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Treatment response to neoadjuvant chemoradiotherapy (nCRT) varies considerably among individual patients in advanced rectal cancer indicating a clinical need for markers to predict treatment efficacy and to stratify patients for future personalized treatment. In recent years, there is a tremendous evidence on a pivotal impact of immune components on the development/pathogenesis of cancer and on mediating response to radiation and chemotherapy. Moreover, liquid biopsy biomarkers have become increasingly attractive to predict treatment response because they are easy to collect, reflect information on different aspects of tumor biology and can be accurately measured by standardized methods.
This study aimed to investigate the peripheral blood and tumor tissue immune cell contexture in patients with rectal adenocarcinoma treated with nCRT and chemotherapy (CT) within a prospective randomized phase II CAO-ARO-AIO-12 trial, conducted in the context of DKTK (Deutsches Konsortium für translationale Krebsforschung) and FCI (Frankfurt Cancer Institute), to address the questions whether peripheral blood and/or primary tumor immune contexture predict for treatment response, were modulated by nCRT/CT and correlated with each other. By this, immune cell components were assayed by flow cytometry from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) at baseline, day 43, and pre-surgery of 22 patients treated with nCRT/CT and subsequently correlated with pathologic treatment response. Immunophenotyping was performed applying different staining panels covering myeloid immune cells and human leukocyte antigen (HLA) molecules, T lymphocyte subpopulations and programmed cell death (PD)-1 protein expression and regulatory T cells (Tregs). In addition, tumor tissue samples from pre-therapeutic biopsies and surgical specimens were analyzed by immunohistochemistry and multiparametric immunofluorescence.
The present prospective study raised the following issues. First, peripheral lymphocytes seem to play a crucial role in the nCRT/CT mediated systemic anticancer immunological response. Second, among the various lymphocyte subsets, peripheral blood, but not tissue resident T lymphocytes seem to play a central role in predicting treatment response. By this, baseline blood phenotyping revealed a lymphocyte distribution with high numbers of (CD3+CD4+) T helper cells and low numbers of (CD3+CD8+) cytotoxic T cells expressing PD1, activation markers GranzymeB, perforin and HLA-DR to be associated with an improved response (ypT0ypN0) to nCRT/CT in the patient’s cohort investigated. Further, a decrease in B lymphocyte (CD3+CD19+) count correlated with intermediate and impaired response while an elevated monocyte (CD14+CD33+) levels predicted a complete and intermediate (ypT1-4ypN0) response to nCRT/CT. On a tissue level, patients with a complete response displayed a decrease in the amount of infiltrating neutrophils as the immunoscore of CD15+ cells was significantly higher in patients’ biopsies compared to post-nCRT/CT surgical specimen, while in both, patients with complete and intermediate response an increase of natural killer (CD56+) cell density and GranzymeB expression was observed. Finally, no significant correlation was observed between peripheral blood and tissue immune marker expression.
To validate and expand these findings, a continuation of the analysis in an extended patient cohort is necessary. In addition, a detailed insight on the role of peripheral blood T cells and monocytes and their activation status is desirable. Further, in a follow-up trial, soluble activation markers/cytokines should be assayed, further distinguishing activated from resting or exhausted lymphocytes.
Durch die sich verändernde Altersstruktur nehmen die Inzidenz und Prävalenz von Herzklappenerkrankungen wie der Mitralinsuffizienz weltweit zu, verbunden mit einem Verlust an Lebensqualität und Lebensjahren für den individuellen Patienten und hohen Kosten für das Gesundheitssystem. Die Standardtherapie, eine chirurgische Rekonstruktion oder ein Ersatz der Mitralklappe kommt aufgrund von Alter und Begleiterkrankungen (insbesondere der Herzinsuffizienz) bei bis zu 50% der Patienten nicht in Frage. Die MitraClip- Prozedur ist ein etabliertes Verfahren zur minimalinvasiven Therapie der hochgradigen Mitralklappeninsuffizienz bei Patienten mit hohem Operationsrisiko. In einigen, jedoch nicht allen Patientenkohorten konnte ein positiver Einfluss auf Rehospitalisierungen und Sterblichkeit gezeigt werden. Insbesondere Patienten mit Rechtsherzdysfunktion (RVD) scheinen weniger zu profitieren. Aufgrund des individuellen Risikos des Eingriffs und der erheblichen Kosten ist es notwendig, Patienten zu identifizieren die von dem Eingriff profitieren und solche bei denen ein ungünstiges Nutzen/ Risikoverhältnis besteht.
Im Rahmen des Frankfurter Mitralklappenregisters wurden 119 Patienten im interdisziplinären Konsens („Heart Team“) vom 07/2013 bis 02/2017 mit der MitraClip Prozedur behandelt und nach ihrem schriftlichen Einverständnis in die Analyse eingeschlossen. Der Langzeitverlauf wurde bis zum 31.12.2017 beobachtet.
Ziel der Studie war, zu erfassen, ob die Anwendung von bei Herzinsuffizienz etablierten Prognosemodellen bei diesen Patienten sinnvoll ist und ob sich das Seattle Heart Failure Model (SHFM) und der Meta-Analysis Global Group in Chronic Heart Failure (MAGGIC) Score in ihrer Genauigkeit bei diesen Patienten unterscheiden insbesondere im Kontext einer RVD.
Die Diagnose einer RVD erfolgte über den im Herzultraschall leicht zu erfassenden Parameter „Tricuspid Annular Plane Excursion“ (TAPSE), der die während der Systole zurückgelegte Strecke des Trikuspidalrings misst.
Die Genauigkeit in der Vorhersage der 1- Jahres Mortalität der beiden Scores wurde durch die Bestimmung der Area under the Receiver Operating Characteristic (AUROC) ermittelt.
Innerhalb eines Jahres nach MitraClip- Therapie verstarben 29 Patienten (28.2%) des Gesamtkollektivs. Bei Patienten mit funktioneller Mitralklappeninsuffizienz (FMR) betrug die 1- Jahres Mortalität 23,3%, bei Patienten mit degenerativer Mitralklappeninsuffizienz (DMR) 31,7%. In der Kaplan- Meier Analyse bestand eine signifikant erhöhte 1- Jahres Mortalität für Patienten mit RVD (34.8 vs 22.8%; p=0.009). Patienten mit FMR wiesen eine erhöhte Sterblichkeit auf, wenn gleichzeitig eine RVD bestand (38.1% vs 9.1% ohne RVD). Diese Assoziation bestand bei Patienten mit DMR nicht (32% mit RVD vs. 34.3%).
Die prognostische Genauigkeit beider Scores war im Gesamtkollektiv vergleichbar (SHFM: 0.704, MAGGIC: 0.692). Das gilt auch für separate Analysen nach funktioneller/ degenerativer Genese der Mitralklappeninsuffizienz (FMR: SHFM 0.696, MAGGIC 0.722; DMR: SHFM 0.727, MAGGIC 0.629). Bei Patienten ohne RVD zeigt das SHFM jedoch eine höhere diagnostische Genauigkeit als der MAGGIC Score (SHFM: 0.775; MAGGIC: 0.551, p <0.05). Bei Patienten mit Rechtsherzdysfunktion bestehen keine signifikanten Unterschiede (SHFM: 0.615; MAGGIC: 0.799, p>0.05), auch wenn ein Trend zugunsten des MAGGIC Scores bestand.
Eine bestehende RVD ist ein wichtiger prognostischer Marker für Patienten, die mit einem Mitraclip behandelt werden und sollte in der Entscheidungsfindung des „Heart Teams“ berücksichtigt werden. SHFM und MAGGIC Score besitzen eine adäquate prognostische Trennschärfe in unserer Patientenkohorte, Unterschiede bestehen bei Patienten mit/ ohne RVD. Aufgrund der Heterogenität der Erkrankung sowie der Begleiterkrankungen besteht für beide Scores nur eine moderate Trennschärfe, sie dürfen beim individuellen Patienten nicht einziges Entscheidungskriterium sein. Denkbar wäre, durch einen „machine learning“ Ansatz unter Einbeziehung klinischer, anatomischer, demographischer und laborchemischer Daten ein Score System zu entwerfen, mit dem eine höhere prognostische Genauigkeit erreicht werden könnte.
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.
Unter dem vielseitigen Symptomkomplex der autosomal-rezessiv vererbten Erkrankung Ataxia-teleangiectasia (A-T) nimmt die Lungenschädigung eine herausragende Rolle ein. Sie beeinflusst die Morbidität und Mortalität der Erkrankung durch rezidivierende Infekte, Bronchiektasien sowie akutes oder chronisches Lungenversagen nachhaltig. Als pathophysiologische Grundlage gilt oxidativer Stress mit einer erhöhten Sensitivität für reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und DNA-schädigende Reagenzien. Das aus dem gleichnamigen Gen resultierende Protein ATM wird durch das Vorkommen von DNADoppelstrangbrüchen (DSB) und ROS auf verschiedene Arten aktiviert und reguliert anschließend diverse Prozesse wie der DNA-Reparatur und den zellulären Stressantwortmechanismen. Ziel dieser Arbeit war es die Sensitivität von ATM-defizienten Lungenzellen im Hinblick auf oxidativen Stress näher zu untersuchen. Hierfür wurden Atm-defiziente murine Lungenzellen spontan und nach Stimulation mit Bleomycin (BLM) auf ihre prozentuale Verteilung in der Lunge, auf den Level von ROS, ihre Viabilität und ROS-induzierte DNA-Schäden hin untersucht. Spontan zeigte sich ein signifikant erhöhtes Vorkommen von Alveolarepithelzellen vom Typ 2 (AT2-Zellen) in Atm-defizienten Mauslungen im Vergleich zu Wildtyp-Lungen, welches sich durch die Stimulation mit BLM noch verstärkte und auf erhöhte Regenerations- und Reparaturvorgänge in der Lunge hindeutet. Zudem ist der intrazelluläre Level an ROS in den Lungenzellen und AT2-Zellen signifikant erhöht. Mit steigenden Konzentrationen an BLM sank die Zellviabilität pulmonaler Atm-defizienter Zellen deutlich und die Resolution von DNA-Schäden ist im Vergleich zu Wildtyp-Zellen verzögert. Die Ergebnisse der Arbeit deuten auf eine Beteiligung von oxidativem Stress und DNA-Schäden als pathophysiologische Komponente bei der Entstehung der Lungenmanifestation bei A-T hin.
Die NOD.α4-/- Maus ist eine auf hämatopoetische Zellen beschränkt α4-inkompetente Maus auf dem NOD Hintergrund. Die Maus ist vollständig gegen Diabetes gefeit, entwickelt keine Insulitis und keine Sialitis. Analysen der α- und ß-Diversität des Mikrobioms zeigen eine vergleichbare Zusammensetzung in NOD.α4-/- und NOD Kontrollmaus, während erkrankte Mäuse ein auffällig eingeschränktes Mikrobiom und atypische Spezies aufweisen. Inselzellantigen-spezifische CD8+ T-Zellen und anti-Insulin-Autoantikörper sind quantitativ stark vermindert im Vergleich zu NOD Kontrollen, jedoch sicher nachweisbar. Das 5-Linien-Differenzialblutbild ist absolut und relativ unauffällig. Die NOD.α4-/- Maus entwickelt nach adoptivem Transfer von CD3+ Zellen diabetischer NOD-Spender mit kurzer Latenz und 100%iger Penetranz Diabetes, ein isolierter Transfer diabetogener CD4+ Zellen ist hierzu nicht hinreichend. α4-kompetente CD8+ Zellen sind also unerlässlich für den adoptiven Transfer von Diabetes in die NOD.α4-/- Maus. Rekonstitution prädiabetischer wildtypischer NOD Empfänger mit NOD.α4-/- Hämatopoese schützt diese zuverlässig vor dem Progress der Insulitis zum Diabetes. Diese Arbeit unterstreicht und sichert die bisherigen α4-Antikörper Studien in der NOD Maus und korrigiert die Annahme, α4-Blockade schütze nicht vor dem Voranschreiten der Sialitis. NOD.a4-/- Lymphozyten werden regelrecht gegen Autoantigene sensibilisiert, in Ermangelung effektiver Infiltration der Zielorgane bleibt jedoch die Expansion antigenspezifischer T-zellen und das Boosten von humoralen Autoimmunantworten aus. α4-inkompetente Leukozyten migrieren auch nach Beginn einer Insulitis oder damit einhergehender Hochregulierung verschiedenster endothelialer Oberflächenproteine nicht in die entzündeten Langerhans-Inseln. Die sichere Prävention der Erkrankung durch Rekonstitution mit α4-/- Hämatopoese identifiziert die α4-Blockade als mögliche Therapie des Typ 1 Diabetes während der Phase des Prädiabetes.
Es ist bekannt, dass die Aktivierung von S1P-Rezeptoren die Expression von profibrotischen Mediatoren, wie dem Bindegewebswachstumsfaktor CTGF, induzieren und deshalb auch eine Rolle bei der Entstehung der Nierenfibrose spielen kann. In diesem Kontext konnte unsere Arbeitsgruppe zeigen, dass die Aktivierung von S1P5 zur TGF-β2-induzierten CTGF-Expression in humanen glomerulären Mesangiumzellen beiträgt (Wünsche et al. 2015). Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde deshalb die Rolle von S1P5 in einem in vivo-Modell zur Nierenfibrose untersucht. Männliche S1P5-/--Mäuse und Wildtypmäuse mit C57BL/6J-Hintergrund wurden mit einer adeninreichen Diät für jeweils 7 und 14 Tage gefüttert, um eine tubulointerstitielle Fibrose hervorzurufen. Die Nieren von unbehandelten Mäusen des jeweiligen Genotyps dienten als Kontrolle. Die Ergebnisse zeigen, dass S1P5-/--Mäuse geringere Kreatininplasmaspiegel und weniger Schäden im Nierengewebe gegenüber Wildtypen zeigten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die mRNA-Expression von mehreren Fibrosemarkern und proinflammatorischen Zytokinen in den S1P5-/--Mäusen schwächer war als in den Wildtypen. Die Auswertung von histochemischen Färbungen und Western Blots bestätigte diese Beobachtung. Zusammengefasst kann festgehalten werden, dass S1P5 eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Adenin-induzierter Entzündung in der Niere und nachfolgender Pathogenese wie Gewebeschäden und Fibrose spielt.
Ceramide sind ein Bestandteil der Lipiddoppelschicht, in allen eukaryotischen Zellen vorhanden und zentrale Moleküle des Sphingolipidstoffwechsels. Die Synthese und der Abbau der Ceramide werden von vielen verschiedenen Enzymen reguliert. Neben ihrer Aufgabe als strukturelle Elemente der Zellmembranen wurde herausgefunden, dass Ceramide auch in verschiedenen Signalwegen involviert sind, die auch bei Nierenerkrankungen eine Rolle spielen. In Bezug auf die Kettenlänge der angehängten Fettsäure können so genannte kurz- und langkettige Ceramide Apoptose induzieren, wohingegen sehr langkettige Ceramide Zellproliferation fördern. In mehreren Studien wurden bereits Konzentrationsänderungen von kettenlängenspezifischen Ceramiden im Plasma und Serum von Patienten gemessen, die zu diesem Zeitpunkt an einer Nierenerkrankung litten. In dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob solche Konzentrationsänderungen auch im Nierengewebe von Patienten und Mäusen mit einer Nierenfibrose, dem Kennzeichen nahezu aller chronischen Nierenerkrankungen, zu sehen sind. Zu diesem Zwecke wurden Biopsien der Nierenrinde und des Nierenmarks von fibrotischen Nieren aus Patienten, die an Hydronephrose und/oder Pyelonephritis litten, und von gesunden Gewebeproben untersucht. Letztere wurden durch Nephrektomien zur Behandlung von Nierenkarzinomen gewonnen und dienten als nichtfibrotische Kontrolle. Zum Vergleich mit fibrotischen Nieren aus Mäusen wurden männliche Mäuse der Linie C57BL/6J mit einer adeninreichen Diät für 14 Tage gefüttert. Die Konzentrationen der Sphingolipide wurden mittels Massenspektrometrie gemessen und die Level der fibrotischen Marker wurden mit Hilfe von RT-qPCR und histologischen Färbungen analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die sehr langkettigen Ceramide Cer d18:1/24:0 und Cer d18:1/24:1 sowohl in fibrotischen Nierenrindenproben der Patienten als auch in fibrotischen Nieren der Mäuse im Vergleich zu den jeweiligen Kontrollproben signifikant geringer konzentriert waren. Diese Effekte korrelieren mit der Hochregulation der Fibrosemarker COL1α1, COL3α1 und αSMA in den fibrotischen Nieren. Es konnte gezeigt werden, dass nur bestimmte Ceramide in fibrotischem Nierengewebe in ihrer Konzentration verändert sind, was interessante Fragen hinsichtlich der Ursache dieser Veränderungen, ihrer funktionellen Aufgabe und zu möglichen Effekten einer Manipulation des Ceramidstoffwechsels mit dem Ziel der Behandlung der Nierenfibrose oder der Entdeckung neuer Biomarker aufwirft. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen zudem die Eignung von in vivo-Mausmodellen als translationalen Ansatz für das Verständnis der Beteiligung von Ceramiden in menschlichen Nierenerkrankungen.
Die in vitro-Untersuchungen zu der Rolle des S1P-Transporters Spns2 haben gezeigt, dass Spns2 die Expression von CTGF nach Stimulation von Mausmesangiumzellen mit TFG-β2 verstärkt. 24 Stunden nach Stimulation war im Zellkulturüberstand von Spns2-/--mMC im Gegensatz zu Spns2+/+-mMC keine Akkumulation des pro-fibrotischen Zytokins CTGF gegenüber der unstimulierten Kontrolle detektierbar. Nach 48 Stunden Stimulation mit TFG-β2 war die Menge an CTGF im Zelllysat als auch im Zellkulturüberstand von Spns2-/--mMC genauso hoch wie in der unstimulierten Kontrolle. Im Zelllysat und im Überstand der Spns2-/--mMC war die Expression von CTGF weiterhin deutlich höher im Vergleich zu den Proben der unstimulierten Zellen. Die basale und TFG-β2-induzierte Genexpression von S1P-synthetisierenden und S1P-degradierenden Enzymen, sowie die Konzentrationen an S1P und Sphingosin in den Zellen unterschieden sich zwischen Spns2-/--mMC und Spns2+/+-mMC nicht.
Eines der übergeordneten Ziele neurowissenschaftlicher Grundlagenforschung ist es, die Pathomechanismen neuropsychiatrischer Erkrankungsbilder besser zu verstehen. Als Erklärungsmodell für einige dieser Erkrankungen dient unter anderem ein gestörtes Verhältnis zwischen Exzitation und Inhibition im Gehirn. Synaptische Strukturproteine sind wichtige Modulatoren dieses Verhältnisses. Für eine unbeeinträchtigte inhibitorische synaptische Transmission spielt das postsynaptische Zelladhäsionsprotein Neuroligin 2 eine maßgebliche Rolle, um das Gleichgewicht zwischen Exzitation und Inhibition aufrechtzuerhalten. Neuroligin 2 ist an der inhibitorischen Synapse lokalisiert und beeinflusst die Entwicklung, Reifung und Funktion dieser Synapse. Die klinische Relevanz von Neuroligin 2 wurde bereits bei zahlreichen Erkrankungsbildern wie Schizophrenie, Depression oder Epilepsie im Rahmen von Studien nachgewiesen. Um das Verhältnis zwischen Exzitation und Inhibition in vivo sowie Mechanismen der synaptischen Übertragung und Plastizität zu untersuchen, hat sich die Ableitung von Feldpotentialen im Gyrus Dentatus des Hippocampus etabliert. Im Neuroligin 2 Knockout Mausmodell konnte bereits gezeigt werden, dass eine pränatale Deletion dieses Proteins eine stark erhöhte Erregbarkeit der Körnerzellen und eine verminderte GABAerge Netzwerkinhibition im Gyrus Dentatus in vivo zur Folge hat.
Unklar blieb bisher, ob diese durch den konventionellen Neuroligin 2 Knockout (pränatal) hervorgerufenen Netzwerkveränderungen alleine auf das Fehlen dieses Proteins zurückzuführen sind oder durch eine zusätzliche Beeinträchtigung der Hirnentwicklung hervorgerufen werden. Ziel dieser Dissertation ist es deshalb, die Rolle von Neuroligin 2 im Gyrus Dentatus durch einen induzierten Knockout in adulten Mäusen (postnatal) unabhängig von einem möglichen Entwicklungseffekt zu klären.
Dazu wurde im ersten methodischen Schritt dieser Dissertation durch orale Tamoxifen-Gabe eine zeitspezifische konditionale Eliminierung von Neuroligin 2 in genetisch modifizierten, adulten Mäusen erzielt. Im Anschluss an diese konditionale Eliminierung wurde die synaptische Transmission, Plastizität sowie neuronale Erregbarkeit von Körnerzellen im Gyrus Dentatus mittels elektrophysiologischer Experimente untersucht. Hierzu wurde zunächst der Tractus Perforans und die Körnerzellschicht durch stereotaktische Chirurgie in anästhesierten Mäusen lokalisiert. Anschließend wurde eine Stimulation des Tractus Perforans sowie eine Ableitung von Feldpotentialen im Gyrus Dentatus durchgeführt. Um die Erregbarkeit der Körnerzellen, die synaptische Transmission, Kurz- und Langzeitplastizität sowie Netzwerkinhibition im Gyrus Dentatus zu analysieren, wurden unterschiedliche Stimulationsprotokolle verwendet. Im Anschluss an die elektrophysiologischen Experimente wurden die Hippocampi beidseitig entnommen, konserviert und später einer Proteinquantifizierung von Neuroligin 2 mittels Western-Blotting unterzogen.
Die Ergebnisse zeigten ein signifikant verringertes Proteinlevel von Neuroligin 2 auf 41,07% im Hippocampus von konditionalen Neuroligin 2 Knockout Mäusen. Unter dieser Reduktion von Neuroligin 2 in adulten Mäusen war die in vivo Erregbarkeit der Körnerzellen des Gyrus Dentatus sowie GABAerge Netzwerkinhibition weitgehend unbeeinträchtigt und die signifikanten Beobachtungen des konventionellen Knockout Modells ließen sich nicht reproduzieren. Aufgrund der unvollständigen Proteinreduktion lässt sich jedoch nicht abschließend beurteilen, ob die Restmenge den elektrophysiologischen Effekt kompensiert oder ob die im konventionellen Neuroligin 2 Knockout Modell beobachteten Effekte auf eine ausschließliche Rolle von Neuroligin 2 in der Hirnentwicklungsperiode zurückzuführen sind. Kürzlich veröffentlichte Daten zeigten allerdings, dass die postnatale Deletion von Neuroligin 2 in anderen Hirnregionen zu einer verminderten Netzwerkinhibition führt.
Neben der hier verwendeten in vivo Methodik ist eine Ergänzung von Untersuchungen in nicht-anästhesierten Tieren sowie Messungen einzelner Zellen durch whole-cell patch-clamp Untersuchungen in vitro oder in vivo zu erwägen. Es sollte dabei auf eine konditionale Proteineliminierung geachtet werden, damit mögliche Kompensationsmechanismen weitgehend ausgeschlossen werden können. Eine weiterführende immunhistochemische Bildgebung der Hippocampuspräparate, wie sie im konventionellen Knockout durchgeführt wurde, könnte sich hierbei ebenso als aufschlussreich für die Funktion von Neuroligin 2 im Hippocampus des adulten Tieres erweisen.
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.
Die Auswirkungen der syrischen Flüchtlingskrise auf den zivilgesellschaftlichen Sektor im Libanon
(2021)
Die vorliegende Dissertation analysiert die Auswirkungen der syrischen Flüchtlingskrise auf den zivilgesellschaftlichen Sektor im Libanon, in Anbetracht einer historisch engverwurzelten Beziehung zwischen dem Libanon und Syrien. Die Dissertation wird von dem Interesse geleitet, die Rolle der lokalen zivilgesellschaftlichen NROs zu erforschen, die sich mit syrischen Flüchtlingen im Libanon befassen, und versuchen, die Leere des schwachen bzw. minimalistischen libaneischen Staatensystems zu füllen.Es wird untersucht, welche Effekte der syrische Konflikt auf die zivilgesellschaftliche Landschaft im Libanon gehabt hat und wie sich der Zufluss von internationaler Gelder auf die Aktivitäten dieser lokalen NROs sowie auf ihrer Beziehungen zu den libanesischen Staatsbehörden auf nationaler und lokaler Ebene ausgewirkt hat.
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.
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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Bezüglich der Arzneimittelforschung galt für sehr lange Zeit das Paradigma "ein Gen, ein Medikament, eine Krankheit". In jüngerer Zeit ändert sich dieses Paradigma jedoch auf Grund von redundanten Funktionen und alternativen sich kompensierenden Signalmustern, die insbesondere bei Krebserkrankungen vorherrschend sind. Daher kann die logische Konsequenz nur sein, Multi-Target-Strategien gegenüber Single-Target-Ansätzen in Betracht zu ziehen. Auf Grund der Schwierigkeit, mit einer Kombination von zwei Einzelwirkstoffen, in diesem Fall BET- und HDAC-Inhibitoren eine konsistente Biodistribution und Pharmakokinetik zu erreichen, wurde nach Einzelmolekülen gesucht, die mehrere inhibitorische Aktivitäten aufweisen. Dies wurde hier zunächst durch die einfache Konjugation von zwei unterschiedlichen Pharmakophoren erreicht.
Insgesamt wurden vier verschiedene Liganden dieses Typs synthetisiert und einer von ihnen, Verbindung 14, zeigte sehr vielversprechende Ergebnisse. 14 vereint den BET Inhibitor JQ1- mit dem HDAC Inhibitor CI994 und hat eine hemmende Wirkung sowohl gegen BRD4- als auch HDAC-Proteine wie durch DSF- und nanoBRET-Assay gezeigt werden konnte. Außerdem zeigten in vitro Assays in PDAC-Zellen, dass 14 ein noch potenterer dualer BET/HDAC-Inhibitor ist als die Kombination aus JQ1 und CI994. Während die Effekte von 14 auf das BETi-Antwortgen MYC denen von JQ1 ziemlich ähnlich sind, sind insbesondere die HDAC-inhibitorischen Effekte nachhaltiger und verstärkt, wahrscheinlich aufgrund einer längeren Verweildauer von 14 auf HDAC als dies bei CI994 der Fall ist. Dies ist durch das hohe Niveau der acetylierten Lysine von Histon H3 im Western Blot erkennbar. Dieses veränderte Expressionsverhalten hatte einen großen Einfluss auf das Zellwachstum und überleben in allen getesteten PDAC-Zelllinien. Hier wurde die Überlegenheit von 14 gegenüber der gleichzeitigen Behandlung der Zellen mit JQ1 und CI994 sehr deutlich. Wurden PDAC-Zellen mit dem dualen Inhibitor 14 behandelt, hatte dies ein geringeres Wachstum und Überleben der Krebszellen zur Folge als mit beiden ursprünglichen Molekülen, unabhängig davon, ob diese einzeln oder simultan verabreicht wurden. Außerdem wurde 14 mit Gemcitabin, einem gut verträglichen Chemotherapeutikum, kombiniert, dass bei PDAC allein nur eine begrenzte Aktivität aufweist. Es stellte sich heraus, dass die Reihenfolge, in der die Medikamente verabreicht werden, einen großen Einfluss auf die Effektivität hatte. Der durch 14 induzierte Stopp des Zellzyklus verhindert den Einbau von Gemcitabin in die DNA, wenn 14 vor oder gleichzeitig mit Gemcitabin verabreicht wird. Wenn jedoch die Behandlung mit 14 nach der Verabreichung von Gemcitabin folgt, wird der durch Gemcitabin induzierte S-Phasen-Arrest und Replikationsstress aufrechterhalten. Im Vergleich zu den meisten früheren Studien, die sich mit dualen BET/HDAC-Inhibitoren beschäftigten, ist dies eine große Verbesserung, da es bisher keinen signifikanten Unterschied zwischen der Verwendung eines dualen BET/HDAC-Inhibitors und der Kombination von zwei Einzelinhibitoren gab.
Als Proof of Concept unterstützten die Daten weitere Bemühungen zur Entwicklung zusätzlicher dualer BET/HDAC-Inhibitoren. Daher wurden zwei weitere Generationen dualer BET/HDAC Inhibitoren entwickelt, die jedoch bisher nicht an die Eigenschaften von 14 anknüpfen konnten. Vor allem die 3. Generation bietet jedoch Raum für Optimierungen, so dass hier möglicherweise noch ein potenter dualer Inhibitor zu finden ist. Sollte es in Zukunft einen zugelassenen dualen BET/HDAC-Inhibitor geben, ist es jedoch nicht unwahrscheinlich, dass keine der hier verwendet BET inhibierenden Strukturen verwendet werden, aber Struktur des HDAC inhibierenden Teils immer noch vergleichbar ist. Der Grund dafür ist, dass die HDAC Inhibitoren größtenteils relativ einfach aufgebaut. So lange das wichtigste, die zinkbindende Gruppe vorhanden ist, scheint der Linker sowie die Capping-Gruppe zweitranging zu sein. Die größere Herausforderung wird vermutlich die Suche nach dem passenden BET Inhibitor sein und die Wahlmöglichkeiten sind schon jetzt vielfältig.
Generell lässt sich sagen, dass die Idee der dualen BET/HDAC-Inhibitoren äußerst vielversprechend und es wert ist, weiter verfolgt zu werden. Dies liegt vor allem an den guten Testergebnissen, die mit Verbindung 14 erzielt wurden. Mit Hilfe dieser Art von Inhibitoren könnte es in Zukunft möglich sein, die Überlebensrate von PDAC-Patienten zu erhöhen, wenn nicht als alleiniges Medikament, so vielleicht als Zusatz zur Chemotherapie. Darüber hinaus scheint der Einsatz von dualen BET/HDAC-Inhibitoren nicht nur auf die Behandlung von PDAC beschränkt zu sein und kann auch bei anderen Krebsarten angewendet werden. NMC zum Beispiel ist ein ebenso seltener wie tödlicher Subtyp des schlecht differenzierten Plattenepithelkarzinoms und zeichnet sich durch eine Fusion des NUT-Gens mit BRD4 aus, wodurch es potenziell anfällig für eine BET-Inhibition ist. Tatsächlich zeigte 14 auch hier einen größeren positiven Effekt auf die getesteten NMC-Zellen als JQ1 oder CI994 und veranlasste die Zellen unter anderem zur Differenzierung. ...
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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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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Deep learning with neural networks seems to have largely replaced traditional design of computer vision systems. Automated methods to learn a plethora of parameters are now used in favor of previously practiced selection of explicit mathematical operators for a specific task. The entailed promise is that practitioners no longer need to take care of every individual step, but rather focus on gathering big amounts of data for neural network training. As a consequence, both a shift in mindset towards a focus on big datasets, as well as a wave of conceivable applications based exclusively on deep learning can be observed.
This PhD dissertation aims to uncover some of the only implicitly mentioned or overlooked deep learning aspects, highlight unmentioned assumptions, and finally introduce methods to address respective immediate weaknesses. In the author’s humble opinion, these prevalent shortcomings can be tied to the fact that the involved steps in the machine learning workflow are frequently decoupled. Success is predominantly measured based on accuracy measures designed for evaluation with static benchmark test sets. Individual machine learning workflow components are assessed in isolation with respect to available data, choice of neural network architecture, and a particular learning algorithm, rather than viewing the machine learning system as a whole in context of a particular application. Correspondingly, in this dissertation, three key challenges have been identified: 1. Choice and flexibility of a neural network architecture. 2. Identification and rejection of unseen unknown data to avoid false predictions. 3. Continual learning without forgetting of already learned information. These latter challenges have already been crucial topics in older literature, alas, seem to require a renaissance in modern deep learning literature. Initially, it may appear that they pose independent research questions, however, the thesis posits that the aspects are intertwined and require a joint perspective in machine learning based systems. In summary, the essential question is thus how to pick a suitable neural network architecture for a specific task, how to recognize which data inputs belong to this context, which ones originate from potential other tasks, and ultimately how to continuously include such identified novel data in neural network training over time without overwriting existing knowledge.
Thus, the central emphasis of this dissertation is to build on top of existing deep learning strengths, yet also acknowledge mentioned weaknesses, in an effort to establish a deeper understanding of interdependencies and synergies towards the development of unified solution mechanisms. For this purpose, the main portion of the thesis is in cumulative form. The respective publications can be grouped according to the three challenges outlined above. Correspondingly, chapter 1 is focused on choice and extendability of neural network architectures, analyzed in context of popular image classification tasks. An algorithm to automatically determine neural network layer width is introduced and is first contrasted with static architectures found in the literature. The importance of neural architecture design is then further showcased on a real-world application of defect detection in concrete bridges. Chapter 2 is comprised of the complementary ensuing questions of how to identify unknown concepts and subsequently incorporate them into continual learning. A joint central mechanism to distinguish unseen concepts from what is known in classification tasks, while enabling consecutive training without forgetting or revisiting older classes, is proposed. Once more, the role of the chosen neural network architecture is quantitatively reassessed. Finally, chapter 3 culminates in an overarching view, where developed parts are connected. Here, an extensive survey further serves the purpose to embed the gained insights in the broader literature landscape and emphasizes the importance of a common frame of thought. The ultimately presented approach thus reflects the overall thesis’ contribution to advance neural network based machine learning towards a unified solution that ties together choice of neural architecture with the ability to learn continually and the capability to automatically separate known from unknown data.
Für jeden Betroffenen ist die Diagnose Krebs ein schwerwiegender Einschnitt in der Lebensqualität und -führung, da die Behandlung oftmals mit langen Chemotherapien einhergeht. Moderne Durchbrüche in der Krebsbehandlung stammen aus dem Forschungsbereich der zielgerichteten Molekulartherapie oder aus dem Gebiet der Immuntherapien, die zu beachtlichen Erfolgen bei der Behandlung von Krebspatienten führten. Trotzdem bleiben auf dem Gebiet der Onkologie weiterhin Fragen zu den grundlegenden biologischen Prozessen unbeantwortet.
Zu den Onkoproteinen, die das Tumorwachstum in Leukemiezellen stark beeinflussen, gehören die Proteine der Klasse der mixed lineage leukemia (MLL) Histonmethyltransferasen. Genetische Fusionen des mll Gens, sogenannte Rearragments, führen zu MLL-fusion Produkten, die erheblich zum Verlauf der aggressiven akuten myeloischen Leukämie (AML) beitragen. Ein weiteres Onkoprotein, das für den Krankheitsverlauf vieler Krebsarten relevant ist, ist die Transkriptionsfaktorfamilie MYC. Überexprimierung von MYC wurde in einem Drittel aller humanen Tumore beobachtet. Zahlreiche Studien belegen, dass hohe MYC Level die Expression von Genen regulieren, die essentiell für den Transformationsprozess und somit das Tumorwachstum sind. Da der Transkriptionsfaktor weder eine sabile tertiäre Proteinstruktur noch eine für Inhibitoren adressierbare Bindetasche aufweist, gilt MYC bis heute als undruggable.
Sowohl die Histonmethyltransferase MLL1, als auch der Transkriptionsfaktor MYC interagieren mit einem ca. 37 kDa Protein namens WD40-repeat containing Protein 5 (WDR5), das durch seine propellerförmige Struktur eine Oberfläche mit insgesamt zwei Bindestellen aufweist. Mehrere Studien zeigten, dass WDR5 die Stabilität und somit die Funktion epigenetischer Proteinkomplexe wie SET/ MLL und NSL gewährleistet. In diesem Kontext wurde WDR5 als relevantes Target für die MLL-rearragend akute lymphatische Leukämie (ALL) postuliert. Weitere Studien zeigten zusätzliche Rollen von WDR5, wie die Interaktion zwischen WDR5 und dem Onkoprotein MYC sowie dessen Rekrutierung zum Chromatin. Seit 2015 wurden erfolgreich mehrere niedermolekulare Wirkstoffe für die Inhibierung von WDR5 entwickelt. Dabei zielten die meisten der literaturbekannten Inhibitoren auf die Argininmotiv-erkennende WDR5-interacting (Win) Bindestelle, eine große, hydrophobe Bindetasche im Zentrum des WDR5-Propellers. Die Resultate der besser erforschten Win Inhibitoren zeigten, dass WDR5 ein erfolgsversprechendes Target zur Inhibierung von leukämischen (MLL-r-abhängigen) und neuroblastomatischen (MYC-abhängigen) Zellwachstum ist.
Da beide Bindestellen des WDR5 Proteins Interaktionen mit onkologisch bedeutsamen Faktoren eingehen, würde eine einseitige Inhibierung nur die Effekte der jeweiligen Bindestelle aufzeigen. Diese Limitierung könnte jedoch durch die Entwicklung von WDR5 PROTACs (Proteolysis targeting chimeras) aufgehoben werden, da alle Gerüstfunktionen des Proteins und Protein-Protein-Interaktionen durch die Degradierung von WDR5 entfernt werden würden. Dabei induzieren die heterobifunktionellen Moleküle den Abbau des Zielproteins über das zelleigene Ubiquitin-Proteasom-System, statt die Enzymfunktion zu inhibieren. Nach dem zelleigenen Abbau des Zielproteins wird der PROTAC freigesetzt und kann einen neuen Zyklus der Proteindegradation einleiten, was die erforderliche Menge an Wirkstoff verringert.
Diese Dissertation beschäftigte sich mit dem Design, der Synthese sowie der biophysikalischen und biologischen Evaluierung von WDR5 PROTACs. Ausgehend von literaturbekannten WDR5 Liganden wurden zwei verschiedene PROTAC Typen entworfen. Diese beiden Molekültypen besitzen einen unterschiedlichen geometrischen Austrittswinkel, wodurch die Chance auf eine erfolgreiche Komplexbildung zwischen WDR5, PROTAC und E3 Ligase erhöht wird. Als Leitstruktur fungierten die Verbindungen OICR-9429 sowie DDO-2117 und ausgehend von Ligand (6d) wurden heterobifunktionelle Moleküle mit verschiedenen Linkersystemen ([PEG]- und alkyl-basiert, sowie aromatisch verbrückt) und verschiedenen E3 Ligase Liganden (Cereblon, VHL und MDM2) synthetisiert. Die anschließenden biochemischen und biophysikalischen Evaluierungen der verschiedenen PROTACs durch Thermofluor (DSF) und ITC zeigten eine hohe in vitro Affinität einiger Moleküle. Die zelluläre Permeabilität der großen Moleküle wurde in einem hier etablierten BRET Assay untersucht. Zur Assay-Etablierung wurden drei Tracer (21a-c), basierend auf BODIPY Konjugaten, synthetisiert und getestet, bevor die PROTACs in intakten und lysierten Zellen vermessen wurden. Während die zellulären Affinitäten von Cereblon- und VHL-adressierenden PROTACs sich im niedrigen μM Bereich bewegten, wurden die nicht zellgängigen MDM2 PROTACs von weiteren Experimenten ausgeschlossen.
Die Degradierungeffizienz der WDR5 PROTACs (7a-e) und (8a-j) wurden in der Leukämie Zellinie MV4-11 untersucht, da diese die am meisten auftretende MLL fusion Mutation AF4 birgt. Dabei wurde der Proteinabbau von WDR5 über den HiBiT Assay sowie Western Blots nachgewiesen. ...
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.
Der Übergang von der Schule in die Ausbildung oder in das Studium ist ein entscheidender und wegweisender Schritt in der Bildungsbiografie von jungen Menschen. Der dabei vollzogene Übergangsprozess hat sich im Laufe der vergangenen Jahrzehnte deutlich verändert und zunehmend individualisiert. In diesem Zeitraum haben sich auch die Anforderungen und Verhältnisse auf dem Ausbildungs- und Arbeitsmarkt vor allem durch die Expansion des Dienstleistungsbereichs verändert. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Entwicklung des Übergangsprozesses in Form der Dauer und der absolvierten Stationen vom Verlassen der Schule bis zum Beginn der beruflichen oder akademischen Erstausbildung vor dem Hintergrund der Zunahme an Arbeitskräften im Dienstleistungssektor bei westdeutschen Jugendlichen im Zeitraum zwischen 1971 und 2012 zu untersuchen. Dies wurde auch getrennt nach Schulabschlussgruppen überprüft. Im Rahmen der Ergebnisse zeigte sich, dass ein gestiegener Anteil an dienstleistungstätigen Arbeitskräften auf dem Arbeitsmarkt in der Zeit zwischen 1971 und 2012 keinen signifikanten Einfluss auf die Dauer und die absolvierten Stationen des Übergangs hatte. Dies galt unabhängig vom erreichten Schulabschluss. Die vorliegenden Erkenntnisse dienen als Anstoß dafür, den Übergangsprozess von der Schule in die Ausbildung genauer zu betrachten und hierbei gegebenenfalls weitere potenzielle Einflussfaktoren einzubeziehen.
Der Einfluss von Chemotherapie bei malignen pädiatrischen Erkrankungen auf kindliche Impftiter
(2021)
Hintergrund: Chemotherapie hat nicht nur einen Einfluss auf die Krebszellen, sondern auch auf das Immunsystem der Behandelten. In unserer Studie untersuchten wir den Impftiterverlust impfpräventablen Erkrankungen (Masern, Mumps, Röteln und Varizella zoster) bei Kindern und Jugendlichen, welche eine chemotherapeutische Behandlung wegen einer malignen Erkrankung erhielten.
Methoden: Eingeschlossen in die retrospektive Studie wurden Kinder, Jugendliche und junge Erwachsene im Alter bis zum 21. Lebensjahr, welche zwischen 2001 und 2010 an der Kinderklinik für Hämatologie und Onkologie der Universitätsklinik Frankfurt am Main therapiert wurden. Es erfolgte die Analyse von Antikörper-Titer für Masern, Mumps, Röteln und Varizella zoster zum Diagnosezeitpunkt und erneut bis zu 12 Monate nach Therapieende.
Ergebnis: Insgesamt konnten 195 Kinder und Jugendliche in die Studie eingeschlossen werden. 122 Probanden waren männlich, 73 weiblich. Die größte Patientengruppe war an ALL erkrankt (80 Patienten). Die übrigen Patienten verteilten sich auf 15 Patienten mit AML, 18 Patienten mit NHL, 22 Patienten mit Hodgkin Lymphom. 60 Patienten waren an soliden Tumoren erkrankt. Insgesamt haben 27%, 47%, 19% und 17% der Kinder und Jugendlichen ihren Impfschutz gegen Masern, Mumps, Röteln und Varizella zoster verloren. Hierbei zeigte sich eine Altersabhängigkeit. In der Auswertung zeigte sich bei jüngeren Kindern unter 7 Jahren häufiger ein Titerverlust als bei den älteren Kindern und Jugendlichen. Auch an ALL-erkrankte und behandelte Kinder und Jugendliche verloren häufiger ihren Impfschutz als die Patienten mit anderen untersuchten Krebserkrankungen (AML, NHL, M. Hodgkin, solide Tumore).
Fazit: Die Daten unserer retrospektiven Studie zeigen, dass eine signifikante Anzahl von Kindern und Jugendlichen durch eine chemotherapeutischen Behandlung ihre vorbestehenden Impftiter gegen impfpräventable Erkrankungen wie Masern, Mumps, Röteln und Varizella zoster verlieren. Dieser Verlust zeigt sich häufiger bei jüngeren Patienten und ALL-Patienten. Unsere Daten unterstreichen daher, wie wichtig es ist, Kinder und Jugendliche nach Beendigung der Chemotherapie erneut zu impfen, um einen neuen ausreichenden Impfschutz gegen Masern, Mumps, Röteln und Varizella zoster zu erhalten.
In der vorliegenden Studie sollte der Einfluss eines systematischen Krafttrainings auf die ergonomische Arbeitsweise und die ergonomische Risikobeurteilung von Zahnärzten und Zahnmedizinischen Fachangestellten anhand objektiver Daten untersucht werden. Dafür wurden 22 Probanden rekrutiert. An der Studie nahmen 13 ZÄ, 7 ZFAs und 2 Studenten der Zahnmedizin teil. Als Einschlusskriterium wurden Beschwerden im Rücken- und/oder Nacken- und/oder Schulterbereich innerhalb der letzten zwölf Monaten definiert. In den Einrichtungen des Instituts für Arbeitsmedizin, Sozialmedizin und Umweltmedizin des Universitätsklinikums Frankfurt am Main (Deutschland) fanden biomechanische Prä- und Postmessungen der ergonomischen Arbeitsweise statt. Die Messungen erfolgten mit dem inertialen Messsystem MVN BIOMECH Link der Firma XSens (Enschede, Niederlande). Die Probanden arbeiteten während der Messung an einer ihnen vertrauten Behandlungseinheit und behandelten am Phantomkopf in einer ihrer Fachrichtung entsprechenden Behandlungssimulation bestehend aus praxisnahen zahnmedizinischen Aufgaben. Zwischen der Prä- und Postmessung absolvierten die Probanden eine 10- bis 12-wöchige, systematische Krafttrainingsintervention mit zwei einstündigen Trainingseinheiten pro Woche. Für das Training wurden Übungen zur Kräftigung der stabilisierenden Haltemuskulatur ausgewählt, insbesondere im Rücken, Nacken, Schultern und Rumpf, entsprechend den vorherrschenden Regionen muskuloskelettaler Beschwerden unter ZÄ und ZFAs. Das Training wurde in Kleingruppen von den Untersuchern betreut.
Die erhobenen kinematischen Daten der biomechanischen Messungen wurden im Programm Matlab (MATrix LABoratory) auf Grundlage der gemessenen Gelenkwinkel und -positionen sowie des angepassten RULA Arbeitsbogens ausgewertet. Die statistische Auswertung erfolgte mit den Programmen BiAS Version 11.12 (Epsilon Verlag, Darmstadt, Deutschland, 2020) und IBM SPSS Statistics Version 26 (IBM, New York, USA, 2019). Die erhobenen RULA Parameter wurden mit dem Wilcoxon-Matched-Pairs Test statistisch ausgewertet. Die erhobenen Gelenkwinkel wurden mithilfe des Systematic Parametric Mapping statistisch überprüft. Das Signifikanzniveau lag bei 5%.
Die vorliegende Studie konnte anhand objektiver Daten die Ergebnisse vorheriger Autoren bestätigen, dass ZÄ und ZFAs oftmals mit vorgebeugtem Nacken und Oberkörper arbeiten, während diese z.T. zusätzlich noch rotiert und/oder seitlich gebeugt sind.
Besonders der Nacken weicht bei der Arbeit stark von einer neutralen Haltung ab. Mit den oberen Extremitäten arbeiten die Behandler oftmals asymmetrisch. Der rechte Oberarm ist stärker angehoben und abduziert als der linke und weicht stärker von einer neutralen Haltung ab. Mit den Unterarmen arbeiten ZÄ und ZFAs oftmals exzentrisch über die Körpermitte hinaus bzw. außerhalb ihrer Körpermitte. Die Handgelenke sind zumeist stark angewinkelt und zeigen eine deutliche Radialdeviation. Die ergonomische Arbeitsweise von zahnmedizinischem Personal konnte anhand dieser Studie als gesundheitlich hoch risikobehaftet eingestuft werden. Besonders die Nackenregion, die Unterarme sowie die beiden Handgelenke konnten anhand der objektiven Daten als Risikobereiche ausgemacht werden. Der Einfluss des systematischen Krafttrainings wurde im Prä-Post-Vergleich anhand der kinematischen Daten überprüft. Die gemessenen Gelenkwinkel und -positionen zeigten sich nach der Trainingsintervention größtenteils unverändert oder zeigten keine Verbesserung hin zu neutralen Gelenkwinkeln. Dies suggeriert, dass ein 10-12 wöchiges systematisches Krafttraining nicht oder nur begrenzt zu einer aufrechteren, entspannten und symmetrischeren Arbeitshaltung führt wie sie für die zahnmedizinischen Berufe gefordert wird. Der Einfluss des systematischen Krafttrainings wurde ebenfalls bezüglich der ergonomische Risikobeurteilung durch RULA im Prä-Post-Vergleich überprüft. Für die Gesamtbewertung der Arbeitsweise konnte statistisch keine signifikante (p≥ 0,05) Veränderung und deskriptiv keine Verbesserung nachgewiesen werden. Auch im Vergleich der ergonomischen Risikobeurteilung der einzelnen Körperregionen zeigte nur der Nacken eine statistisch signifikante Veränderung (p ≤ 0,05). Für ihn konnte bestätigt werden, dass ein systematisches Krafttraining zu einer wenn auch geringen verbesserten objektiven Bewertung der ergonomischen Arbeitsweise und weniger Arbeitszeit in gesundheitlich riskanten ergonomischen Arbeitsweisen führt.
Mit dieser Studie konnte anhand objektiver Daten das hohe gesundheitliche Risiko zahnmedizinischer Berufe und ihrer ergonomischen Arbeitsweise bestätigt werden. Ein systematisches 10- bis 12-wöchiges Krafttraining zeigte zumeist keinen Einfluss bzw. keine Verbesserung bezüglich der ergonomischen Arbeitsweise. Die Studienergebnisse stellen in Frage, in wie fern sich die Arbeitshaltung in zahnärztlichen Berufen durch verhaltenspräventive Maßnahmen wie körperliches Training beeinflussen lassen.