T1D) ist eine Autoimmunendokrinopathie, die mit zahlreichen Langzeitkomplikationen assoziiert ist. Kardiovaskuläre Erkrankungen (CVD) stellen hierbei den zentralen Grund für Morbidität und Mortalität dar. Ihre Pathogenese wird zunehmend im Kontext autoimmunologischer Prozesse diskutiert. Wir konnten bereits zeigen, dass Vitamin D (VD) sowohl immunmodulatorische als auch gefäßprotektive Effekte vermittelt. Daher untersuchten wir, ob durch VD die inflammatorische Aktivität CD8+ zytotoxischer T-Zellen (CTL) von Patienten mit T1D ohne und mit kardiovaskulärer Komplikation beeinflusst werden kann.
Methoden: Primär isolierte CTLs von sowohl Patienten mit T1D ohne (T1D Ø CVD, n = 20) und mit CVD (T1D + CVD, n = 20) als auch von gesunden Kontrollprobanden (HCs , n = 20) wurden über 72 h in An- bzw. Abwesenheit (+/-VD) von VD (1,25(OH)2D3) kultiviert. Die relative mRNA-Transkriptmenge der Zytokine IL-2, TNF-α, IFN-γ, IL-4, IL-6 und IL-10 sowie der Zelloberflächen- und Seneszenzmarker CD28, CD57 und CD95 wurde mittels RTqPCR analysiert. Zudem wurde die Proteinkonzentration der sezernierten Zytokine mittels CBA quantifiziert.
Ergebnisse: Die VD-Behandlung in vitro reduzierte die relative mRNA-Transkriptmenge von IL-2 (p = 0.01 und p = 0.02 resp.) und IFN-γ (p = 2x10-6 resp.) in CTLs von Patienten und HCs während die Genexpression von IL-4 (p = 2x10-6 und p = 2x10-3 resp.) und IL-6 (p = 2x10-6 und p = 4x10-6 resp.) erhöht wurde. Überdies war der VD-Effekt (ΔVDbehandelt-unbehandelt) auf die IL-4 Genexpression bei T1D + CVD stärker ausgeprägt als in der Kontrollgruppe (1.7 vs. 1.1; p = 0.03). Subgruppenanalysen zeigten zudem eine reduzierte IL-2 Genexpression durch die Behandlung mit VD in vitro bei T1D + CVD bei manifester diabetischer Nephropathie (142 vs. 97; p = 0.04) wohingegen dies bei erhaltener Nierenfunktion nicht beobachtet werden konnte (62 vs. 56; p = 0.31).
Schlussfolgerung: Die breite Modifikation der Genexpressionslevel untersuchter Zytokine bestätigt den immunmodulatorischen Effekt von VD bei Patienten mit T1D und kardiovaskulärer Komplikation. Die stark reduzierte Genexpression des pro-inflammatorischen IFN-γ legt hierbei einen potenziellen Effekt von VD in der Prävention chronisch-inflammatorischer Prozesse nahe. Die gruppenübergreifend unterschiedlich ausgeprägten VD-Effekte auf die Genexpression von IL-4 sowie die Subgruppenanalysen deuten jedoch auf eine relevante Heterogenität der immunmodulatorischen VD-Effekte hin: sowohl der individuelle klinische Zustand unter Einbeziehung assoziierter Komorbiditäten wie der diabetischen Nephropathie als auch die genetischen Variationen des VD-Systems müssen in groß angelegten Follow-up-Studien weiter untersucht werden, um optimale VD-Dosis-Effekte für klinisch relevante Subgruppen zu identifizieren.
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.
The specific and precise arrangement of proteins and biomolecules in 3D is an important prerequisite for the study of cell migration, cellular signal transduction and the production of artificial tissue. In a variety of research approaches, proteins have been immobilized on rigid surfaces such as glass or gold to observe protein-protein or protein-cell interactions. While these commonly used analytical platforms offer advantages such as rapid washing steps and easy use, due to their rigidity and two-dimensionality, they cannot replicate the extracellular matrix (ECM) the native environment of cells. This severe deviation from the natural environment results in significant changes in cell structure and cellular processes such as the polarization of the cell, its morphology, and signal transduction. In order to maintain the functionality of the immobilized proteins, it is also enormously important that the proteins are oriented and anchored in the material under mild conditions.
An immobilization strategy that makes this possible is bioaffinity. For this, the specific interaction of a biomolecule with an interaction partner anchored on a surface is used to immobilize the biomolecule. Such an interaction is for example the nitrilotriacetic acid (NTA)/His-tag binding. NTA is a chelator molecule that, when bound to divalent metal ions such as Ni(II), forms an octahedral complex with oligohistidines. The oligo histidine-tag can be competed out of the complex by free histidine or imidazole due to structural similarity. This is exploited in immobilized metal affinity chromatography (IMAC). The binding of a monoNTA/His-tag complex (KD=10 µM) is not stable enough to be used for immobilizations. Therefore, multivalent variants of the chelator were developed, like trisNTA which has a high affinity for His6 tagged proteins (KD= 10 nM). The PA-trisNTA developed in a preliminary work was the first light-activatable system based on the trisNTA chelator head.
The aim of this work was to synthesize a new two-photon (2P) activatable trisNTA (TPA trisNTA) interaction molecule, to analyze its photophysical characteristics and to apply it for two- and three dimensional (2D/3D) biomolecule patterning. The final goal was to use TPA trisNTA for cellular applications in order to manipulate membrane protein organization. Therefore, TPA trisNTA was designed to maintain a stable autoinhibition enabling the immobilization of proteins under physiological conditions with high precision in the x/y, as well as z dimension only upon light activation. 2P activation brings some outstanding advantages: i) the use of near-infrared (NIR) light is less harmful to cells compared to ultraviolet (UV) light, ii) the longer wavelength allows the radiation to penetrate deeper into tissues, iii) the precision of focal irradiation is more accurate because only a focal volume (about 1 fL) is excited and, unlike UV light, scattered light does not lead to activation.
Several backbones for TPA-trisNTA were considered as 2P cleavable groups due to their 2P absorption ability and small size: 3 nitrodibenzofuran (NDBF), 6 bromo 7 hydroxycoumarin (Bhc), and 7 diethylaminocoumarin (DEAC). Initially, suitable synthetic routes were developed for the respective carbaldehydes, since these represented an important intermediate for both the construction of amino acid (aa) derivatives as well as ß hydroxy acids. ß Hydroxy acids were important intermediates because their photocleavage differs from aa derivatives. To establish the conversion from carbaldehydes to hydroxy acids via Reformatsky reaction, commercially available carbaldehydes of the nitroveratral (NV) or nitropiperonal (NP) group were used in addition. The conversion of NDBF, NV, NP proved to be difficult, whereas the ß-hydroxy acid was successfully synthesized from Bhc as well as from DEAC.
Starting from DEAC ß hydroxy acid, a Fmoc protected amino acid derivative was synthesized. To ensure high cleavage efficiency, the DEAC ß hydroxy acid was linked to monoFmoc ethylenediamine through a carbamate linker. Subsequently, the photocleavable group was successfully incorporated into the linker of TPA-trisNTA by solid-phase peptide synthesis (SPPS).
The functional principle of TPA-trisNTA, similar to PA-trisNTA, is based on the autoinhibition of the multivalent chelator head trisNTA, which is linked to an intramolecular oligohistidine sequence by a peptide linker. In presence of Ni(II) ions, trisNTA forms a metal ion-mediated complex with histidine, causing TPA-trisNTA to self-inactivate. The cleavage site is the DEAC based photocleavable amino acid. In contrast to PA-trisNTA, the incorporation of two photocleavable amino acids was omitted. Instead, only one photocleavable DEAC was incorporated in front of the His tag. To avoid a second DEAC group within the His tag, a His5 tag was used instead of an His6 tag. It is known from preliminary work that a His5 tag is sufficient to maintain autoinhibition in the presence of His6-tagged proteins of interest (POIs), but can be displaced from the complex after light-driven cleavage of the peptide backbone. Placement of a cysteine in the peptide linker between the trisNTA and the DEAC group allowed for permanent surface anchoring after photocleavage of the linker.
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Aufbau: Acoustic Radiation Force Impulse (ARFI)- Bildgebung ist eine auf der konventionellen Ultraschall- Bildgebung basierende Elastographie- Methode, die die quantitative Messung der Festigkeit und Elastizität von Gewebe ermöglicht. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, ARFI- Bildgebung für die Differenzierung von Schilddrüsenknoten zu evaluieren und mit der bereits gut erprobten qualitativen Messmethode der Real-Time Elastographie (RTE) zu vergleichen.
Material und Methoden: ARFI- Bildgebung basiert auf der Aussendung von akustischen Impulsen in Gewebe, wodurch lokale Gewebeverschiebungen hervorgerufen werden. Die dabei entstehenden Transversalwellen wiederum werden über auf Korrelation basierende Methoden mittels Ultraschallwellen detektiert und in m/s angegeben. Einschlusskriterien der Studie waren: Knoten ≥ 5 mm sowie eine zytologische/histologische Aufarbeitung. Alle Patienten erhielten eine konventionelle Ultraschall- Untersuchung, eine Real-Time Elastographie sowie eine ARFI- Bildgebung.
Ergebnisse: Es standen 158 Knoten aus 138 Patienten zur Analyse zur Verfügung. 137 Knoten erbrachten bei der zytologischen/histologischen Aufarbeitung ein benignes Ergebnis, 21 Knoten hingegen wurden als maligne eingestuft. Die mittlere Geschwindigkeit der Messungen der ARFI- Bildgebung in gesundem Schilddrüsengewebe betrug 1,76 m/s, in benignen Knoten 1,90 m/s und in malignen Knoten 2,69 m/s. Es konnte kein signifikanter Unterschied der mittleren Geschwindigkeit zwischen gesundem Schilddrüsengewebe und benignen Knoten ermitteltet werden, wohingegen ein signifikanter Unterschied zwischen malignen Knoten und gesundem Schilddrüsengewebe (p= 0,0019) einerseits und benignen Schilddrüsenknoten (p=0,0039) andererseits bestand. Für die diagnostische Genauigkeit bei der Diagnose von malignen Schilddrüsenknoten konnte kein signifikanter Unterschied zwischen RTE und ARFI- Bildgebung festgestellt werden (0,74 vs. 0,69, p=0,54). Die Kombination von RTE und ARFI- Bildgebung erhöhte die Spezifität bei der Diagnose von malignen Schilddrüsenknoten von 72% (nur RTE) auf 92% (kombiniert).
Schlussfolgerungen: ARFI- Bildgebung kann als zusätzliche Methode bei der diagnostischen Aufarbeitung von Schilddrüsenknoten genutzt werden und liefert dabei einen hohen negativen prädiktiven Wert sowie vergleichbare Ergebnisse wie die RTE.
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.
This thesis deals with the phenomenology of QCD matter, its aspects in heavy ion collisions and in neutron stars. The first half of the work focuses on the hadronic phase of QCD matter. One focus is on how the hadronic phase shows itself in heavy ion collisions and how its dynamics can be simulated. The role of hadronic interactions is considered in the context of the lattice QCD data. The second part of this thesis presents a unified approach to QCD matter, the CMF model. The CMF model incorporates many aspects of QCD phenomenology which allows for a consistent description of the hadron-quark transition, making it applicable to the entire QCD phase diagram, i.e., to the cold nuclear matter and to the hot QCD matter. It is shown that a description of both the hot matter created in heavy ion collisions and the cold dense matter in neutron star interiors is possible within one single approach, the CMF model.
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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Viele Studien konnten nachweisen, dass die Produktion von cGMP eine entscheidende Funktion im nozizeptiven System einnimmt. Hierbei wurde vor allem die cGMP-Produktion über lösliche Guanylatzyklasen untersucht. Welche Rolle die partikulären Guanlyatzyklasen bei der Entstehung von Schmerzen haben ist weitgehend ungeklärt. Die vorliegende Arbeit zeigte, dass die partikuläre Guanylatzyklase NPR2 stark in DRG-Neuronen exprimiert wird und dort mit cGKI-alpha sowie CRP4 colokalisiert ist. Aktiviert wird NPR2 über den Peptidliganden CNP. Hervorzuheben ist, dass CNP nicht in primär afferenten Neuronen, dafür jedoch vermehrt im Dorsalhorn des Rückenmarks gebildet wird. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigten, dass SNS-Npr2-/--Mäuse ein verringertes Schmerzverhalten bei thermischer Stimulation aufwiesen. Während sie im Capsaicin-Test keinen Phänotyp zeigten, wiesen sie in Phase II des Formalin-Modells ein signifikant reduziertes Leckverhalten auf. Diese Ergebnisse liefern Hinweise für eine Beteiligung des CNP/NPR2/cGKI Signalwegs an der Detektion von Hitzeschmerz und an der TRPA1-vermittelten Schmerzantwort. Dabei scheint NPR2 eine pronozizeptive Funktion zu besitzen. CRP4 als Zielprotein scheint hingegen eine antinozizeptive Wirkung zu haben. Zudem kann die Hypothese aufgestellt werden, dass CNP über einen retrograden Transport aus dem Rückenmark die Aktivierung von NPR2 auslösen könnte. Zusammengefasst zeigen die Daten dieser Arbeit, dass eine cGMP-abhängige Aktivierung durch NPR2 primär für die Detektion thermischer Reize zuständig ist, während die Literatur Hinweise darauf gibt, dass lösliche Guanylatzyklasen vor allem an inflammatorischen und neuropathischen Prozessen beteiligt sind. Daher scheinen partikuläre und lösliche Guanylatzyklasen unterschiedliche Eigenschaften im nozizeptiven System zu besitzen.
Endolysosomal effectors and their relevance for antiviral activity against the Hepatitis E virus
(2021)
Mit über 20 Millionen registrierter Fälle pro Jahr, repräsentiert das Hepatitis-E-Virus (HEV) eine Hauptursache einer viralen Hepatitis weltweit und stellt ein erhebliches Risiko insbesondere für Schwangere und Immunsupprimierte dar. Jedoch sind Behandlungsoptionen stark limitiert und mit teils schweren Nebenwirkungen verbunden. Neue Erkenntnisse des Wechselspiels zwischen Wirtszelle und HEV werden deshalb benötigt, um neue antivirale Wirkstoffe zu entwickeln. Der Fokus der Arbeit wurde hierbei auf Effektoren des endosomalen Systems gesetzt, welches von HEV zur Freisetzung von Virionen genutzt wird.
Eine virale Infektion führt in der Zelle zur Produktion von Interferonen (IFNs) und weiters zu einer IFN-Antwort. Ein essenzielles Effektormolekül, welches HEV nachweislich effizient repressiert, ist die GTPase guanylate binding protein 1 (GBP1). In dieser Studie wurde beleuchtet, dass Letztere durch eine HEV-Infektion induziert wird. Zusätzlich reduziert die ektopische Expression von GBP1 sowohl die intrazelluläre Menge des HEV Kapsidproteins als auch die Menge freigesetzter Virionen. Mechanistisch liegt diesem Sachverhalt die GBP1-induzierte Inkorporation von Virionen in Lysosomen zugrunde, was schlussendlich deren Abbau nach sich zieht. Erkenntnisse über die Rolle verschiedener GBP1 Proteindomänen innerhalb des Mechanismus wurden unter Verwendung ektopischer Expression von GBP1-Mutanten erlangt. Inkorporation der Mutation R48A führt zum Verlust der GTPase-Aktivität. Andererseits führt eine Inkorporation der Mutation S73A zum Verlust der Homodimerisierung, was die nachfolgende Farnesylierung und gekoppelte Membranassoziation reduziert. Hierbei behält GBP1-R48A Fähigkeiten zur Induktion lysosomalen Abbaus von HEV bei, GBP1-S73A jedoch nicht. Dies wiederum bedeutet, dass eine GBP1 Homodimerisierung notwendig für den antiviralen Mechanismus ist, was eine Adapterfunktion des Moleküls für lysosomale Inkorporation nahelegt. Die Relevanz von GBP1 während einer IFNγ-Antwort wurde deshalb mittels siRNA-basiertem Silencing untersucht. Ähnlich der ektopischen Expression von GBP1 induziert IFNγ die lysosomale Degradation von HEV. In Abwesenheit von GBP1 jedoch, ist dieser Effekt signifikant geringer ausgeprägt, was zu einem Effizienzverlust von IFNy in Bezug auf dessen antiviralen Effekt bedeutet. Dies führte schlussendlich zur Identifizierung von GBP1 als essenziellen Restriktionsfaktor gegen HEV, was seine Rolle in Abhängigkeit seiner Homodimerisierung via Induktion lysosomalen Abbaus erfüllt.
Nebst der Induktion von GBP1, konnte eine Akkumulation von Cholesterin in Lysosomen durch IFNy nachgewiesen werden. Da dieses Lipid einen essenziellen Faktor für endosomale Reifung, Transport und Funktionalität darstellt, wurden Cholesterinspiegel und verbundene transkriptionelle Fußabdrücke im Kontext einer HEV Infektion untersucht. Letztere führt zu einer Dysregulation Cholesterin-assoziierter Genexpression, was eine Reduktion intrazellulären Cholesterins nach sich zieht. Auch in HEV infizierten Patienten liegt eine Abnahme des Serumcholesterins vor. Unter Modulation intrazellulären Cholesterins, wurde deutlich, dass die Inhibition der Cholesterinsynthese durch Simvastatin eine verstärkte Freisetzung von Virionen nach sich zieht, was ebenso in HEV infizierten Patienten nachweisbar war. Im Gegensatz hierzu zieht eine Erhöhung intrazellulären Cholesterins via Supplementierung von Lipoproteinpartikeln niedriger Dichte (LDL) oder 25-Hydroxycholesterin eine signifikante Reduktion des viralen Kapsidproteins und freigesetzter Virionen nach sich. Dem liegt eine verstärkte Inkorporation von HEV in Lysosomen mit anschließender Degradation zugrunde. Ob dieser Mechanismus pharmakologisch nutzbar ist, wurde mittels eines Screenings Lipid modulatorischer Medikamente untersucht. Der p-Glykoprotein Inhibitor PSC833 und besonders der PPARα-Agonist Fenofibrat stellten sich als äußerst effiziente Inhibitoren des HEV heraus. Beide führen zu einer Erhöhung und Akkumulation zellulären Cholesterins in vesikulären Strukturen. Dies zieht eine dramatische Erhöhung lysosomaler Lokalisation von HEV nach sich und führt letzten Endes zu einer signifikanten Reduktion freigesetzter Virionen.
Zusammenfassend konnten in dieser Studie essenzielle Funktionen von GBP1 in Bezug auf dessen restriktiven Effekt gegen HEV identifiziert werden. Weiters wurde dieses als entscheidender Wirtsfaktor für die IFNγ-Antwort gegen das Virus identifiziert. Andererseits legt diese Studie nahe, dass HEV niedrige Cholesterinspiegel innerhalb infizierter Zellen für die Freisetzung von Virionen benötigt. Andererseits sind erhöhte intrazelluläre Cholesterinspiegel schädlich für die virale Freisetzung, da der lysosomale Abbau von Virionen induziert wird. Dies führte zur erfolgreichen Entdeckung eines neuartigen antiviralen Wirkstoffes, welcher diesen cholesterinabhängigen Effekt effizient induziert: Fenofibrat.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
In order to form an organ, cells need to take up specialized functions and tasks. Cellular specialization is guided by an interplay of chemical signals and physical forces, where one influences the other. One aspect in cellular identity is its shape, which e.g. defines how susceptible the cell may be to intercellular signaling or in which section of the cell cycle it is and therefore can tell us about its current state. Shape changes are introduced by motor proteins that are controlled and activated in a locally confined manner. For my thesis, I was interested to understand better how cellular shape and geometry impacts downstream cell and organ development. What happens if a cell cant transition to a specific shape? How does it affect tissue structure? How does it affect further development?
One regulator of motor proteins like non-muscle myosin is Shroom3, which recently has been been shown to be expressed and involved in the development of the zebrafish lateral line organ (1 ). Development of the lateral line occurs through a migrating cluster of initially about 150 cells, the posterior lateral line primordium (pLLP), which migrates from the anterior (head) to the posterior (tail) while depositing cell clusters in a regular pattern. Literature on development of the lateral line suggests that in order for a cell cluster to be deposited from the pLLP, rosette formation is a key requirement. Therefore our expectation from the shroom3 mutant was that the number of clusters deposited was significantly reduced. To our surprise, when we first inspected the end of migration lateral line phenotype we found many individuals with a significant increase in cell clusters deposited.
This made us re-think the role of Shroom3 during rosette assembly and the processes its involved in.
To study the effects of Shroom3 on lateral line development, a mutant line was generated and crossed with various transgenic lines which express fluorescently labeled proteins that locate to organelles such as the plasmamembrane or the nucleus. Following, the mutant with its fluorescent labels was microscopically imaged under different conditions to quantify and analyze various cell-morphometric features. Even though the zebrafish is a popular model organism and its perfectly suited for developmental biology and advanced microscopy, there were no methods that would allow for a standardized and more automated pipeline of data acquisition and processing.
Therefore, in order to accurately quantify the morphogenic processes Shroom3 is involved in, I developed a new toolset that significantly improved and facilitated my research. The toolset consists of (1) a new sample mounting method that is based on a 3D agarose gel that increases the number of embryos that can be mounted and imaged at once and speeds up the imaging process significantly (2) for subseqent image analysis I developed four programs that automate the process and therefore make the results much more reproducible and the analysis much more efficient. The first program is used for end of migration analyses, to deduce the pattern, count and size of Lateral Line cell clusters. The second is used not for end of migration, but for migration analyses (on timelapse recordings). Besides this it also prepares the images for more advanced downstream migration analyses and allows to analyse fluorescence signal on a second channel. The third program is used to analyse the pLLP only at high spatial resolution and to deduce the cell count, 3D cell morphometrics (like the volume) and cell orientation. The fourth program finally is used downstream of the second and third program and is capable of detecting and comparing them with the look of wildtype rosettes.
Here I show that in absence of Shroom3 rosette formation in the migrating pLLP is destabilized leading to facilitated cell cluster deposition and I show how this might be related to traction forces due to a possible interdependence of pLLP acceleration and speed of migration. Furthermore I show that apical constriction and rosette formation is not blocked in Shroom3 deficient embryos, but that larger rosettes are fragmented into many smaller ones. Finally, I give an outlook on how the absense of Shroom3 and hence the absense of morphological changes may deregulate gene transcription by elevating the levels Atoh1a, a transcription factor necessary for hair cell development.
My results and methodology demonstrate the importance of morphology in guiding developmental processes and how rather small morphological changes on the cellular level can impact further development significantly. My work also shows how powerful modern genetics, imaging and image analysis are and how diverse they are in terms of range of questions they are capable of answering. The methods and tools I developed prepare the ground for at least three quarters of the analyses I carried out and together with the documentation and data I provide, they are highly reproducible. In that regard I am especially happy that one of my developments, an improved sample preparation method, is already used by many different labs all over the world helping them to make their results more reproducible.
Genetic and genomic tools have provided researchers with the opportunity to address fundamental questions regarding the reintroduction of species into their historical range with greater precision than ever before. Reintroduction has been employed as a conservation method to return locally extinct species to their native range for decades. However, it remains unknown how genetic factors may impact population establishment and persistence at the population and metapopulation level in the short- and long-term. Genetic methods are capable of producing datasets from many individuals, even when only low quality DNA can be collected. These methods offer an avenue to investigate unanswered questions in reintroduction biology, which is vital to provide evidence based management strategies for future projects. The Eurasian lynx (Lynx lynx) and European wildcat (Felis silvestris) are elusive carnivores native to Eurasia and have been the subject of multiple reintroduction attempts into their native range. During the 19th and 20th century, the Eurasian lynx was extirpated from West and Central Europe due to increasing habitat fragmentation and persecution. Similarly, the European wildcat was the subject of human persecution, residing in a few refugia in West and Central Europe. After legal protection in the 1950s, subsequent reintroduction projects of both species began in the 1970s and 1980s and continue to the present. Despite this large focus on species conservation, little attention has been given to the consequences these reintroductions have on the genetic composition of the reintroduced populations and if the populations have a chance of persisting in the long term. These species have not yet benefited from the large range of genetic and genomic techniques currently available to non-model organisms, leaving many fundamental aspects of their reintroduction poorly understood. In my dissertation, I investigate demography, population structure, genetic diversity and inbreeding at the population and metapopulation level in both species. In the introduction, which lays the foundation for the subsequent chapters of this PHD, I provide background on reintroduction, its role in conservation and the genetic consequences on populations, especially populations of apex and mesocarnivores. In Publication I, I investigated the reemergence of the European wildcat in a low mountain region in Germany using fine-scale spatial analysis. I found that the reintroduced population has persisted and merged with an expanding natural population. The reintroduced population showed no genetic differentiation from the natural population suggesting there is a good chance this population has retained sufficient genetic diversity despite reintroduction. In Publication II, I tracked population development and genetic diversity over 15 years in a reintroduced lynx population to determine the genetic ramifications on a temporal scale. I found slow genetic erosion after a period of outbreeding, which fits in line with other reintroduced taxa sharing similar demographic histories. I also found the number of genetic founders to be a fraction of the total released individuals, indicating that reintroduced populations of elusive carnivores may have fewer founder individuals than previously thought. In Publication III, I sampled all surviving lynx reintroductions in West and Central Europe as well as 11 natural populations to compare levels of genetic diversity and inbreeding across the species distribution. I found that all reintroduced populations have lower genetic variability and higher inbreeding than natural populations, which urgently requires further translocations to mitigate possible negative consequences. These translocations could stem from other reintroduced populations or from surrounding natural populations. The results contribute to a growing body of evidence indicating that inbreeding is likely to be more prevalent in wild populations than previously understood. Finally, in the discussion I explore how genetic methods can be applied to post-reintroduction monitoring of felid species to illuminate questions relating to genetic composition after release. The methods employed in these studies and in future work will be highly dependent on the research questions posed. Additionally, I investigate the drivers of the observed genetic patterns including founder size, source population, environmental factors, and population growth. I found that genetic diversity loss patterns across these two felid species are not clearly defined, however, management actions can be taken to mitigate the negative effects of reintroductions. These management actions include further translocation, introducing a sufficient number of released individuals and situating reintroductions adjacent to natural populations. All of these actions can minimize genetic drift and inbreeding, two factors which negatively impact small populations. This thesis further supports mounting evidence that genetic considerations should be assessed before releasing individuals, which allows for incorporation of scientific evidence into the planning process thereby increasing the overall success of reintroduction projects. Ultimately, the resources developed during this dissertation provide a solid baseline and foundation for future work regarding the consequences of reintroductions. This is especially important as an increasing number of species are at risk of extinction and reintroductions of both the European wildcat and Eurasian lynx, as well as many others, are planned in the coming years.
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.
The Compressed Baryonic Matter (CBM) Experiment will investigate heavy ion collisions and reactions at interaction rates of 100 kHz in a targeted energy range of up to 11 AGeV for systems such as gold-gold or lead-lead. It will be one of the major scientific experiments of the Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR) currently under construction at the site of the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Germany. CBM is going to be a fixed target experiment consisting of a superconducting magnet, multiple detectors of various types, and high-performance computing for online event reconstruction and selection. The detector closest to the interaction point of the experiment will be the Micro Vertex Detector (MVD). Consisting of four planar stations equipped with custom CMOS pixel sensors, it will allow to reconstruct the primary vertex with high precision and will help to reconstruct secondary vertices and identify particles originating from conversion in the detector material.
Due to the high interaction rates foreseen for CBM, understanding and minimizing systematic errors due to the detectors’ operating conditions will become all the more important to obtain significant measurement results, as statistical errors in the measurements of many observables are diminishing due to the enormous amount of data available.
Furthermore, the MVD will be the first detector based on CMOS pixel sensors used in a large physics experiment, that will be operated in vacuum. As a result, many aspects of the mechanical and electrical integration of the detector require careful testing and validation.
This thesis addresses both those challenges specifically for the Micro Vertex Detector with the development of a control system for the operation and validation of the MVD prototype “PRESTO” in vacuum. The prototype was selected as device under test as the final MVD is not yet built.
The developed control system helps a) to operate the prototype safely and keep it at the desired working point and b) to record important time-series data of the state of the detector prototype. Those two aspects allow the control system (which might later serve as a ‘blueprint’ for the final detector) to minimize the mentioned systematic errors as much as possible and to contribute to the understanding of remaining systematic errors using correlations with the time-series data. The controlled operation of the prototype in vacuum allowed to validate the integration concepts from a wide range of mechanical and electrical aspects in an endurance test for more than a year with 24/7 operation.
The prototype for this study itself was named “PRESTO” (standing for ‘PREcursor of the Second sTatiOn of the CBM-MVD’). It represents one quadrant of an MVD detector plane, equipped with a total of 15 MIMOSA-26 sensors on the front and back side of a carrier plate. Within this thesis, major parts of the prototype itself were designed. Custom ultra-thin flat flexible cables for data and power were designed and validated. Furthermore, the CNC-machined Aluminium heatsink to mount and cool the prototype design was refined to increase thermal performance. A custom vacuum feedthrough for a total of 21 flat ribbon cables was designed and fabricated. The read-out chain for MIMOSIS-26 was extended to cover a total of 8 sensors with a single and newer TRB-3 FPGA board and was set-up with the prototype. Vacuum equipment including chambers, hoses, pumps, valves and gauges were integrated to form a large vacuum testing system. A cooling circuit for the prototype was assembled comprising an external chiller, hoses, vacuum feedthroughs, as well as temperature, flow and pressure sensors.
The control system was developed to serve the needs of the prototype, while taking the requirements of the final MVD already into account. The main design goals of the control system are:
• compatibility with the other detectors and the overall CBM experiment,
• access to real-time measurements of all necessary parameters (‘process values’),
• reliable, fail-safe operation of the detector,
• recording of all time-series data (‘archiving’),
• cost efficiency and acceptance within the physics community,
• good usability for the users (‘operators’),
• long-term maintainability.
The recorded time-series data of the process variables (i.e. sensor readings) allow a post-measurement analysis of variations in the detector performance. The longterm archiving of all relevant system parameters is therefore of outstanding importance, which is why the software intended for this purpose – called “archiver” – was given special attention in this thesis.
For this reason in particular, it is necessary to implement a comprehensive control system that allows the detector to be operated safely under these conditions and cooled effectively. Before the start of this doctoral thesis, vigilant and extensively trained operators were always necessary for this. The control system that has been developed makes it possible that, after basic training, the detector can also be operated by a less specialised shift supervisor during measurement campaigns.
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Einfluss eines Erste-Hilfe-Kurses für Medizinstudierende auf notfallmedizinische Basiskompetenzen
(2021)
Medizinstudierende sind bereits in der Vorklinik häufig mit Situationen konfrontiert, in denen medizinische Notfälle passieren, die unter anderem wegen der Lage des Universitätscampus und den damit verbundenen Kontakt zu Patientinnen und Patienten oder in den Pflegepraktika. Tritt in diesen Situationen ein medizinischer Notfall ein, müssen sie Erste Hilfe leisten können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher die Erfassung notfallmedizinischer Basiskompetenzen von Medizinstudierenden der Vorklinik und die Frage, ob diese ausreichend sind, um den Anforderungen ihres Umfeldes gerecht zu werden. Des Weiteren wurde ein Erste-Hilfe-Kurs speziell für Vorklinikstudierende basierend auf dem ABCDE-Schema konzipiert, implementiert und evaluiert, ob die erfassten Kompetenzdefizite behoben werden konnten.
In einem Pre-Post-Design wurde die theoretische Kompetenz anhand eines 10 Items Multiple-Choice-Tests und die praktischen Kompetenzen anhand von 3 OSCE-/OSPE-Stationen (je 5 min) erfasst. Sowohl der MC-Test als auch die OSCE-/OSPE-Stationen wurden in Probeläufen getestet und überarbeitet. Soziodemographische Daten wurden mittels Fragebogen erhoben. Der entwickelte Kurs umfasst 9 UE (davon 6 UE praktische Übungen) in denen die zu erlernenden Erste-Hilfe-Maßnahmen strukturiert und in logischer Reihenfolge anhand des etablierten ABCDE-Schemas vermittelt werden. Jeweils 8 Teilnehmende werden von zwei geschulten Peer-Dozierenden unterrichtet. Im Anschluss an das Training erfolgte eine erneute Erhebung der theoretischen und praktischen Kompetenzen. Die Eingabe der Rohdaten erfolgte in Microsoft Excel (Microsoft Inc., Redmond, WA, USA). Die weitere Auswertung erfolgte mittels SPSS (SPSS Inc., Chicago, IL, USA).
160 Studierende aus den ersten beiden Studienjahren konnten in die Studie eingeschlossen werden. Im Basis-Assessment demonstrierten nur 25% der Studierenden zwei Minuten lang eine suffiziente Kompression mit richtiger Frequenz und Drucktiefe, nur 29% überstreckten am Ende der Seitenlage den Kopf des Patienten und öffneten den Mund. Im Anschluss an das Training erzielten die Studierenden an allen OSCE/OSPE-Stationen signifikant bessere Ergebnisse: Bei der stabilen Seitenlage steigerten sie sich durchschnittlich um 5,3 Punkte (max. 14), bei der Reanimation um 6,8 Punkte (max. 18). Während sich vor dem Kurs 33% der Studierenden in der Lage fühlten, Wiederbelebungsmaßnahmen durchzuführen, waren dies nach dem Kurs 98%. Die Kursevaluation war durchweg positiv.
Die Erfassung notfallmedizinischer Basiskompetenzen von Medizinstudierenden der Vorklinik zeigte, dass diese nicht ausreichend geschult sind, um Notfallsituationen adäquat zu bewältigen. Vor diesem Hintergrund muss eine dem Anforderungsprofil entsprechende Ausbildung in Erster Hilfe bereits in der Vorklinik an der Universität gewährleistet werden. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass mithilfe eines speziell auf Medizinstudierende ausgerichteten Erste-Hilfe-Kurs eine deutliche Steigerung notfallmedizinischer Basiskompetenzen erfolgen kann.
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.
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.
Für eine erfolgreiche Behandlung mit implantatprothetischen Therapiekonzepten ist eine stabile Implantat-Abutment-Verbindung entscheidend. Vor allem die Abutmentschraube als komplikationsanfälligste Komponente dieser Verbindung steht im Mittelpunkt zahlreicher wissenschaftlicher Untersuchungen. Implantate und Komponenten aus Zirkoniumdioxid sind schon seit einigen Jahren auf dem Markt erhältlich. Dennoch gibt es keine Studien, die sich mit der Vorspannkraft von Schrauben bei Implantaten und Abutments aus Zirkoniumdioxid beschäftigen. Ebenso wurden bisher noch keine Schrauben mit Feingewinde im Bereich der Implantologie untersucht. Die vorliegende Studie soll den beschriebenen Forschungsbedarf abdecken.
Um zu ermitteln, in wieweit die Schraubengeometrie Einfluss auf die Vorspannkraft bei Implantat-Abutment-Verbindungen aus Zirkoniumdioxid hat, wurden verschiedene Schrauben hergestellt. Mit einem Schraubenkopfwinkel von 90° wurden Schrauben mit Feingewinde (M1,4x0,2) und 2, 4 und 6 Gewindegängen produziert. Zur Variation des Schraubenkopfwinkels wurden Schrauben mit Feingewinde und 4 Gewindegängen sowie einem Schraubenkopfwinkel von 30° und 60° hergestellt. Es wurden Gewindehülsen als Implantat-Analog und Schraubenkopfauflagen aus Zirkoniumdioxid extern hergestellt und eingekauft (Firma Microceram, Meißen, Deutschland).
Um die Vorspannkraft der Verbindung messen zu können, wurden die Prüfkörper in eine zu diesem Zweck entwickelte Messeinheit integriert. Die Messeinheit besteht aus einem Gerüstzylinder, der als Rahmenkonstrukt dient. Im Inneren des Gerüstzylinders befindet sich die Gewindehülse als Implantat-Analog in einem Spannfutter, das in direkter Verbindung mit dem Messsensor steht. In einer Fassung über der Gewindehülse befindet sich die Schraubenkopfauflage als Abutment-Analog. Gewindehülse und Schraubenkopfauflage stehen dabei nicht in direktem Kontakt. Erst durch die Versuchsschrauben kommt diese Verbindung zustande. Die Zugkraft, die beim Anziehen der Schraubenverbindung entsteht, wird vom Sensor registriert. Er leitet daraus die Vorspannkraft der Verbindung ab.
Jede Prüfverbindung wurde mit vier aufeinander folgenden Anzugsdrehmomenten angezogen (15 Ncm, 20 Ncm, 25 Ncm und 30 Ncm). Nach jedem Anzugsvorgang erfolgte die Messung der Vorspannkraft. Die Messwerte sind somit in Abhängigkeit des Anzugsdrehmoments erhoben worden.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Gewindegangzahl der Schrauben keinen Einfluss auf die erzielte Vorspannkraft der Verbindung hat. Die gemessenen Vorspannkräfte bei Schrauben mit 2, 4 und 6 Gewindegängen weisen einen nahezu linearen Einfluss des Anzugsdrehmoments auf die Vorspannkraft nach: Je höher das Anzugsdrehmoment, desto höher auch die ermittelte Vorspannkraft.
Der Schraubenkopfwinkel hingegen zeigte einen Einfluss auf die Vorspannkraft. Bei einem sehr steilen Schraubenkopfwinkel von 30° wurden die geringsten Werte für die Vorspannkraft ermittelt, bei einem Schraubenkopfwinkel von 90° die Höchsten.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden mit Ergebnissen einer anderen Versuchsgruppe verglichen, die im selben Versuchsaufbau Schrauben mit gleicher Konfiguration, aber Regelgewinde (M1,6x0,35) statt Feingewinde und größerem Schraubendurchmesser untersuchten. Im Vergleich der Ergebnisse ergab sich kein Vorteil im Bezug auf die erzielte Vorspannkraft bei Schrauben mit Feingewinde.
Schrauben mit 2 Gewindegängen lieferten eine ähnliche Vorspannkraft wie Schrauben mit 4 oder 6 Gewindegängen. Dies legt die Möglichkeit nahe, kürzere Schrauben und somit kürzere Implantate zu entwickeln, um aufwendige Augmentationsmaßnahmen bei geringer Restknochenhöhe umgehen zu können. Vorher müssen jedoch weitere Untersuchungen folgen, um die Stabilität von Schrauben mit 2 Gewindegängen zu überprüfen.
Lippen-Kiefer-Gaumenspalten sind häufige, angeborene Fehlbildungen beim Menschen und werden zumeist schon innerhalb des ersten Lebensjahres operativ korrigiert. In 5-11% der Fälle ist das Vorliegen einer solchen Anomalie mit einer schwierigen Laryngoskopie assoziiert und kann ein modifiziertes Vorgehen bei der Sicherung des Atemweges erfordern. Videolaryngoskopische Techniken kommen hierbei vermehrt zum Einsatz und können auch im Kindesalter zu einer Verbesserung der Intubationsbedingungen beitragen.
In der vorliegenden Arbeit wurden die Intubationsbedingungen zwischen der indirekten Laryngoskopie mittels Glidescope® GVL Spatel Gr. 2 und der indirekten sowie direkten Laryngoskopie mittels C-MAC® Miller-Spatel Gr. 1 bei Kindern mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalte miteinander verglichen.
Über einen Zeitraum von acht Monaten wurden Kinder mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalte prospektiv abwechselnd entweder indirekt mit dem Glidescope® oder direkt und indirekt mit dem C-MAC® laryngoskopiert. Die Visualisierung der Glottisebene nach der modifizierten Cormack und Lehane Klassifikation war das Hauptzielkriterium. Sekundäre Zielparameter waren unter anderem die Zeit bis zur optimalen Sicht und die Zeit bis zur Intubation.
36 Kinder, die sich einer elektiven Korrektur einer Lippen-Kiefer-Gaumenspalte unterzogen, wurden eingeschlossen und erfolgreich intubiert. Jeweils 18 Kinder wurden mit dem C-MAC® Miller-Spatel Gr. 1 und mit dem Glidescope® GVL-Spatel Gr. 2 laryngoskopiert. Im Vergleich zwischen direkter und indirekter Laryngoskopie mit dem C-MAC® zeigte sich bei vier (22%) Kindern eine deutliche Verbesserung der Visualisierung der Glottisebene von einer schlechten Visualisierung (CL2b, 3 und 4) hin zu einer guten Visualisierung (CL2a und 1) der Glottisebene. Bei Verwendung des Glidescope® lag lediglich in einem Fall eine schlechte Visualisierung der Glottisebene vor.
Der Einsatz indirekter videolaryngoskopischer Techniken kann die Visualisierung der Glottisebene verbessern und reduziert die Anzahl an schwierigen Laryngoskopien bei Kindern mit Lippen-Kiefer-Gaumenspalte.
The first part of this work addresses the automatic online tuning of transfer lines in particle accelerator facilities. In the second part the focus lies on the automatic construction and optimisation of such transport lines. It can be shown that genetic algorithms can be used very well for optimisation in both cases. Automatic online tuning can be performed very efficiently at accelerators under certain boundary conditions and is particularly well suited for initial beam commissioning with low intensity pilot beams. The construction of transfer lines can also be formulated and solved as an minimisation problem with an adopted parameterisation. Thereby, both the imaging properties of the beam transport and the robustness against error studies can be optimised at the same time.
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.
Grundlagen: Das Neuroblastom ist der häufigste extrakranielle solide Tumor im Kindesalter. Die Patienten in der Hochrisikogruppe haben trotz der Weiterentwicklung der Therapie immer noch eine sehr schlechte Prognose. Die Entwicklung von Resistenzen und die darauffolgende Progression der Erkrankung sind kennzeichnende Phänomene innerhalb dieser Patientengruppe.
Die hier vorgestellte Charakterisierung von MYCN amplifizierten, Cisplatin adaptierten chemoresistenten Neuroblastomsublinien UKF-NB-3rCDDP1000 I bis XII ist eine grundlegende Aufgabe, um den Phänotyp des multiresistenten/ Hochrisiko Neuroblastoms besser zu verstehen. Des Weiteren könnte diese Charakterisierung zu einem besseren Verständnis der Rolle von Krebsstammzellen beim Neuroblastom führen.
Methoden: Die Empfindlichkeit zu verschiedenen Zytostatika wurde im Viabilitätsassay untersucht. Die Expression mehrerer Stammzellmarker wurde durch Durchflusszytometrie überprüft. Im Western Blot wurde die Expression der Proteine p53, p21, XIAP und Survivin untersucht. Die Proliferation der verschiedenen Sublinien wurde durch den Kolonienbildungstest untersucht.
Ergebnise: In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass die Cisplatin adaptierten Sublinien zusätzliche Resistenzen gegenüber weiteren klassischen Zytostatika zeigen. Abgesehen von der erworbenen Cisplatin-Resistenz zeigen die
Cisplatinsublinien erhöhte IC50-Werte für die Wirkstoffe YM-155, Doxorubicin, Melphalan, Vincristin, Docetaxel, Etoposid, Carboplatin und Vinblastin (jeweils im Vergleich zu UKF-NB-3). Von den getesteten klassischen Zytostatika hat nur Gemcitabin bei den Cisplatin adaptierten Sublinien eine gute Wirksamkeit. In dieser Arbeit konnte die Expression von mehreren Stammzellmarkern, sowohl bei den Cisplatin resistenten Sublinien als auch bei der parentalen Zelle UKFNB-3, nachgewiesen werden. Durch die Cisplatinadaptierung ergaben sich Unterschiede in der Expression von CD-133, Nanog, Nestin, Sox-2 und GD2. Im Kolonienbildungstest konnten keine großen Unterschiede festgestellt werden, die
Cisplatin-adaptierten Sublinien zeigen tendenziell eine geringere Kolonienbildung als UKF-NB-3.
Konklusion: Der Nachweis von unterschiedlichen Stammzellmarkern bei den Neuroblastomsublinien UKF-NB-3rCDDP1000 I bis XII ist ein wichtiger Hinweis für die Existenz von Zellen mit Stammzellfähigkeiten innerhalb der Sublinien.
Durch ein besseres Verständnis der biologischen Merkmale in resistenten Neuroblastomzellen könnten neuartige gezielte Therapiestrategien entdeckt werden. Viele der bei dieser Arbeit untersuchten Moleküle vermögen einen Effekt bei der Entstehung von Resistenzen und bei Aufrechterhaltung der Proliferation und Überleben von Neuroblastomzellen sowie Neuroblastomkrebsstammzellen zu haben. Folglich könnten diese Zielmoleküle (CD-133, Nanog, Nestin, Sox-2 und GD2) in der Zukunft benutzt werden, um neue therapeutische Strategien zu entwickeln, die sowohl die multiresistenten Neuroblastomzellen als auch die Neuroblastom-krebsstammzellen besser abtöten können. Zusätzlich ist Gemcitabin als Medikament nach Cisplatintherapie klinisch interessant.
The oleochemical and petrochemical industries provide diverse chemicals used in personal care products, food and pharmaceutical industries or as fuels, oils, polymers and others. However, fossil resources are dwindling and concerns about these conventional production methods have risen due to their strong negative impact on the environment and contribution to climate change.
Therefore, alternative, sustainable and environmentally friendly production methods for oleochemical compounds such as fatty acids, fatty alcohols, hydroxy fatty acids and dicarboxylic acids are desired. The biotechnological production by engineered microorganism could fulfill these requirements. The concept of metabolic engineering, which is the modification of metabolic pathways of a host organism for increased production of a target compound, is a widely used strategy in biotechnology to generate cell factories or chassis strains for robust, efficient and high production. In this work, the versatile model and industrial yeast Saccharomyces cerevisiae was manipulated by metabolic engineering strategies for increased production of the medium-chain fatty acid octanoic acid and de novo production the derived 8-hydroxyoctanoic acid.
Octanoic acid production was enabled by the fatty acid biosynthesis pathway by use of a mutated fatty acid synthase (FASRK) in a wild type FAS deficient strain. The yeast fatty acid synthase (FAS) consists of two polypeptides, α and β, which assemble to a α6β6 complex in a co-translational manner by interaction of the subunits. Because this step might be subject to cellular regulation, the α- and β- subunits of fatty acid synthase were fused to form a single-chain construct (fusFASRK), which displayed superior octanoic acid production compared with split FASRK. Thus, FASRK expression was identified as a limiting step of octanoic acid production. But the strains that produce octanoic acid have a severe growth defect that is undesirable for biotechnological applications and could lead to lower production titers. One reason is the strong
inhibitory effect of octanoic acid. Another possibility is that the mutant FAS no longer produces enough essential long-chain fatty acids. To compensate for this, the mutated split and fused FAS variants were co-expressed individually in a strain harboring genomic wild type FAS alleles. In
addition, mutant and wild type variants of fused and split FAS were co-expressed together in a FAS deficient strain. However, both cases resulted in decreased octanoic acid titers potentially by physical and/or metabolic crosstalk of the FAS variants.
The fatty acid biosynthesis relies on cytosolic acetyl-CoA for initiation and derived malonyl-CoA for elongation and requires NADPH for reductive power. To increase production of octanoic acid, engineering strategies for increased acetyl-CoA and NADHP supply were investigated. First, the flux through the native cytosolic acetyl-CoA and NADPH providing pyruvate dehydrogenase bypass was enhanced by overexpression of the target genes ADH2, ALD6 and ACSL461P from Salmonella enterica in combination or individually. Next, the acety-CoA forming heterologous phosphoketolase/phosphotransacetylase pathway was expressed and NADPH formation was increased by redirecting the flux of glucose-6-phosphate into the NADPH producing oxidative branch of the pentose phosphate pathway. In particular, the flux through glycolysis and pyruvate dehydrogenase bypass was reduced by downregulating the expression of the phosphoglucose isomerase PGI1 and deleting the acetaldehyde dehydrogenase ALD6. Glucose-6-phosphate was guided into the pentose phosphate pathway by overexpressing the glucose-6-phosphate dehydrogenase ZWF1. The first approach did not influence octanoic acid production but the latter increased yields in the glucose consumption phase by 65 %. However,
combining the superior fusFASRK with acetyl-CoA and NADPH supply engineering strategies did not result in additive production effects, indicating that other limitations hinder high octanoic acid accumulation. Limitations could be caused in particular by the strong inhibitory effects of octanoic acid or by intrinsic limitations of the FASRK mutant. To enlarge the octanoic acid production platform towards other derived valuable oleochemical compounds the de novo production of 8-hydroxyoctanoic acid was targeted. Since short- and medium-chain fatty acids have a strong inhibitory effect on Saccharomyces cerevisiae, the inhibitory effect of hydroxy fatty acid and dicarboxylic with eight or ten carbon atoms were compared and revealed only little or no growth impairment. Subsequently, the formation of 8-hydroxyoctanoic acid was targeted by a terminal hydroxylation of externally supplied octanoic acid in a bioconversion. For that, three heterologous genes, encoding for cytochromes P450 enzymes and their cognate cytochrome P450 reductases were expressed and 8-hydroxyoctanoic acid production was compared. In addition, the use of different carbon sources was compared.
...
Cellular communication is a concept that can be explained as the transfer of signals or material (such as cytokines, ions, small molecules) between cells from the same or different type, across either short or long distances. Once this signal or material is received, it will, as a rule, promote a functional effect. Several routes, involved in this transfer, are well described and are of global importance for organ/tissue communication in an organism.
The brain interacts dynamically with the immune system, and the main route known to mediate this communication, is via the release of cytokines (by peripheral blood cells), which can then activate certain brain cell types, such as microglia, directly, or activate the vagus nerve transferring signals to neuronal populations in the brain. The communication between these two systems plays a key role in the pathophysiology of neurodegenerative diseases, and the mechanisms involved in this interaction are of central importance for understanding disease initiation and progression and search for therapeutic models.
The Momma lab previously addressed the mechanisms of interaction between the peripheral immune system and the brain by investigating cellular fusion of haematopoietic cells with neurons after inflammation. They addressed the question of whether this phenomenon also occurs under non-invasive conditions. To approach this problem, a genetic tracing model that relies on the Cre-Lox recombination system was used. Transgenic mice expressing Cre recombinase specifically in the haematopoietic lineage were crossed into a Cre-reporter background, thus all haematopoietic cells irreversibly express the reporter marker-gene EYFP. Using this model, EYFP was detected in non-haematopoietic tissues, suggesting the existence of a communication mechanism never described before. As cells containing two nuclei were never detected, fusion as a mechanism was excluded, suggesting that Cre reaches non-haematopoietic cells via a different signalling pathway. The Momma lab investigated whether the transfer of material through extracellular vesicles (EVs) could be behind this periphery-to-brain communication. Using the genetic mouse model, they were able to trace the transfer of Cre RNA via EVs between cells in vivo, generating the first in vivo evidence of functional RNA transfer by EVs between blood and brain.
The last decade has witnessed a rapid expansion of the field of EVs. Initially considered as waste disposal material, recent evidence has challenged this view. EVs are currently considered as a widespread intercellular communication system that can transport and transfer all types of biomolecules, from nucleic acids to lipids and proteins. However, several important questions are still under investigation. One of them is whether EVs are involved in brain pathophysiology, as inflammation plays an important role in onset and progression of neurodegenerative diseases and is well described in Parkinson Disease (PD). Based on preliminary data in a mouse, peripherally injected with a low dose of Lipopolysaccharide (LPS, an endotoxin found in the outer-membrane of Gram-negative bacteria, which causes an immune response), neurons and other cell population in the brain take up EVs from the periphery. Particularly, dopaminergic neurons from Substantia Nigra and Ventral Tegmental Area have been shown to receive functional RNA, transported through EVs, which can lead up to 20% of recombination. Furthermore, different neuronal populations from Hippocampus, Cortex and Cerebellum exhibit recombination, indicating a widespread signalling from blood to the brain. Therefore, the goal of my PhD thesis was to investigate the mechanisms of this transfer and the triggers that lead to EV uptake by neural cells in vivo both in pathological and physiological conditions.
In this project, the extent and function of EV-mediated signalling from blood to brain is explored in the context of peripheral inflammation and neurodegenerative diseases. Firstly, EVs isolated from WT mice were further characterized using size-exclusion chromatography (SEC), Western Blot (WB) and electron microscopy in order to extend the knowledge from previous work done in the Momma lab. Secondly, to expand on the biological relevance of the fact that inflammation is correlated with an increase in EV uptake, different approaches using the genetic murine tracing model were used. Recombination events from haematopoietic cells to the brain have been followed after peripheral injection of LPS. Peripheral inflammation caused by LPS injection led to widespread recombination events in the brain, specifically in microglia and neurons, including dopaminergic (DA) neurons. In contrast, astrocytes, oligodendrocytes and endothelial cells were never or very rarely recombined. Additionally, peripheral LPS injection in a murine model, where Cre is expressed only in erythrocytes, led to recombination events only in microglia, suggesting that the type of EV-secreting cell plays a role in the targeting of EVs to a specific cell population.
Hydro-climatic causes of widespread floods in central Europe : on rain-on-snow and Vb-cyclone events
(2021)
The presented work investigates the hydro-meteorological and hydro-climatological drivers of widespread floods in Central Europe during the past century. Due to the strong seasonality of the detected flood drivers, the thesis is divided into two parts: the first part focuses on widespread winter floods and the second one on extreme summer floods. For analysing past flood events, we profited from the dynamically downscaled centennial ERA-20C reanalysis (continuously from 1901—2010). The downscaling was performed over Europe with a coupled regional atmosphere-ocean model (COSMO-CLM+NEMO) to represent the water cycle more realistic. These high resolution atmospheric data allowed us to study the four-dimensional atmospheric state during selected floods during the early decades of the 20th century for the first time with such a high temporal and spatial resolution.
During the winter half-year, the observed floods were particularly widespread. High peak discharges were recorded simultaneously in the Rhine, Elbe, and Danube catchments. Most of these trans-basin floods were compound events caused by rainfall during extensive snowmelt (i.e., rain-on-snow events). Interestingly, the winter flood time series exhibited a remarkable high flood frequency during the 1940s and 1980s, while other decades were flood-poor. We detected a synchronization of the inter-annual flood frequency with the superposition of the North Atlantic Oscillation (NAO) and the Scandinavian pattern (SCA). The negative NAO phase is often associated with large snowfall and cyclone tracks over southern Europe, while the negative SCA pattern correlates with total precipitation in the affected river catchments.
During the summer half-year, most extreme floods in Central Europe were caused by so-called Vb-cyclones propagating from the Mediterranean Sea north-eastward to Central Europe. So far in the literature, only a few Vb-events, which occurred during the past two decades, have been analysed. We extended the previous case studies by several past Vb-cyclone floods since 1900. We investigated the processes that intensify Vb-cyclone precipitation with Lagrangian moisture-source diagnostics and the parametric transfer entropy measure TE-linear. Overall, an enhanced and dynamically driven moisture uptake over the Mediterranean Sea was found to be characteristic for Vb-events with heavy precipitation. This is supported by high information exchange from evaporation over the western basin of the Mediterranean Sea towards heavy precipitation in the Odra catchment. The dominating moisture uptake regions during the investigated events were, however, the European continent and the North Sea. A possible cause could be the pre-moistening of non-saturated continental moisture sources upstream of the affected river catchments as indicated by significant information exchange from land surface evaporation and soil moisture content along the Vb-cyclone pathway. Besides, evaporation over the Mediterranean Sea might contribute to Vb-cyclone intensification in the early stages of their development through latent heat release. On the catchment scale, orographic rainfall and convective precipitation further enhance the flood triggering rainfall. As expected, the Vb-cyclones mainly trigger precipitation along west-east orientated mountain ranges such as the Alps or Ore mountains due to their meridional pathway. Remarkably, during summer, we detected a convective fraction of up to 90% during the afternoons of individual days and up to 23% on average (based on convective cell tracking and convection-permitting simulations of selected flood events since 1900).
The presented analyses deepened the knowledge on atmospheric and hydroclimatic drivers of widespread floods in Central Europe. This will serve as a basis for future studies on the predictability of floods induced by rain-on-snow and Vb-cyclone precipitation events in the context of a changing climate.
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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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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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 der vorliegenden Arbeit wurde das Zinkfinger-µ-Protein HVO_2753 des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich seiner biologischen Funktion und seiner Struktur charakterisiert.
Zinkfinger-µ-Proteine wurden bisher nur sehr wenig untersucht, während ihnen jedoch in den letzten Jahren steigendes Interesse entgegengebracht wird. Im Genom von H. volcanii sind mehr als 40 solcher Zinkfinger-µ-Proteine codiert. Von diesen besitzt mit HVO_2753 lediglich eines nicht nur zwei, sondern vier der charakteristischen C(P)XCG-Muster, was für die Anwesenheit von zwei Zinkfinger-Motiven spricht. Während Homologe von HVO_2753 in vielen Euryachaeota vorkommen und manche davon als Zink-Ribbon RNA-Bindeproteine annotiert sind, ist über ihre Funktion jedoch nichts bekannt. Zur Charakterisierung des Proteins wurde zunächst eine in frame-Deletionsmutante seines Gens erstellt und diese einer phänotypischen Charakterisierung unterzogen. Die Mutante wies, verglichen mit dem Wildtyp, keine Unterschiede im Wachstum in Komplexmedium oder in synthetischem Medium mit Glukose als Kohlenstoffquelle auf. Ein schweres Defizit konnte jedoch sowohl bei der Adhäsion und Biofilmbildung als auch der Schwärmfähigkeit der Deletionsmutante festgestellt werden. Während die Schwärmfähigkeit des Wildtyps durch plasmidische Expression von HVO_2753 in der Deletionsmutante teilweise wiederhergestellt werden konnte, war eine solche Komplementation bei der Biofilmbildung nicht möglich. Die Analyse der Relevanz ausgewählter Aminosäuren, wie beispielsweise das jeweils erste Cystein in jedem C(P)XCG-Muster zeigte, dass die Substitution jeder einzelnen der getesteten Aminosäuren einen Funktionsverlust des Proteins nach sich zieht. Die Untersuchung des HVO_2753-Transkripts mittels Northern Blot-Analyse bestätigte erste Hinweise aus vorangegangenen dRNA- und RNA-Seq-Studien, die eine Co-Transkription von HVO_2753 mit dem Nachbargen HVO_2752, das für den Translations-Elongationsfaktor aEF-1 beta codiert, aufzeigten. Daraufhin erfolgte eine Untersuchung des Ribosomenprofils, bei der keine Unterschiede zwischen der Deletionsmutante und der Überexpressionsmutante von HVO_2753 festgestellt werden konnten.
Eine Variante von HVO_2753 mit N-terminalem Hexahistidin-Tag wurde homolog überproduziert und aufgereinigt. Die Überproduktion und Aufreinigung wurden im Zuge dieser Arbeit weiter, speziell für HVO_2753, optimiert. So konnten große Mengen von HVO_2753n überproduziert und bei nativen Salzbedingungen mittels Nickel-Affinitätschromatographie und anschließender Größenausschlusschromatographie aufgereinigt werden. Eine massenspektrometrische Analyse bestätigte sowohl das Molekulargewicht als auch die Abwesenheit posttranslationaler Modifikationen. Die Untersuchung der Menge an gebundenem Zink im Protein erfolgte beim Zink-Assay mit Hilfe des hochsensitiven und hochspezifischen Fluorophors ZnAF-2F. Dabei konnte gezeigt werden, dass überraschenderweise lediglich ein Zink-Ion in HVO_2753 gebunden vorliegt.
Zur weiteren Funktionsaufklärung erfolgte eine Interaktionspartnersuche. Hierfür wurde HVO_2753 überproduziert, ein in vivo-Crosslink und anschließend eine native Aufreinung durchgeführt. Die massenspektrometrische Analyse ausgewählter Fraktionen nach der Größenausschlusschromatographie ergaben eine Vielzahl an möglichen Bindepartnern. Besonders häufig wurde hier die GalE family Epimerase/Dehydratase gefunden. Eine weitere Methode zur Suche nach Interaktionspartnern richtete sich auf RNAs. Hier konnten mittels eines eigens entwickelten Protokolls neben RNAs des Translationsapparates auch mehrfach die tRNA(Glu) gefunden werden.
Zusätzlich sollte die Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung Unterschiede zwischen Wildtyp, Deletionsmutante und Komplementationsmutante aufzeigen. Hier wurden weitreichende Auswirkungen der Deletion von HVO_2753 gefunden. Zahlreiche Gene in mehreren Operons zur Motilität und Chemotaxis lagen in der Deletionsmutante stark herunterreguliert vor, während die Gene einiger Metallionen-Transporter und der Eisen(III)-Siderophor-Biosynthese hochreguliert vorlagen. In der Komplementationsmutante konnten nur von den letzteren Genen Transkriptlevel vergleichbar mit denen des Wildtyps wiedergefunden werden.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das kleine Zinkfinger-Protein HVO_2753 eine essenzielle Rolle in der positiven Regulation der Motilität, Chemotaxis und der Adhäsion bzw. Biofilmbildung spielt. Gleichzeitig übt HVO_2753 eine negative Regulation auf den Metallionen-Transport und die Biosynthese des Eisen(III)-Siderophors aus.
Stereotaktische Methoden bieten in der Neurochirurgie die Möglichkeit, minimalinvasiv selbst tiefgelegene Strukturen zielgenau anzusteuern. Rahmensysteme wie der Leksell®-Rahmen der Firma Elekta gelten als Goldstandard zur Führung von Biopsienadeln oder Tiefenelektroden im Gehirn. Hierzu erfolgt eine dreidimensionale Planung des Eingriffes anhand einer präoperativen Magnetresonanz- oder Computertomographie. Die Einstellung der Trajektorie erfolgt am stereotaktischen Rahmen händisch über die Einstellung der Winkel- und Längenmaße. Bei den neueren, roboterassistierten Verfahren, bspw. mit dem ROSA®-Roboter der Firma Zimmer Biomet Robotics, erfolgt nach der schichtbildgebungsbasierten dreidimensionalen Planung eine automatisierte Einstellung der Trajektorie, welche prozedurale und zeitliche Vorteile verspricht.
Das Ziel dieser Arbeit ist es gewesen, die beiden Systeme in einem phantombasierten Setting einem direkten Vergleich zu unterziehen. Hierfür ist experimentell die Genauigkeit des Leksell®-Rahmens bestimmt und Daten zur Genauigkeit des ROSA®-Roboters aus einer vorangegangenen Studie von T. R. Wöbbecke herangezogen worden.
Die Genauigkeitsmessungen des Leksell®-Rahmens sind an einem Phantom in der Abteilung für Stereotaxie des Universitätsklinikums Köln durchgeführt worden. Vom Phantom sind fünf unabhängige Dünnschicht-CTs (Schichtdicke 0,67 mm, Pixelgröße 0,63 mm, Matrix 512×512) durchgeführt worden, an jedem CT sind 10 Trajektorien auf die insgesamt fünf Zielpunkte des Phantoms mit der Planungssoftware iPS geplant worden. Das Phantom ist im Strahlengang einer stereotaktischen Röntgenanlage fixiert und die berechneten Koordinaten für die Trajektorien an der Zielvorrichtung des Leksell®-Rahmens eingestellt worden. Die entsprechende Trajektorie wurde mittels einer Kanüle ausgeführt.
Zur Objektivierung der Genauigkeit wurden die Abstände zwischen Zielpunkt und Kanülenspitze mit einer zweidimensionalen stereotaktischen Röntgenanlage ermittelt.
Die Röntgenaufnahmen wurden in die ROSA®-Software eingespielt und der euklidische Abstand von Kanülenspitze zu Zielpunkt unter Erfassung der Abweichung in x-, y- und z-Achse ermittelt. Im Anschluss wurde die Genauigkeit des Leksell®-Stereotaxiesystems mit der im Vorfeld unter identischen Messbedingungen und mit den gleichen Geräten ermittelten ROSA®-Robotergenauigkeit8 verglichen.
Die mittlere euklidische Abweichung des Leksell®-Stereotaxiesystems betrug 0,72 mm, die mittlere Tiefenabweichung -0,2 mm, die mittlere seitliche Abweichung 0,65 mm.
Verglichen mit den unter identischen Bedingungen erhobenen Ergebnissen der ROSA®-Versuchsreihe hat sich ein signifikanter Unterschied zugunsten des Roboters in der euklidischen (0,53 mm) und seitlichen (0,43 mm), nicht aber in der Tiefenabweichung (-0,22 mm) gezeigt.
In dieser Studie ist gezeigt worden, dass die Genauigkeit des bisherigen Goldstandards, des stereotaktischen Rahmens, gegenüber dem ROSA®-Roboter geringer ist. Der Unterschied
befindet sich zwar im Submillimeterbereich, ist jedoch signifikant. In der klinischen Situation nehmen noch weitere Faktoren Einfluss auf die Genauigkeit, welche in einer Phantomstudie nicht erfasst werden können. Zudem ergeben sich in der klinischen Situation noch weitere Vorteile des Roboters, beispielsweise zeitliche und prozedurale Faktoren, die den Roboter gegenüber dem Rahmen überlegen machen. Perspektivisch ist zu erwarten, dass der Einsatz roboterassistierter Verfahren in den industrialisierten Nationen weiter ausgebaut wird.
Fatty acids in oomycetes
(2021)
Zielsetzung: Das Ziel dieser Arbeit war die Beurteilung der diagnostischen Leistungsfähigkeit der virtuellen Noncalcium (VNCa) Dual-Energy-Computertomographie (DECT) für den Nachweis lumbaler Bandscheibenvorfälle im Vergleich zu der konventionellen Graustufen-Computertomographie. Dabei galt die Magnetresonanztomographie (MRT) als Referenzstandard.
Material und Methodik: Für diese retrospektive Studie wurden 41 Patienten (243 Bandscheiben; Durchschnittsalter 68 Jahre; 24 Frauen [Durchschnittsal-ter, 68 Jahre] und 17 Männer [Durchschnittsalter, 68 Jahre]) zwischen März 2017 und Januar 2018 einer klinisch indizierten DECT, durchgeführt mit einem Dual-Source-Computertomographie (DSCT)-Scanner der dritten Generation (Somatom Force; Siemens Healthineers, Forchheim, Deutschland) sowie einer 3.0-Tesla MRT (Magnetom PrismaFit; Siemens Healthineers, Forchheim, Deutschland) im Abstand von maximal zwei Wochen unterzogen. Sechs Radiologen, verblindet hinsichtlich der klinischen und MRT-Informationen, untersuchten unabhängig voneinander die konventionellen Graustufen-DECT-Bildserien auf das Vorhandensein und den Grad eines Bandscheibenvorfalls sowie der Affektion der Spinalnervenwurzeln. Nach acht Wochen wurden die Bildserien von den gleichen sechs Untersuchern unter Verwendung von farbkodierten VNCa-Rekonstruktionen neu ausgewertet. Die MRT, die von zwei unabhängigen, erfahrenen und in Bezug auf klinische und DECT-Informationen verblindeten Radiologen ausgewertet wurde, diente dabei als Referenzstandard. Sensitivität und Spezifität waren die wichtigsten Kennzahlen der Diagnoseleistung.
Ergebnisse: Insgesamt wurden 112 Bandscheibenvorfälle der Lendenwirbelsäule in der MRT erfasst. VNCa zeigte insgesamt eine höhere Sensitivität (612 von 672 [91%] versus (vs.) 534 von 672 [80%]) und Spezifität (723 von 786 [92%] vs. 665 von 786 [85%]) zur Detektion eines lumbalen Bandscheibenvorfalls im Vergleich zur Standard-Computertomographie (CT) (alle Vergleiche, P < 0.001). Die Interrater-Reliabilität war „exzellent“ für VNCa und „gut“ für die Standard-CT (k = 0,82 vs. 0,67; P < 0.001). VNCa erreichte im Vergleich zum Standard-CT eine überlegene Diagnosesicherheit und Bildqualität bei niedrigerem Bildrauschen (alle Vergleiche, P < 0.001).
Schlussfolgerung: Farbkodierte Dual-Energy CT VNCa-Rekonstruktionen zeigen im Vergleich zur Standard-CT eine signifikant bessere diagnostische Genauigkeit und Sicherheit für die Detektion eines lumbalen Bandscheibenvorfalls.
Trotz vielfältiger Ansätze, das Trauma der empfindlichen Innenohrstrukturen während des Einsetzens der Elektrode eines Cochlea-Implantats (CI) zu reduzieren, wird das postoperative Auftreten von Schwindel immer noch als eine der häufigsten Komplikationen in der aktuellen Literatur beschrieben.
Ziel der vorliegenden prospektiven Studie war es, die Häufigkeit sowie die Ursache von postoperativem Schwindel im Zusammenhang mit einer CI-Operation zu ermitteln. Darüber hinaus wurden der zeitliche Verlauf des postoperativen Schwindels, sowie der Einfluss des Elektrodendesigns und des Einführungswinkels auf das Auftreten von Schwindel untersucht. Die Auswahl der Patienten und die Untersuchung erfolgte an der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main.
29 Erwachsene wurden rekrutiert und erhielten ein unilaterales CI unter Verwendung eines von sechs verschiedenen Elektrodenträgern, die in folgende Kategorien eingeteilt wurden: "strukturerhaltend" (I), "potentiell strukturerhaltend" (II) und "nicht strukturerhaltend" (III).
Der subjektive Schwindel wurde anhand von Fragebögen, die im Anhang zu finden sind, zu fünf verschiedenen Zeitpunkten vor bis zu sechs Monaten nach der Operation beurteilt. Die Teilnehmer wurden in vier Gruppen eingeteilt, abhängig vom Zeitpunkt des Auftretens von Schwindel vor und nach der Operation. Präoperativ und sechs Monate postoperativ wurde eine umfassende Schwindeldiagnostik, bestehend aus Romberg-Test, Unterberger-Test, Test der subjektiven visuellen Vertikalen, optokinetischem Test, Video-Kopf-Impuls-Test (vHIT) und kalorischem Spültest durchgeführt. Zusätzlich wurde der Insertionswinkel (IA) bestimmt und die Patienten wurden in zwei Gruppen (<430°; ≥430°) eingeteilt.
Ergebnis der Studie war, dass 45,8% der Teilnehmer neuen Schwindel nach der Implantation erlebten. Basierend auf den Fragebogendaten wurde bei 72,7% ein vestibulärer Ursprung vermutet. Es zeigte sich keine signifikante Korrelation von auffälligen Ergebnissen der durchgeführten Tests mit dem Auftreten von subjektivem Schwindel.
In der Gruppe 1 (ohne präoperativen Schwindel und mit postoperativem Schwindel) zeigten 18% der Patienten auffällige Ergebnisse in der quantitativen Analyse des kalorischen Spültests, obwohl in dieser Gruppe Elektroden der Kategorie I oder II implantiert wurden, die zur Strukturerhaltung der Cochlea geeignet sind. Der durchschnittliche IA betrug 404° für die Gesamtgruppe und 409° für Gruppe 1. Es gab keine statistisch signifikante Korrelation zwischen IA und wahrgenommenem Schwindel.
Obwohl Schwindel nach CI-Operation eine häufige Komplikation zu sein scheint, konnte die hier verwendete Testbatterie die Symptome nicht objektivieren. Ebenso wurde keine Korrelation zwischen Elektrodendesign, Einführungswinkel oder vestibulären Testergebnissen und selbstberichtetem Schwindel gefunden. Weitere Studien sollten klären, ob dies an einer multifaktoriellen Ursache des Schwindels oder an der mangelnden Sensitivität der derzeit verwendeten Tests liegt. Der Nachweis einer verringerten Schwindelwahrscheinlichkeit bei Verwendung wenig traumatischer Elektrodenträger gelang nicht, ebenso wenig der Nachweis eines Einflusses der verwendeten Einstecktiefe.
Insgesamt reiht sich dieses Manuskript in eine überschaubare Anzahl von Arbeiten ein, die die Schwierigkeit für Kliniker beschreiben, eine nachweisbare Ursache für Schwindelsymptome nach Cochlea-Implantation sicher zu definieren.