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Eine große Gruppe von Aptameren sind die Guanosintriphosphat (GTP) Aptamere. Diese zeigt sehr eindrücklich, wie RNA unterschiedliche Strategien nutzt, um denselben Liganden zu erkennen. Die komplette Struktur des GTP Klasse II Aptamers wird in der ersten Publikation gezeigt. Interessanterweise zeichnet die Struktur ein stabil protoniertes Adenine unterhalb der GTP-Bindestelle aus. Dieses wurde durch eine Kombination aus weiterführenden NMR- und ITC-Experimente untersucht und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die protonierte Base einen pKs-Wert hat, der weit von der Neutralität verschoben ist. Die Protonierung ist auch noch bei sehr basischen Puffern stabil.
Eine Art der funktionellen Protonierung wird von den zyklischen di-Nukleotiden (CDN) bindenden Riboswitches genutzt, um zwei CDN mit ähnlicher Affinität zu binden. c-di-GMP Riboswitches wurden als regulatorische Einheit beschrieben und deren Kristallstruktur aufgeklärt. Mutationsexperimente führten dazu, dass bei einer G-zu-A Mutation an der Gα-Bindestelle die Selektivität des Riboswitches verändert wurde. Die Mutante bindet sowohl c-di-GMP als auch cGAMP mit ähnlichen Bindungsaffinitäten. Riboswitche, die cGAMP binden wurden auch in der bakteriellen Genomen gefunden. Hierbei ist die Promiskuität unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Untersuchung des Bindungsmodus und der damit verbundenen Promiskuität ist in der zweiten Publikation beschrieben. Hier wurde gezeigt, dass die Riboswitche beide Liganden nur binden können, wenn zur Bindung von c-di-GMP das Ligand bindende A protoniert vorliegt. Auch diese Protonierung konnte mit weiterführenden NMR- und ITC-Experimenten charakterisiert werden. Die Untersuchungen einer solch großen RNA sind mit NMR Spektroskopie herausfordernd. Hierbei wurde ausgenutzt, dass die Kristallstruktur bereits bekannt war, welche allerdings die Protonierung nicht zeigte. Auch diese Protonierung zeigt einen pKs-Wert, der weit von der Neutralität verschoben ist und außerdem bei unterschiedlichen pH stabil ist.
In den beiden untersuchten Beispielen wurden zwei verschiedene Arten von Protonierung gezeigt: eine strukturelle und eine funktionelle. Das GTP Klasse II Aptamer benutzt die Protonierung als strukturelle Basis für die Basis der Ligandenbindungsstelle. Hierbei werden durch die Protonierung des Adenines mehr nutzbare Wasserstoffbrücken ausgebildet und damit die Tertiärstruktur stabilisiert. Im Unterschied dazu nutzen die promiskuitiven CDN Ribsowicthes die Protonierung, um verschiedene Liganden binden zu können und es kommt damit zu einer Verschiebung der Funktionalität. Der regulatorische Nutzen dafür ist allerdings noch unbekannt.
Auch bei den SAM Riboswitches wurde ein promiskuitiver Vertreter beschrieben. SAM Riboswitches gehören zu den am längsten bekannten Klassen der Riboswitches. Bis heute sind hier die meisten unterschiedlichen Klassen bekannt. SAM wird häufig als Donor für funktionelle Gruppen benutzt, besonders häufig als Methlygruppendonor für die Methylierung einer Reihe unterschiedlicher Substrate (z.B. DNA, Proteine, Metabolite etc.). Bei dieser Reaktion entsteht SAH als Nebenprodukt. Zusätzlich ist SAH zelltoxisch, da es affin an Methyltransferasen bindet und damit diese essenzielle Reaktion inhibiert. Eine enge Kontrolle der SAH-Konzentration ist daher kritisch. SAM bindende Riboswitches haben zu SAM eine bis zu 1000-fach höhere Bindungsaffinität im Vergleich zu SAH. Die Beschreibung eines translationalen OFF-Riboswitches, der SAM und SAH mit ähnlicher Affinität bindet, ist daher überraschend. Zumal seine Genassoziation fast ausschließlich zu SAM Synthetasen ist, deren Regulation durch SAH wenig sinnvoll erscheint. Um ein besseres Verständnis für die Funktion des SAM/SAH Riboswitches zu erhalten, wurde seine 3D-Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt, wie in der vierten Publikation beschrieben. Dafür mussten zunächst alle Resonanzen der Sequenz und dem Liganden zugeordnet werden, wie in der dritten Publikation beschrieben. Dabei wurde als Ligand SAH gewählt, da dieser chemisch stabiler und damit für die teils tagelangen NMR-Messungen besser geeignet ist. Zusätzlich wurden Mutanten bzw. verwandte Liganden mittels ITC Experimente auf ihre Bindungseigenschaften untersucht, um die Bedeutung der Linkerlänge, einzelner Basenpaare und funktionelle Gruppen des Liganden zu untersuchen. Bei anderen bekannten SAM Riboswitches umschließt die RNA den Liganden fast komplett. Dabei wird zum einem das Sulfoniumion spezifisch durch die Carboxylgruppen verschiedener Uracil-Nukleotide erkennt und koordiniert. Außerdem bildet sich eine Bindetasche aus, die genug Platz für die stabile Bindung der Methylgruppe hat. Beim SAH Riboswitch wird die Selektivität für SAH dadurch erreicht, dass die Bindetasche sterisch keinen Platz für die Methylgruppe von SAM bereitstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei verschiedene Ligand bindende RNA-Strukturen untersucht, die alle sehr unterschiedliche Strategien zur Bindung der Liganden nutzen. Obwohl Portionierungen bei Aptameren und Riboswitches selten beschrieben wurden, haben sie eine maßgebliche Funktion in den beiden zuerst untersuchten Strukturen. Obwohl bisher im Hinblick auf alle bekannten RNA Strukturen eher selten beschrieben, gibt es doch neben den genannten zwei, einige Beispiele für strukturelle oder funktionelle Protonierungen. Auch in Hinblick auf zukünftige bzw. Verbesserung bestehender RNA-Strukturvorhersage-Programme ähnlich wie sie für Proteine schon lange nutzt werden, müssen protonierte Nukleobasen ernsthaft in Betracht gezogen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zwei der untersuchten Riboswitches zwei Liganden mit ähnlicher Affinität binden. Die genutzte Strategie ist hierbei unterschiedlich. Während bei den promiskuitiven CDN Riboswitches der regulatorische Nutzen noch unbekannt ist, konnte für den SAM/SAH Ribsowitch gezeigt werden, dass SAH nur zufällig aufgrund der wahrscheinlich sehr niedrigen intrazellulären Konzentration gebunden wird und dieser daher wahrscheinlich später in der evolutionären Entwicklung entstanden ist. Riboswitches halten es weiterhin spannend.
Cancer therapies have experienced significant advances in recent years. While conventional cytotoxic chemotherapy has long been the cornerstone for the treatment of many tumor entities, uprising immunotherapies have revolutionized the therapeutic landscape. Among them, immune checkpoint inhibitors (ICIs) with their demonstrated increased overall survival rates and response rates in cancer patients are now FDA-approved for metastatic melanoma and multiple other malignancies. Despite their clinical benefit in cancer therapies, ICIs can induce unique autoimmune-like toxicities known as immune-related adverse events (irAEs), which can involve any organ system including the nervous system. Although neurotoxicities are rare complications of ICI therapy they are often severe and can lead to long-term disability or even death if left untreated.
Neurological irAEs exhibit a broad spectrum of clinical presentations affecting the entire nervous system. Diagnosing neurological irAEs is often challenging as symptoms and laboratory findings can be uncharacteristic for common neurological disorders and clinical experience with ICI-mediated toxicities is still limited. In light of expanding clinical indications for ICIs, physicians will encounter ICI-mediated neurotoxicities more frequently. Thus, thorough characterizations of the diverse set of neurological irAEs are essential for optimal patient care, the prevention of severe ICI-mediated complications, and the development of diagnostic and therapeutic algorithms. This work portrays the clinical presentation, management and outcome of neurological irAEs following ICI therapies.
Patients with neurotoxicities related to ICIs who presented at the Yale New Haven Hospital between January 2014 and June 2018 were retrospectively identified from the quality control database. A comprehensive chart review was performed and data regarding patient demographics, medical history, ICI regimen and neurotoxicity were recorded. In total, 18 patients with neurological irAEs following ICI therapy for melanoma, small cell lung cancer, non-small cell lung cancer, and Merkel-cell carcinoma were identified. Neurotoxicities included central nervous system disorders comprising central demyelinating disorder,autoimmune encephalitis predominantly affecting the grey matter, and aseptic meningitis. Peripheral nervous system toxicities included sensorimotor polyneuropathy and myasthenia gravis. Cases of hypophysitis were also recorded. Time to onset of neurological irAEs ranged from 1 to72 weeks with a median of five weeks. In all patients ICIs were held and steroids initiated. Additional immunomodulatory therapies were required in nine patients. Sixteen of 18 patients showed neurological improvement. Fourteen patients had highgrade neurotoxicity (grade 3-4), six of whom deceased due to cancer progression, while none of the low-grade neurotoxicity patients (grade 1-2) died. High-grade neurotoxicity was identified as a negative prognostic marker for overall survival (p = 0.046).
This work shows that neurotoxicities present early-onset, rapidly progressive complications of ICIs with a broad spectrum of clinical phenotypes affecting the central nervous system, peripheral nervous system, and neuroendocrine system. A high index of caution for neurological irAEs is warranted throughout ICI therapy as timely diagnosis and management can reduce morbidity and mortality. Randomized clinical trials are needed to develop standardized diagnostic and therapeutic algorithms of ICI-induced neurotoxicities.
Uneindeutiger Verlust unterscheidet sich von eindeutigem Verlust durch Tod dadurch, dass der Verlust nicht sicher ist, da Verbleib und Schicksal der verlorenen Person unklar sind (physischer uneindeutiger Verlust; die Person wird vermisst) oder aber da die Person zwar physisch präsent, aber psychisch abwesend ist (psychologischer uneindeutiger Verlust, bspw.
durch Alzheimer; Boss, 1999, 2006). Klinische Fallberichte legen nahe, dass die Uneindeutigkeit des Verlusts einer geliebten Person den Trauerprozess erschwert, doch mangelt es an systematischen Studien. Die vorliegende Studie ist die erste, die beide Arten uneindeutigen Verlusts systematisch mit Verlust durch Tod unter nicht-gewaltsamen Umständen vergleicht. Publikation 1 und 2 zielen darauf, ein multidimensionales Verständnis davon zu gewinnen, wie die Uneindeutigkeit eines Verlusts dessen Verarbeitung beeinflusst. Untersucht wurde auch, ob die Auswirkungen der Uneindeutigkeit eines Verlusts sich auf die Erzählung des Verlusts selbst beschränkt oder sich auch auf andere Erinnerungen auswirkt. Artikel 3 geht einen Schritt weiter und untersucht protektive Faktoren, die ein erfolgreiches Verstehen und adaptive Folgen befördern können. Alle drei Veröffentlichungen basieren auf derselben Studie, in der je 30 Erwachsene mit physischem sowie mit psychologischem uneindeutigen Verlust untersucht wurden sowie weitere 30 mit eindeutigem Verlust eines Elternteils durch Tod (N = 90). Alle Teilnehmenden erzählten fünf Erinnerungen (n = 450), einmal eine offene Erzählung des Verlusts sowie je eine Erzählung eines spezifischen Ereignisses, nämlich eines verlustbezogenen Ereignisses, eines traurigen Ereignisses, eines Wendepunkt-Erlebnisses sowie eines selbstdefinierenden Erlebnisses. Zudem füllten sie symptombezogene Fragebögen aus. Insgesamt wurden neun Kodiermanuale auf die Erzählungen angewendet, um zu erfassen, wie Verluste verarbeitet und bewältigt werden. Der erste Artikel zeigt, dass Personen mit uneindeutigem Verlust, verglichen mit Personen mit eindeutigem Verlust, zwar nicht mehr in dem Verlusterlebnis aufgehen, aber doch schlechter mit ihm zurecht kommen. Die Uneindeutigkeit des Verlusts erschwert es, dem Verlust einen Sinn zu verleihen, und lässt seine Folgen negativer erscheinen. Der zweite Artikel zeigt, dass Menschen, die einen uneindeutigen Verlust erlebt haben, diesen sowie selbstdefinierende Erinnerungen mit mehr sogenannten Kontaminations- und weniger Erlösungssequenzen erzählen, und nur das Verlusterlebnis mit weniger Themen der Agentizität und Gemeinschaft, sich aber nicht in traurigen und Wendepunkterzählungen unterscheiden. Diese Gruppenunterschiede waren nicht auf unterschiedliche Symptomausprägungen zurück zu führen. Im dritten Artikel schließlich kann gezeigt werden, dass die relative Häufigkeit von Verknüpfungen zwischen der eigenen Person und einem Lebensereignis sowie ihre Positivität und Veränderungs- versus Stabilitätsbezug damit korrelierte, wie erfolgreich Lehren aus dem Ereignis gezogen werden konnten. Zudem korrelierte eine höhere Schulbildung mit erfolgreicherem Ziehen von Lehren aus den Ereignissen und mit positiveren Implikationen für Erzählende. Schließlich korrelierte die Positivität autobiographischen Urteilens mit weniger verzögerter Trauer. Diese Arbeit stützt zum Teil die von Boss beschriebenen, im Vergleich zu eindeutigen Verlusten schwerwiegenderen Folgen uneindeutigen Verlusts, spricht aber gegen die von Boss behaupteten traumatischen Folgen. Die Uneindeutigkeit eines Verlusts sollte bei der klinischen Behandlung von Trauernden berücksichtigt werden. Allerdings lässt sich aufgrund des Fehlens einer Kontrollgruppe ohne Verlust nicht beurteilen, ob die festgestellten Besonderheiten des Verarbeitens eines Verlusts als unangemessen zu beurteilen sind. Erst longitudinale Studien werden es erlauben, Verarbeitungs- und Bewältigungsprozesse uneindeutigen Verlusts in Erzählungen im Zeitverlauf zu untersuchen.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Forschungsarbeiten basierend auf nanoskopischen Oberflächenmessungen an plasmonischen Metaoberflächen und zweidimensionalen Materialien, insbesondere dem halbleitenden Übergangsmetal-Dichalcogenid (TMDC) WS_2. Die Thesis ist in sieben Kapitel untergegliedert. Die Einleitung vermittelt einen Überblick über die treibenden Kräfte hinter der Forschung im Bereich der Nanophotonik an zweidimensionalen Materialsystemen. Die Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung an dünnen Materialgrenzflächen zieht sich als roter Faden durch die gesamte Arbeit.
Das zweite Kapitel beschreibt den experimentellen Aufbau, der für die Durchführung der nanoskopischen Messungen in dieser Arbeit implementiert wurde. Es werden theoretische Grundlagen, das Messprinzip und die Implementierung des optischen Rasternahfeldmikroskops (s-SNOM) skizziert. Außerdem wird ein Strom-Spannungs-Rasterkraftmikroskop (c-AFM) im Kontaktmodus genutzt, um elektrische Ströme auf mikroskopischen zweidimensionalen TMDC-Terrassen zu messen. In den darauffolgenden vier Kapiteln werden die Beiträge dieser Arbeit zur Untersuchung der Licht-Materie-Wechselwirkung auf der Nanoskala aus verschiedenen Perspektiven vorgestellt. Jedes Kapitel enthält eine kurze Einleitung, einen Theorieteil, Messdaten oder Simulationsergebnisse sowie eine Analyse; vervollständigt durch einen Schlussteil.
Die zentrale Arbeit an einer metallischen Metaoberfläche aus elliptischen Goldscheiben wird in Kapitel 3 vorgestellt. Der zugehörige Theorieteil führt in das Konzept von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) ein, das für den Forschungsbereich der Plasmonik im Allgemeinen wesentlich ist. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Dispersionsrelation dieser Oberflächenmoden an ein- und mehrschichtigen Grenzflächen werden auf die untersuchte Metaoberflächenprobe angewendet. Das Modell sagt drei verschiedene Moden voraus, die sich an der Grenzfläche ausbreiten. Eine teil-gebundene ins Substrat abstrahlende Oberflächenmode sowie zwei vergrabene stark gebundene anisotrope Moden. Eine auf der Probe platzierte Nanokugel aus Silizium wird als radiale Anregungsquelle verwendet.
Der Vergleich mit s-SNOM-Nahfeldbildern zeigt, dass nur die schwach gebundene geführte Modenresonanz ausreichend angeregt wurde, um durch s-SNOM-Bildgebung nachgewiesen werden zu können. Die schwache Oberflächenbindung erklärt die scheinbar isotrope Ausbreitung auf der anisotropen Oberfläche. Die Beobachtung der verbleibenden stark eingegrenzten anisotropen vergrabenen Moden würde eine verbesserte tiefenempfindliche Auflösung des Systems erfordern, die im Prinzip für Schichtdicken von 20 nm möglich sein sollte. Darüber hinaus wirft die Beobachtung die Frage auf, ob die durch Impuls- und Modenvolumenanpassung der Nanokugel gegebene Anregungseffizienz einen ausreichenden Anregungsquerschnitt erzeugt, um nachweisbare vergrabene SPP-Moden zu erzeugen.
In Kapitel 4 wird die Idee der Visualisierung vergrabener elektrischer Felder mit s-SNOM fortgesetzt. Hier wird es auf die Untersuchung von WS_2 angewendet, einem zweidimensionalen TMDC-Material, welches Photolumineszenz zeigt. Durch die Strukturierung des Galliumphosphid-Substrats unter der hängenden Monolage, die von einer dünnen Schicht aus hBN getragen wird, wird die Photolumineszenzausbeute um den Faktor 10 erhöht. Dies wird durch den Entwurf einer lateralen DBR-Mikrokavität mit zusätzlich optimierter vertikaler Tiefe erreicht, die in das Substrat geätzt wurde.
Die hochauflösende Abbildung der elektrischen Feldverteilung im Resonator wird durch den Einsatz von s-SNOM ermöglicht, um die Verbesserung der Einkopplung durch diese beiden Ansätze zu bewerten. Es konnte festgestellt werden, dass die laterale Struktur überwiegend zur verstärkten Photolumineszenzausbeute beiträgt, während für die Einkopplung keine offensichtliche Verstärkung auf die vertikale Strukturoptimierung zurückgeführt werden konnte.
Das zweidimensionale Material WS_2 wird in Kapitel 5 erneut mit Hilfe von c-AFM untersucht. Unterschiedlich dicke Multilagen auf Graphen und Gold dienen als Tunnelbarrieren für vertikale Ströme zwischen Substrat und leitender c-AFM-Messpitze. Die Daten können mit einem Fowler-Nordheim-Modell mit Parametern für die Tunnelbreite und Schottky-Barrierenhöhen der beiden Grenzflächen erklärt werden. Die Messungen zeigen jedoch eine schwache Reproduzierbarkeit, was eine detailliertere Zusammenfassung der relevanten Fehlerquellen erfordert. In der Schlussfolgerung des Kapitels werden mehrere Schlüsselaspekte vorgeschlagen, die bei künftigen Messungen berücksichtigt werden sollten. Entscheidend ist, dass c-AFM sehr empfindlich auf die Adsorption von Wasserfilmen an der Probenoberfläche reagiert, worunter WS_2-Oberflächen unter Umgebungsbedingungen leiden...
Fragestellung und Ziele
Die vorliegende Dissertation untersucht, auf welche Weisen der Roman Lodore von Mary Shelley die Erziehung von Mädchen inhaltlich und stilistisch gestaltet. Daran anknüpfend erforscht die Arbeit, welche Implikationen die Art der Darstellung für die Interpretation des gesamten Romans birgt. Die Analyse der Inszenierung der Mädchenerziehung dient somit als Basis und Fokuspunkt, durch welchen sich die weitere Erforschung der Sprache und Mechanismen des Romans sowie von Shelleys schriftstellerischer Handwerkskunst entwickelt.
Die Zielsetzung ist darauf ausgerichtet, zur Wiederentdeckung von Lodore beizutragen und eine holistische Neubewertung der Autorin Mary Shelley sowie ihres Spätwerks anzuregen. In Abgrenzung zum Gros der wissenschaftlichen Abhandlungen zu Mary Shelleys Spätwerk konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf den Text als solchen in seiner Gestalt, seinem Inhalt und seinen Aussagen. Shelleys Biographie und ihre weiteren Veröffentlichungen wie etwa Frankenstein werden derweil bewusst ausgeblendet. Untersucht werden somit ausschließlich der Roman Lodore und das darin manifestierte Handwerk der Autorin, nicht jedoch ihr restliches Werk, ihre Person oder ihr Lebensumfeld.
Methodik
Da Lodore das Thema Mädchenerziehung nicht explizit thematisiert, entwickelt und erprobt die vorliegende Abhandlung eine Methodik, die es ermöglicht, einen Text auf Aspekte hin zu erforschen, welche er nur peripher zu tangieren scheint. Um jene für den Untersuchungsschwerpunkt relevanten Details identifizieren zu können, die in den Text beiläufig, untergründig oder selbstverständlich verwoben sind und die Erziehung von Mädchen charakterisieren, stützt sich die Arbeit auf eine diskursanalytische und kulturwissenschaftliche Betrachtung dessen, was der Begriff „Mädchenerziehung“ im Kontext des 18. und 19. Jahrhunderts umfasst.
Fundament dieser Sensibilisierung für die zeitgenössische, historische Perspektive auf die Erziehung von Mädchen sind, erstens, Abhandlungen der historischen Bildungsforschung zu Mädchenerziehung im 18. und 19. Jahrhundert in Europa und speziell in England. Zweitens werden aktuelle, wissenschaftliche Abhandlungen über den historischen Diskurs von Erziehungstheoretikern /-theoretikerinnen über Mädchenerziehung dazu genutzt, ein grundlegendes Verständnis aus moderner Perspektive auf die damaligen Denkmuster und Fragestellungen zu gewinnen. Drittens wird die Sensibilisierung für die zeitgenössischen Überlegungen und Ausdrucksweisen zum Thema Mädchenerziehung abgerundet durch das eigenständige Studium originaler Publikationen von Erziehungstheoretikern /-theoretikerinnen. Feinabgestimmt auf die Problemfelder und die historischen, erziehungsphilosophischen Grundpositionen untersucht die Arbeit in intensivem close reading die Darstellung der Mädchenerziehung und deren resultierenden Einfluss auf das Leben und Verhalten der weiblichen Figuren in Lodore.
Ergebnisse
Die Abhandlung erkennt unter der zunächst konventionell und unanstößig anmutenden Textoberfläche einen systematisch konstruierten, konsistenten Subtext. Die Dissertation charakterisiert die wiederkehrenden Techniken und sprachlichen Muster, mit denen der Subtext implementiert ist. Dadurch macht sie nachvollziehbar, inwiefern die emotionale Reaktion des Lesers auf den Roman im Sinne von Unverständnis, Irritation oder Amüsement nicht zufällig auftritt, sondern durch Mary Shelleys schriftstellerisches Handwerk bewusst provoziert wird.
Im Subtext verborgen identifiziert die Dissertation, erstens, eine Einladung zur kritischen Betrachtung systemkonformer Wertvorstellungen zum Leben von Frauen in der Familie und in der Gesellschaft. Dabei demonstriert die Interpretation, wie der Roman traditionelle und literarische Idealisierungen von „Weiblichkeit“ entzaubert, während er gleichzeitig alternative, geschlechtsneutrale Lebensentwürfe für Frauen anerkennend präsentiert.
Zweitens beobachtet die Arbeit im Subtext vielfältige Hinweise auf Missstände im Lebensalltag von Frauen und weist nach, dass der Roman insbesondere Momente der geschlechtsdiskriminierenden Vorverurteilung durchgängig inszeniert. Diese Problematisierung versteht die Dissertation als eine Aufforderung an den Leser / die Leserin, den eigenen Leseprozess des Romans in Bezug auf Informationsdistribution, Disposition und Verteilung der Sympathien selbstkritisch zu reflektieren.
Drittens entdeckt die Abhandlung im Subtext des Romans, dass Lodore unterschiedliche Ansätze der Mädchenerziehung in Bezug auf die Ausbildung von „Weiblichkeit“ polyperspektivisch erkundet. Die Untersuchung zeigt auf, dass der Roman drei verschiedene Modelle der Mädchenerziehung einander gegenüberstellt, die sich ideologisch mitunter diametral gegenüberstehen. Die Analyse beschreibt, inwiefern sich die drei Modelle mit den gleichen Herausforderungen innerhalb der Mädchenerziehung beschäftigen. Hierbei wird ausgeführt, auf welche Weise der Roman die unterschiedlichen Lösungsansätze auslotet, die von den drei Modellen auf diese konkreten Problemstellungen angeboten werden und sie abwägend, jedoch ohne kategorische Abwertung nebeneinander positioniert. Die Arbeit resümiert, dass der Roman einerseits die Bedeutung, Ausbildung und Konsequenz von „Weiblichkeit“ durch Erziehung, und andererseits das Leben, die Ziele und das Verhalten einer Frau innerhalb der Gesellschaft als Resultat solcher Erziehung kritisch prüft. Im Zuge dessen veranschaulicht die Dissertation, welche Aussagen und Suggestionen der Subtext dabei in Bezug auf die Themenkomplexe „Weiblichkeit“ und „Erziehung“ transportiert.
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High-energy astrophysics plays an increasingly important role in the understanding of our universe. On one hand, this is due to ground-breaking observations, like the gravitational-wave detections of the LIGO and Virgo network or the black-hole shadow observations of the EHT collaboration. On the other hand, the field of numerical relativity has reached a level of sophistication that allows for realistic simulations that include all four fundamental forces of nature. A prime example of how observations and theory complement each other can be seen in the studies following GW170817, the first detection of gravitational waves from a binary neutron-star merger. The same detection is also the chronological starting point of this Thesis. The plethora of information and constraints on nuclear physics derived from GW170817 in conjunction with theoretical computations will be presented in the first part of this Thesis. The second part goes beyond this detection and prepares for future observations when also the high-frequency postmerger signal will become detectable. Specifically, signatures of a quark-hadron phase transition are discussed and the specific case of a delayed phase transition is analyzed in detail. Finally, the third part of this Thesis focuses on the inclusion of radiative transport in numerical astrophysics. In the context of binary neutron-star mergers, radiation in the form of neutrinos is crucial for realistic long-term simulations. Two methods are introduced for treating radiation: the approximate state-of-the-art two-moment method (M1) and the recently developed radiative Lattice-Boltzmann method. The latter promises
to be more accurate than M1 at a comparable computational cost. Given that most methods for radiative transport or either inaccurate or unfeasible, the derivation of this new method represents a novel and possibly paradigm-changing contribution to an accurate inclusion of radiation in numerical astrophysics.
The topic of this thesis is the theoretical description of the hadron gas stages in heavy-ion collisions. The overall addressed question hereby is: How does the hadronic medium evolve i.e. what are the relevant microscopic reaction mechanisms and the properties of the involved degrees of freedom? The main goal is to address this question specifically for hadronic multi-particle interactions. For this goal, the hadronic transport approach SMASH is extended with stochastic rates, which allow to include detailed balance fulfilling multi-particle reactions in the approach. Three types of reactions are newly-accounted for: 3-to-1, 3-to-2 and 5-to-2 reactions. After extensive verifications of the stochastic rates approach, they are used to study the effect of multi-particle interactions, particularly in afterburner calculations.
These studies follow complementary results for the dilepton and strangeness production with only binary reactions, which show that hadronic transport approaches are capable of describing observables when employed for the entire evolution of low-energy heavy-ion collisions. This is illustrated by the agreement of dilepton and strangeness production for smaller systems with SMASH calculations. It is, in particular, possible to match the measured strangeness production of phi and Xi hadrons via additional heavy nucleon resonance decay channels. For larger systems or higher energies, hadronic transport cascade calculations with vacuum resonance properties can point to medium effects. This is demonstrated extensively for the dilepton emission in comparisons to the full set of HADES dielectron data. The dilepton invariant mass spectra are sensitive to a medium modification of the vector meson spectral function for large collision systems already at low beam energies. The sensitivity to medium modifications is mapped out in detail by comparisons to a coarse-graining approach, which employs medium-modified spectral functions and is based on the same evolution.
The theoretical foundation of stochastic rates are collision probabilities derived from the Boltzmann equation's collision term with the assumption of a constant matrix element. This derivation is presented in a comprehensive and pedagogical fashion. The derived collision probabilities are employed for a stochastic collision criterion and various detailed-balance fulfilling multi-particle reactions: the mesonic Dalitz decay back-reaction (3-to-1), the deuteron catalysis (3-to-2) and the proton-antiproton annihilation back-reaction (5-to-2). The introduced stochastic rates approach is extensively verified by studies of the numerical stability and comparisons to previous results and analytic expectations. The stochastic rates results agree perfectly with the respective analytic results.
Physically, multi-particle reactions are demonstrated to be significant for different observables, most notably the yield of the partaking particles, even in the late dilute stage of heavy-ion reactions. They lead to a faster equilibration of the system than equivalent binary multi-step treatments. The difference in equilibration consequently influences the yield in afterburner calculations. Interestingly, the interpretation of results is not dependent on employing multi-particle or multi-step treatments, which a posteriori validates the latter.
As the first test case of multi-particle reactions in heavy-ion reactions, the mesonic 3-to-1 Dalitz decay is found to be dominated by the omega Dalitz decay back-reaction. While the effect on the medium is found to be negligible overall, the regeneration is found to be sizable: up to a quarter of Dalitz decays are regenerated.
Non-equilibrium rescattering effects are shown to be relevant for late collision stages for two particle species: deuteron and protons. In both cases, the relevant rescatterings involve multiple particles.
The deuteron pion and nucleon catalysis reactions equilibrate quickly in the afterburner stage at intermediate energies. The constant formation and destruction keeps the yield constant and microscopically explains the "snowballs in hell"-paradox. The yield is also generated with no d present at early times, which explains why coalescence models can also match the multiplicity.
New is the study of the 5-body back-reaction of proton-antiproton annihilations. This work marks the first realization of microscopic 5-body reactions in a transport approach to fulfill detailed balance for such reactions. A sizable regeneration due to the back-reaction of up to half of the proton-antiproton pairs lost due to annihilations is found. Consequently, both annihilation and regeneration in the late non-equilibrium stage are shown to have a significant effect on the p yield.
Monte Carlo methods : barrier option pricing with stable Greeks and multilevel Monte Carlo learning
(2021)
For discretely observed barrier options, there exists no closed solution under the Black-Scholes model. Thus, it is often helpful to use Monte Carlo simulations, which are easily adapted to these models. However, as presented above, the discontinuous payoff may lead to instability in option's sensitivities for Monte Carlo algorithms.
This thesis presents a new Monte Carlo algorithm that can calculate the pathwise sensitivities for discretely monitored barrier options. The idea is based on Glasserman and Staum's one-step survival strategy and the results of Alm et al., with which we can stably determine the option's sensitivities such as Delta and Vega by finite-differences. The basic idea of Glasserman and Staum is to use a truncated normal distribution, which excludes the values above the barrier (e.g.\ for knock-up-out options), instead of sampling from the full normal distribution. This approach avoids the discontinuity generated by any Monte Carlo path crossing the barrier and yields a Lipschitz-continuous payoff function.
The new part will be to develop an extended algorithm that estimates the sensitivities directly, without simulation at multiple parameter values as in finite-difference.
Consider the local volatility model, which is a generalisation of the Black-Scholes model. Although standard Monte Carlo algorithms work well for the pricing of continuously monitored barrier options within this model, they often do not behave stably with respect to numerical differentiation.
To bypass this problem, one would generally either resort to regularised differentiation schemes or derive an algorithm for precise differentiation. Unfortunately, while the widespread solution of using a Brownian bridge approach leads to accurate first derivatives, they are not Lipschitz-continuous. This leads to instability with respect to numerical differentiation for second-order Greeks.
To alleviate this problem - i.e. produce Lipschitz-continuous first-order derivatives - and reduce variance, we generalise the idea of one-step survival to general scalar stochastic differential equations. This approach leads to the new one-step survival Brownian bridge approximation, which allows for stable second-order Greeks calculations.
To show the new approach's numerical efficiency, we present a new respective Monte Carlo pathwise sensitivity estimator for the first-order Greeks and study different methods to compute second-order Greeks stably. Finally, we develop a one-step survival Brownian bridge multilevel Monte Carlo algorithm to reduce the computational cost in practice.
This thesis proves unbiasedness and variance reduction of our new, one-step survival version with respect to the classical, Brownian bridge approach. Furthermore, we will present a new convergence result for the Brownian bridge approach using the Milstein scheme under certain conditions. Overall, these properties imply convergence of the new one-step survival Brownian bridge approach.
In recent years, deep learning has become pervasive in various fields. As a family of machine learning methods it is used in a broad set of applications, such as image processing, voice recognition, email filtering, computer vision. Most modern deep learning algorithms are based on artificial neural networks inspired by the biological neural networks constituting animal brains. Also in computational finance deep learning may be of use: Consider there is no closed-solution available for an option price, Monte Carlo simulations are substantially for estimation. Instead of persistently contributing new price computations arising from an updated volatility term, one could replace these by evaluating a neural network.
If an according neural network is available, the evaluation could lead to substantial savings and be highly efficient. I.e., once trained, a neural network could save further expensive estimations. However, in practice, the challenge is the training process of the neural network.
We study and compare two generic neural network training algorithms' computational complexity. Then, we introduce a new multilevel training algorithm that combines a deep learning algorithm with the idea of multilevel Monte Carlo path simulation. The idea is to train several neural networks with training data computed from the so-called level estimators of the multilevel Monte Carlo approach introduced by Giles. We show that the new method can reduce computational complexity by formulating a complexity theorem.
The main topic of the present thesis is scene flow estimation in a monocular camera system. Scene flow describes the joint representation of 3D positions and motions of the scene. A special focus is placed on approaches that combine two kinds of information, deep-learning-based single-view depth estimation and model-based multi-view geometry.
The first part addresses single-view depth estimation focussing on a method that provides single-view depth information in an advantageous form for monocular scene flow estimation methods. A convolutional neural network, called ProbDepthNet, is proposed, which provides pixel-wise well-calibrated depth distributions. The experiments show that different strategies for quantifying the measurement uncertainty provide overconfident estimates due to overfitting effects. Therefore, a novel recalibration technique is integrated as part of the ProbDepthNet, which is validated to improve the calibration of the uncertainty measures. The monocular scene flow methods presented in the subsequent parts confirm that the integration of single-view depth information results in the best performance if the neural network provides depth distributions instead of single depth values and contains a recalibration.
Three methods for monocular scene flow estimation are presented, each one designed to combine multi-view geometry-based optimization with deep learning-based single-view depth estimation such as ProbDepthNet. While the first method, SVD-MSfM, performs the motion and depth estimation as two subsequent steps, the second method, Mono-SF, jointly optimizes the motion estimates and the depth structure. Both methods are tailored to address scenes, where the objects and motions can be represented by a set of rigid bodies. Dynamic traffic scenes are one kind of scenes that essentially fulfill this characteristic. The method, Mono-Stixel, uses an even more specialized scene model for traffic scenes, called stixel world, as underlying scene representation.
The proposed methods provide new state of the art for monocular scene flow estimation with Mono-SF being the first and leading monocular method on the KITTI scene flow benchmark at the time of submission of the present thesis. The experiments validate that both kind of information, the multi-view geometric optimization and the single-view depth estimates, contribute to the monocular scene flow estimates and are necessary to achieve the new state of the art accuracy.
In this thesis, molecular dynamics (MD) simulations are used to study the interaction of different proteins with lipid bilayers. MD simulations can be used as a “computational microscope” to gain atomistic insights into the interactions between proteins and lipids that can barely be accessed in such detail by experimental methods. The different chapters of this thesis address the lipid sensing functionality of amphipathic helices (AHs) when bound to membranes, the folding of AHs at lipid-water interfaces as well as the conformational dynamics of the HIV-1 Env glycoproteins in viral-like and experimental bilayers. In the last chapter the possibilities to enhance the performance of MD simulations are explored, leading to a more efficient usage of computational resources.
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.
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.
Polyketides are highly valuable natural products, which are widely used as pharmaceuticals due to their beneficial characteristics, comprising antibacterial, antifungal, immunosuppressive, and antitumor properties, among others. Their biosynthesis is performed by large and complex multiproteins, the polyketide synthases (PKSs). This study solely focuses on the class of type I PKSs, which arrange all their enzymatic domains on one or more polypeptides. Despite their high medical value, little is known about mechanistic details in PKSs.
One central domain is the acyl transferase (AT), which is present in all PKSs and channels small acyl substrates into the enzyme. More precisely, the AT loads the substrates onto the essential acyl carrier protein (ACP), which subsequently shuttles the substrates and all intermediates for condensation and modification to additional domains to build the final polyketide.
Some PKSs use their domains several times during biosynthesis and work iteratively – these are called iterative PKSs. Others feature several sets of domains, each being used only once during biosynthesis – these PKSs are called modular PKSs. All PKSs or PKS modules consist of minimum three essential domains to connect the acyl substrates. Three modifying domains are optional and can enlarge the minimal set. According to the domain composition, the acyl substrate is fully reduced, partly reduced, or not reduced at all. This variation of modifying domains accounts for the huge structural and therefore functional variety of polyketides.
Even though the structure of fatty acids is not exactly reminiscent of polyketides, their biosynthetic pathways are closely related. Fatty acid biosynthesis is carried out by fatty acid synthases (FASs), which share many similarities with PKSs. Both megasynthases feature the same domains, performing the same reactions to connect and modify small acyl substrates. In contrast to PKSs, FASs always contain one full set of modifying domains which is used iteratively, leading to fully reduced fatty acids.
The present thesis extensively analyzes the AT of different PKSs in its substrate selectivity, AT-ACP domain-domain interaction, and enzymatic kinetic properties. The following key findings are revealed through comparison: 1.) ATs of PKSs appear slower than the ones of FASs, which may reflect the different scopes of biosynthetic pathways. Fatty acids as essential compounds in all organisms are needed in high amounts for physiological functions, whereas polyketides as secondary metabolites only require basal concentrations to take effect. 2.) The slower ATs from modular PKSs do not load non-native substrates even in absence of the native substrates. This is different to the faster ATs from iterative PKSs and FASs, which indicates high substrate specificity solely for the ATs from modular PKSs and emphasizes their role as gatekeepers in polyketide synthesis. 3.) The substrate selectivity can emerge in either the first or the second step of the AT-mediated ACP loading and is not assured by a hydrolytic proofreading function.
Moreover, a mutational study on the AT-ACP interaction in the modular PKS 6-deoxyerythronolide B synthase (DEBS) shows that single surface point mutations can influence AT-mediated reactions in a complex manner. Data reveals high enzyme kinetic plasticity of the AT-ACP interaction, which was also recently demonstrated for the interaction in a type II FAS.
Based on these findings, the mammalian FAS is engineered towards a modular PKS-like as- sembly line with the long-term goal to rationally synthesize new products. Basically, three important aspects need to be considered: 1.) AT’s loading needs to be splitted in specific loading of a priming substrate by a priming AT and in specific loading of an elongation substrate by an elongation AT. 2.) FAS-based elongation modules need to be designed with varying domain compositions for introducing functional groups in the product. 3.) Covalent and non-covalent linkers need to be designed for connection of priming and elongation modules.
This study focuses on the first aspect, splitting loading of priming and elongation substrates. An elongation substrate-specific AT is installed in the mammalian FAS via domain swapping. Since ATs from modular PKSs were proven to be substrate specific, these are used to exchange the mammalian FAS AT. This work demonstrates that it is extremely challenging to create stable and functional chimeras, but first essential steps are taken. Proper domain boundaries for AT swapping are established and a stable chimera with 70 % wild type AT activity is created. However, this chimera is only of limited value for application in an elongation module due to the intrinsic slow turnover rate of the wild type AT. Using another PKS AT, a stable elongation module is designed and analyzed in its activity in combination with a priming module. These experiments demonstrate that the loading of priming substrates are successfully suppressed in the elongation module, but nonetheless only minor turnover rates are detected in the assembly line.
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Morbus Parkinson (abgekürzt als PD vom Englischen Parkinson’s disease) ist nach Alzheimer die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung. Die Hauptmerkmale sind Rigidität und Bradykinesie, sowie Tremor und posturale Instabilität. Im Gehirn lässt sich bei Parkinsonpatienten post mortem ein Verlust an Neuronen in der Substantia nigra feststellen, was zu den ersten beiden Anzeichen führt. Zudem gibt es intrazelluläre Einschlüsse in den betroffenen Nervenzellen – Lewy-Körperchen genannt – die aus Alpha-Synuklein und anderen Proteinen wie Ubiquitin zusammengesetzt sind. Außerdem ist der Eisenmetabolismus in Gehirnen von Parkinsonpatienten gestört und man findet Eisen-Ablagerungen, vor allem im Mittelhirn. Die Ursachen für PD sind bislang nicht abschließend geklärt. Der Großteil der Fälle ist sporadischer Natur mit unbekannter Ursache und nur bei einem geringen Anteil liegt eine Mutation in einem einzelnen Gen zugrunde. Die häufigsten Mutationen tritt in den Genen für Alpha-Synuklein (SNCA), PINK1 und PARKIN auf.
Die Serin-Threonin-Kinase PINK1 und die E3-Ubiquitin-Protein-Ligase PARKIN sind zwei Proteine, die in Stresssituationen an der Mitochondrien-Außenmembran am Abbau von alten oder nicht richtig funktionierenden Mitochondrien beteiligt sind. Dieser Vorgang nennt sich Mitophagie.
Die dieser Arbeit zugrunde liegenden Publikationen gehen den Zusammenhängen zwischen mitochondrialen Fehlfunktionen und der Pathogenese von PD nach. Da die Krankheit meist erst im hohen Alter auftritt, davon größtenteils ohne direkte Ursache, liegt der Schluss nahe, dass neben genetischen Ursachen auch Umweltfaktoren eine größere Rolle spielen könnten. Um dies näher zu analysieren, wurden experimentell verschiedene Stressoren eingesetzt.
Insgesamt wurden folgende Aspekte untersucht:
I. Welche Auswirkungen hat das Fehlen von PINK1 auf die Zelle? Gibt es einen Biomarker, der mit höherem Alter immer stärker verändert ist?
II. Welchen Einfluss haben Umweltfaktoren wie veränderte Eisen-Exposition auf die Zelle und was verändert sich beim Fehlen von PINK1?
III. Wie können mitochondriale Fehlfunktionen präferentiell das Nervensystem betreffen, wenn es nicht um respiratorische Insuffizienz geht?
Die einzelnen Studien zeigten folgende Ergebnisse:
Torres-Odio/Key et al. 2017 widmete sich der Suche nach molekularen Biomarkern, wodurch PD präsymptomatisch erkannt und die Progression der Erkrankung eingeschätzt werden kann. Die Transkriptom-Analyse der Kleinhirne von Mäusen mit Pink1-/--Mutation in drei verschiedenen Altersstufen zeigte eindrücklich, dass nicht ein einzelner Faktor immer stärker verändert war, sondern, dass immer mehr Faktoren und daher auch eine steigende Zahl an
Signalwegen mit höherem Alter beteiligt waren. Diese Veränderungen betrafen inflammatorische Signalwege, insbesondere Faktoren, die mit der Erkennung und Verarbeitung von zellfremden Nukleinsäuren assoziiert sind. Aufgrund der evolutionären Herkunft von Mitochondrien als frühere Protobakterien haben mitochondriale Nukleinsäuren und Proteine zum Teil bakterielle Ähnlichkeiten, und könnten bei Fehlfunktionen ins Zytosol gelangen. Vor diesem Hintergrund lassen die Ergebnisse der Studie den Schluss zu, dass das angeborene Immunsystem in Neuronen durch eine PINK1-assoziierte mitochondriale Störung aktiviert wird.
In der Publikation Key et al. 2020 wurde Eisen als ein im täglichen Leben vorkommender Stressor eingesetzt und es wurden systematisch Faktoren des Eisenstoffwechsels bei hohen und niedrigen Eisenspiegeln im Zusammenhang mit Parkinson-Mutationen untersucht. Da Eisen für die Gesundheit von Mitochondrien eine große Rolle spielt und Eisen-Chelatoren als Therapie bei PD Patienten bereits diskutiert werden, haben die molekularen Befunde große Relevanz. Die Ergebnisse zeigen, dass unter niedrigen Eisenspiegeln Proteine reduziert waren, die am Nukleotid-Stoffwechsel beteiligt sind, sowie Faktoren, die Eisen-Schwefel-Cluster als Cofaktoren haben und wichtig für die Nukleotid-Qualitätskontrolle sind. Das Fehlen von Eisen führte zu einer Induktion von Pink1 und Prkn, was auf verstärkte Mitophagie hindeutet. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die mitochondriale Eisen-Schwefel-Cluster Biogenese und die post-transkriptionelle Eisenregulation entscheidend für die Pathogenese von PD, bzw. das gesunde Fortbestehen einer Zelle und letztlich auch eines Organismus sind.
In Key et al. 2019 wurde erstmalig das Gesamt-Ubiquitylom aus Gehirnen von gealterten Parkin-knockout (KO) Mäusen erhoben und analysiert, um Ubiquitylierungs-Substrate von PARKIN zu identifizieren. Hierbei zeigte sich eine veränderte Ubiquitylierung von mehreren Faktoren, die an der zellulären Calcium-Homöostase beteiligt sind. Weitere elektrophysiologische Experimente in Gehirnen von gealterten Parkin-/--KO Mäusen ergaben, dass in Nervenzellen im Locus coeruleus die Geschwindigkeit der spontanen Taktgeber erhöht, dass die langsame Nachhyperpolarisation reduziert und, dass die Dauer der Aktionspotentiale erniedrigt war, ohne Veränderung der Kaliumkanal-Ströme.
Insgesamt geht aus den drei Studien hervor, dass mitochondriale Fehlfunktionen bei dauerhaftem Bestehen weitreichende Folgen für die Gesundheit des Nervensystems haben können, denn auch kleine Veränderungen, seien es durch Mutationen oder Umweltfaktoren wie Eisen, können in einer so großen Lebensspanne wie der des Menschen über Krankheit oder Gesundheit entscheiden!
Komplexe biologische Phänotypen resultieren aus einem koordinierten Zusammenspiel von einer Vielzahl von Genen. Um zu verstehen, wie Krankheiten durch genetische Dysfunktionen
entstehen können, ist es unabdingbar die genetischen Interaktionsnetzwerke in menschlichen Zellen zu entschlüsseln. Eine Identifizierung von Kontext-abhängigen genetischen Interaktionen kann bedeutende Erkenntnisse über die Beziehung von Phänotyp und Genotyp liefern und erklären, wie synergistische Gen-Funktionen die Entstehung von komplexen Krankheiten bedingen.
Gepoolte, kombinatorische CRISPR (kurz für: clustered regularly interspaced short palindromic repeats) Screens stellen eine wirkungsvolle Methode zur simultanen Untersuchung potentieller Interaktionen von einer großen Anzahl von Genen dar. Mit sogenannten multiplex CRISPR
gRNA Bibliotheken werden im Rahmen großangelegter Screens vielzählige kombinatorische Gen-Knockouts in Zellen generiert. Diese multiplex CRISPR gRNA Bibliotheken können aus bis zu hunderttausenden Plasmiden bestehen, die jeweils für eine andere gRNA-Kombination kodieren und auf ein spezifisches Gen-Paar abzielen. Im Gegensatz zu CRISPR Screens für Einzel-Knockouts gehen multiplex CRISPR Screens zur Identifizierung von genetischen Interaktionen mit zusätzlichen Herausforderungen einher: Zum einen wächst der verbundene Arbeitsaufwand für die Konstruktion der multiplex CRISPR gRNA Bibliotheken proportional mit der Anzahl der gewünschten Ziel-Gene, welche die Diversität der Bibliothek bestimmt. In einer idealen gRNA-Bibliothek wären alle gRNA-Sequenzen gleich häufig vorhanden. Jedoch weisen
gRNA-Bibliotheken aufgrund von technischen Beschränkungen gRNA-Sequenzen mit höherer, beziehungsweise niedriger Abundanz auf. Konventionelle Methoden zur Herstellung von
gRNA-Bibliotheken basieren beispielsweise auf iterativen, gepoolten Klonierungsschritten mit PCR-amplifizierten Oligonucleotiden, welche zu einer Ungleichverteilung oder zum Verlust von gRNA-Sequenzen führen können. Daher bieten Methoden zur gRNA-Bibliotheken-Generierung Optimierungspotenzial. Da die Reproduzierbarkeit der Screen-Ergebnisse durch die sogenannte Screening Coverage sichergestellt werden muss, erfordert eine Erhöhung der
Bibliotheks-Diversität gleichzeitig auch eine Vergrößerung des Versuchsmaßstabs und ist mit umfangreichem Zellkultur-Arbeitsaufwand verbunden. Die Screening Coverage gibt die
durchschnittliche Abundanz der einzelnen gRNA-Sequenzen in der Zellpopulation während des Screens an. Aktuelle Richtlinien empfehlen eine Screening Coverage, die zwischen dem 200- bis 1000-fachen Wert der Bibliotheks-Diversität liegt, allerdings fehlen bisher genaue Angaben die auf die verwendete gRNA Bibliothek abgestimmt sind. Deshalb stellt die benötigte Screening Coverage bisher einen limitierenden Faktor dar, der die Anzahl der möglichen Ziel-Gene-Kombinationen in einem Screen beschränkt.
In der vorliegenden Arbeit stellen wir eine neue Methode zur Generierung von multiplex gRNA Bibliotheken mit hohen Diversitäten vor. Die Methode, genannt 3Cs (covalently-closed circular-synthesized) Multiplexing, umgeht iterative, gepoolte Klonierugsschritte mit Restriktionsenzymen und PCR-Amplifikation von gRNA-kodierenden Oligonucleotiden. Wir
zeigen, dass 3Cs Multiplexing auf robuste Weise zur Herstellung von gleichmäßig verteilten multiplex gRNA Bibliotheken verwendet werden kann. Der Verteilungs-Skew, auch Skew-Ratio oder Bibliotheksbreite genannt, ist ein Maß zur Ermittlung der Gleichverteilung der gRNA-Sequenzen in der Bibliothek. Wir zeigen, dass 3Cs multiplex Bibliotheken typischerweise einen Verteilungs-Skew von 2.5 aufweisen, was unter den üblichen Werten von Einzel-gRNA Bibliotheken liegt.
Wir nahmen an, dass die gRNA-Bibliotheksverteilung die Robustheit von gepoolten CRISPR Screens beeinflussen könne und deshalb bei der Auswahl einer geeigneten Screening
Coverage berücksichtigt werden müsse. Um den Einfluss der gRNA-Bibliotheksverteilung auf die Screen-Qualität in Abhängigkeit von der verwendeten Screening Coverage zu untersuchen, generierten wir zwei künstlich fehlverteilte multiplex gRNA-Bibliotheken. Diese wurden, zusätzlich zu einer nahezu gleichverteilten multiplex gRNA-Bibliothek, jeweils mit einer 20- und 200-fachen Screening Coverage in einem kombinatorischen Proliferationsscreen angewandt.
Dadurch konnten wir die gRNA-Bibliotheksverteilung als den bestimmenden Parameter für die benötigte Screening Coverage identifizieren. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass 3Cs multiplex gRNA-Bibliotheken auf Grund ihrer gleichmäßigen Verteilung mit minimierter Screening Coverage eingesetzt werden können, was zu einer 10-fachen Reduktion des assoziierten Arbeitsaufwands führt. Während bisherige Richtlinien für gepoolte CRISPR Screens die initiale
gRNA-Bibliotheksverteilung nicht berücksichtigen, empfehlen wir die Screening Coverage an dieser auszurichten.
Autophagie ist ein streng regulierter zellulärer Prozess, der den Lysosomen Abbau von intrazellulärem Material steuert und im Zusammenhang mit zahlreichen menschlichen Erkrankungen steht. Da Autophagie in eine Vielzahl von Signalwegen integriert ist, bietet es außerdem therapeutische Ansatzpunkte zur Behandlung von Krankheiten. Die Identifizierung von synergistischen Funktionen zwischen Autophagie-Genen könnte unser Verständnis über die molekularen Mechanismen, die der Regulation der Autophagie zu Grunde liegen, erweitern und dadurch neuartige Behandlungen ermöglichen.
Um genetische Interaktionen von Autophagie-Genen zu untersuchen haben wir eine 3Cs multiplex gRNA Bibliothek generiert, die auf menschliche Autophagie-Genkombinationen
abzielt. In dieser Arbeit demonstrieren wir die Funktionalität der 3Cs Autophagie multiplex gRNA Bibliothek unter Anwendung minimierter Screening Coverage in zwei verschiedenen Screen-Ausführungen: In einem Proliferationsscreen konnten wir Geninteraktionen
identifizieren, deren Verlust zu einer gesteigerten oder verringerten Zellproliferation führt. Unter diesen resultierte der Knockout von WDR45B-PIK3R4 zur stärksten Suppression der Proliferation, während die Depletion von ATG7-KEAP1 zu extrem verstärkter Proliferation beitrug. Unter Einsatz eines Autophagie-Reporters konnten wir in einem Autophagie Screen genetische Interaktionen aufdecken, die essentiell für Autophagie sind, darunter die
Interaktionen zwischen ATG2A-ATG2B , GABARAPL2-WIPI2 und ULK4-SQSTM1.
Wir glauben, dass 3Cs Multiplexing in Zukunft breite Anwendung in verschiedenen biologisch relevanten Feldern finden kann und die Entschlüsselung von kontext-abhängigen genetischen Interaktionen voranbringen und so das Verständnis für die Entstehung von komplexen pathologischen Phänotypen erweitern wird.
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.
Seit den 1950er Jahren hat sich Plastik als unverzichtbare Ressource im menschlichen Alltag etabliert. Als negative Folge dieses Booms wird seit einigen Jahrzehnten jedoch eine zunehmende Belastung aquatischer Ökosysteme mit Plastikmüll bzw. dessen Degradationsprodukten, sogenanntes „Mikroplastik“ (MP, < 5 mm) bzw. „Nanoplastik“ (NP, < 1 µm), beobachtet. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung des aktuellen Vorkommens von MP in limnischen Gewässern, die Analyse der Interaktion zwischen MP und limnischen Wirbellosenarten und der daraus resultierenden Toxizität sowie eine erste Risikoabschätzung.
Das Vorkommen von Mikroplastik in limnischen Gewässern wurde exemplarisch anhand der Elbe als großes Fließgewässer in Deutschland untersucht. Durch die Auswertung von elf Probestellen entlang des Verlaufs der Mittel- und Unterelbe konnte gezeigt werden, dass die MP-Konzentrationen im Sediment (2,26x10^4 – 2,27x10^7 P m^-3) im Mittel fast 150.000-fach höher sind als in der Wasserphase (0,88–13,24 P m^-3). Sedimente sind somit eine Senke für MP. Die Zusammensetzung der Polymerarten sowie MP-Formen deuten zudem an, dass die Partikel sowohl aus diffusen wie auch aus Punktquellen (z.B. Industrieabwässer) stammen. Im globalen Vergleich können die MP-Konzentrationen in deutschen Fließgewässern z. Z. als durchschnittlich betrachtet werden. Allerdings muss insgesamt davon ausgegangen werden, dass die bisher bestimmten MP-Umweltkonzentrationen die realen Konzentrationen möglicherweise unterschätzen. So zeigte die Elbestudie, dass die Sedimentfeinfraktion < 100 µm einen bedeutenden Polymeranteil enthielt. Die meisten bisher durchgeführten Studien zur Bestimmung von MP-Partikeln in Flüssen haben Partikel < 100 µm jedoch nicht in ihrer Analyse berücksichtigt.
Die Interaktion von MP mit limnischer Biota wurde anhand der Artgruppen der Muscheln (Bivalvia), Schnecken (Gastropoda) sowie Krebstiere (Crustacea) näher untersucht. Die Intensität der Interaktion ist maßgeblich von der Aufnahme von MP durch die verschiedenen Arten abhängig. Anhand von zahlreichen Aufnahmestudien mit verschiedenen limnischen Arten, darunter den Muschelarten Dreissena polymorpha, Sinanodonta woodiana und Anodonta anatina, der Lungenschnecke Lymnaea stagnalis sowie der Amphipodenart Gammarus pulex, wurde nachgewiesen, dass die MP-Aufnahme von den Eigenschaften der exponierten Arten bzw. Individuen, den MP-Charakteristika sowie den Expositionsbedingungen abhängt. Die Experimente mit Muscheln verdeutlichten die rasche Aufnahme, aber auch Exkretion von MP-Partikeln innerhalb weniger Stunden. In allen drei Artgruppen war die Aufnahme konzentrationsabhängig mit zunehmender Aufnahme bei steigenden MP-Konzentrationen. Die Muschelexperimente zeigten jedoch auch, dass eine gleichzeitige Exposition mit anderen Partikeln (z.B. Nahrung) zu einer reduzierten Aufnahme führt. Auch die Größe der Testorganismen beeinflusste die Aufnahme: So nahmen im Fall der Muscheln und Krebse kleinere Individuen (bzw. im Fall der Muscheln auch Arten) relativ pro Körpermasse mehr MP-Partikel auf als größere Individuen bzw. Arten. Für alle untersuchten Arten wurde darüber hinaus gezeigt, dass die MP-Größe relevanten Einfluss auf die Menge an aufgenommenen Partikeln hat.
Ein Vergleich zwischen den Artgruppen zeigte, dass Muscheln als filtrierende Organismen in den Laboruntersuchungen bei gleicher Expositionskonzentration mehr MP aufnahmen als Krebse (Zerkleinerer) und Schnecken (Weidegänger). Im Gegensatz zu Muscheln nutzen Krebstiere und Schnecken allerdings die Grenzschicht zwischen Wasser- und Sedimentphase als Suchraum für ihre Nahrung und sind in der Umwelt (auf Grund des höheren MP-Vorkommens in Sedimenten) somit möglicherweise gegenüber höheren MP-Konzentrationen exponiert als Muscheln. Die Extrapolation der gewonnenen Labordaten sowie der Vergleich mit publizierten Umweltdaten legen allerdings nahe, dass das MP-Vorkommen in Individuen aller drei Artgruppen bisher auf einige wenige MP-Partikel begrenzt ist. Ausgeprägte Unterschiede zwischen den Artgruppen sind bisher nicht erkennbar.
MP-Toxizitätsstudien mit G. pulex, L. stagnalis sowie D. polymorpha konnten trotz der Berücksichtigung einer Vielzahl an Endpunkten (Mortalität, Reproduktion, Nahrungsaufnahme, oxidativer Stress, Energiereserven, Immunzellaktivität) und trotz des Einsatzes zum Teil sehr hoher MP-Konzentrationen weit oberhalb aktueller Umweltkonzentrationen nur sehr wenige MP-induzierte Effekte nachweisen, darunter eine Steigerung der Filtrationsaktivität (D. polymorpha) bzw. Veränderung der Immunfunktion von Hämolymphzellen (L. stagnalis).
Zur weiteren Risikoabschätzung wurden diese Studienergebnisse mit publizierten Daten für marine und limnische Muschel- und Krebsarten in Artenempfindlichkeitsverteilungen (Species Sensitivity Distributions, SSD) zusammengeführt und jeweils eine SSD für Muscheln und Krebstiere erstellt. Die Erstellung einer SSD nur für limnische Arten ist zum jetzigen Zeitpunkt auf Grund der geringen Datenlage noch nicht möglich.
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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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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.
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Biomoleküle, insbesondere Membranproteine (MPs), sind oftmals sehr sensitiv gegenüber ihrer chemischen Umgebung, wie pH-Wert, Puffer, Salzkonzentration und vielen weiteren Faktoren. MPs stabil und funktional in Lösung zu halten ist nicht trivial. Sie stellen deshalb eine besondere Herausforderung bei der Analyse von biologischen Systemen dar. Aus diesem Grund wurden und werden nach wie vor sogenannte membrane mimicking-(MM-) Systeme, wie beispielsweise Nanodiscs (NDs) oder styrene-maleic acid lipid particles (SMALPs), untersucht und entwickelt, um MPs eine naturähnliche Umgebung in Form einer Lipid-Doppelschicht zu bieten und sie so in ihrer natürlichen Konformation und natürlichen Funktionsweise/Aktivität in Lösung zu halten.
Laser induced liquid bead ion desorption (LILBID) Massenspektrometrie (MS) hat sich als hervorragende analytische Methode herausgestellt, um MPs in Kombination mit MM-Systemen zu untersuchen. LILBID-MS bietet nicht nur die Möglichkeit Proteine an sich zu identifizieren, sondern ermöglicht ebenfalls eine zerstörungsfreie Analyse von nicht-kovalent gebundenen Proteinkomplexen, sowie die Detektion einzelner Subkomplexe eines Proteinkomplexes. Auch die Analyse von Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist möglich. Bei der LILBID-Ionisationsmethode werden kleine Tröpfchen erzeugt, die einen wässrig gelösten Analyt enthalten. Die Analyt-Tröpfchen werden anschließend mittels IR-Laser bestrahlt, wodurch der Analyt freigesetzt und massenspektrometrisch analysiert werden kann.
Diese Dissertation beschäftigt sich zum einen mit der Analyse des Lyse-Proteins ΦX174-E der Bakteriophage ΦX174, zum anderen mit Untersuchungen zur Histidinkinase SpaK aus B. subtilis in Kombination mit MMs. Weiterhin wird die Frage geklärt, ob und wie gut sich LILBID-MS zur Analyse von Saposin-Nanopartikel-(SapNPs)-solubilisierten MPs eignet. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation die Darstellung von SapNP-solubilisierten MPs mittels zellfreier Proteinsynthese näher charakterisiert und untersucht welche Parameter aus präparativer Sicht optimiert werden können.
In vorausgegangenen Analysen von ND-solubilisierten MPs mittels LILBID-MS zeigte sich, dass manche in Verbindung mit NDs genutzten Lipide unerwünschte Signale im Spektrum zur Folge haben, die aus massiven Lipid-Anhaftungen am MSP oder dem Analyten resultieren. Überlappungen der m/z-Signale verschiedener Analyt- und/oder Komplexkomponenten mit diesen Lipid-Cluster-Signalen kann wiederum zum Verlust von Informationen führen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Arbeit mit der Frage, ob durch den Einsatz von UV-schaltbaren Lipiden der Anwendungsbereich und/oder die Auflösung von LILBID-MS erweitert und verbessert werden kann.
Um biologische Prozesse zu verstehen ist es ebenfalls wichtig die zeitlichen/kinetischen Aspekte einer Reaktion zu untersuchen/kennen, sowie molekulare Prozesse gezielt zu kontrollieren. Licht hat sich hierbei als ein hervorragendes Werkzeug in der Analytik, sowie in der molekularen Prozesskontrolle etabliert. Licht bietet den Vorteil sehr selektiv eingesetzt werden zu können und sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Informationen liefern zu können. Das gezielte Triggern einer Reaktion oder einer Protein-Protein-Interaktion kann beispielsweise durch sog. photo-cleaving von photolabilen Schutzgruppen ermöglicht werden. Bisweilen bietet die native MS nur wenig Möglichkeiten schnelle Reaktionen zu analysieren und kinetische Informationen zu gewinnen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Dissertation damit zu untersuchen, ob und wie sich lichtgesteuerte Reaktionen im LILBID-Ionisationsprozess induzieren und gegebenenfalls auch zeitlich analysieren und charakterisieren lassen können.
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.
Measuring teaching cross-culturally - the issue of measurement invariance and sources of bias
(2021)
Im Kontext der Globalisierung nimmt das Interesse daran, Unterricht vergleichend zwischen Bildungssystemen der ganzen Welt zu untersuchen, kontinuierlich zu (Paine et al., 2016). Unterricht ist einer der stärksten Prädiktoren für Lernergebnisse von Schülerinnen und Schülern (Hattie, 2009). Folglich bieten internationale Vergleiche die einmalige Möglichkeit von besonders erfolgreichen Bildungssystemen zu lernen und geben Auskunft über die Generalisierbarkeit beziehungsweise über die kulturellen Variationen von Unterricht und dessen Wirksamkeit. Gleichzeitig sind sie richtungsweisend für bildungspolitische Entscheidungen (Klieme, 2020). Zur Erfassung von Unterrichtsmerkmalen aus der Perspektive der beteiligten Lehrkräfte und Schülerinnen und Schüler werden häufig Fragebögen in internationalen Schulleistungsstudien eingesetzt. Erste empirische Befunde weisen jedoch daraufhin, dass die Fragebogenskalen oftmals nicht messinvariant sind (z.B. Desa, 2014; He & Kubacka, 2015; Nilsen & Gustafsson, 2016). Das bedeutet, dass Unterschiede in den Messwerten zwischen Bildungssystemen nicht automatisch genuine Unterschiede im gemessenen Konstrukt, wie beispielsweise Unterschiede in der Klassenführung, reflektieren. Stattdessen entstehen diese teilweise durch nicht intendierte kulturelle Variationen im Antwortprozess (Bias), beispielsweise durch kulturelle Unterschiede in der Bedeutung der Items zur Messung von Klassenführung oder durch kulturspezifische Antworttendenzen (van de Vijver & Leung, 1997). Eine fehlende Messinvarianz hat folgenreiche Konsequenzen, da valide (Mittelwerts-)Vergleiche von Unterrichtsmerkmalen zwischen Bildungssystemen nicht möglich sind und somit die umfangreichen Datensätze internationaler Studien nicht ausgeschöpft werden können (Davidov et al., 2018a). Dennoch mangelt es in der international vergleichenden Bildungsforschung bisher an empirischen Studien, die mit fortgeschrittenen Analysemethoden die Messinvarianz von Unterrichtsmerkmalen prüfen, sowie an empirisch-fundierten Erkenntnissen zu den Ursachen der oftmals fehlenden Invarianz. Mit einer Kombination aus quantitativen und qualitativen Methoden widmet sich die vorliegende Dissertation in drei Beiträgen der Aufarbeitung dieser Forschungslücke. Sie konzentriert sich auf Fragebogenskalen zur Messung von zwei generischen Unterrichtsmerkmalen aus der Perspektive von Schülerinnen und Schülern, der Unterrichtsqualität mit den Dimensionen Klassenführung, konstruktive Unterstützung und kognitive Aktivierung und den Unterrichtsmethoden mit den Dimensionen lehrerzentrierte und schülerzentrierte Methoden und Methoden des Assessments.
Beitrag I prüft die Messinvarianz von PISA Skalen zur Erfassung der drei Basisdimensionen der Unterrichtsqualität zwischen 15 Bildungssystemen. Zusätzlich wird untersucht, ob die kulturelle Ähnlichkeit (operationalisiert als ähnliche oder identische Sprache) der Bildungssysteme einen Einfluss auf das Ausmaß der Messinvarianz besitzt. Da die Modellannahmen der häufig eingesetzten konfirmatorischen Faktorenanalyse zunehmend als zu strikt für Messinvarianzprüfungen im interkulturellen Kontext kritisiert werden (Rutkowski & Svetina, 2014), wird mit Alignment (Asparouhov & Muthén, 2014) eine flexiblere und angemessenere Methode verwendet. Dennoch erreichen die drei Basisdimensionen nur metrische (identische Faktorenladungen) und nicht skalare Invarianz (identische Intercepts) zwischen den 15 Bildungssystemen. Folglich sind valide Vergleiche von Mittelwertsunterschieden in der Unterrichtsqualität zwischen den 15 Bildungssystemen nicht möglich. Innerhalb der fünf Cluster, bestehend aus jeweils drei Bildungssystemen mit ähnlicher oder identischer Sprache, wird im Gegensatz dazu skalare Invarianz bestätigt. Die Ergebnisse aus Beitrag I legen nahe, dass die untersuchten Fragebogenskalen zur Messung von Unterrichtsqualität unterschiedlich zwischen Bildungssystemen funktionieren. Eine höhere Vergleichbarkeit scheint jedoch mit einer kulturellen und sprachlichen Ähnlichkeit der Befragten einherzugehen. Wird diese Ähnlichkeit bei der Analyse berücksichtigt, sind valide Vergleiche von Mittelwertsunterschieden für eine Teilmenge an Bildungssystemen mit invarianter Messung möglich.
Beitrag II knüpft an Ergebnisse aus Beitrag I an und untersucht potenzielle Ursachen der fehlenden Invarianz. Der Fokus liegt auf kulturellen Variationen im Antwortprozess, die zu einer eingeschränkten Datenvergleichbarkeit führen können (z.B. Schwarz et al., 2010). Beitrag II konzentriert sich auf die erste und zweite Stufe des Antwortprozesses, der Item-Interpretation und der Assoziation des Item-Inhaltes mit persönlichen Erfahrungen (Tourangeau, 1984). Mit Hilfe von kognitiven Interviews wird untersucht, wie Schülerinnen und Schüler aus China (Shanghai) und Deutschland PISA Items zur Messung konstruktiver Unterstützung interpretieren und welche Unterrichtserfahrungen sie mit den Items assoziieren. Die Ergebnisse der strukturierenden qualitativen Inhaltanalyse nach Kuckartz (2018) zeigen zwar, dass sowohl chinesische als auch deutsche Schülerinnen und Schüler die Items mehrheitlich mit Unterrichtsmethoden assoziieren, die zur Kompetenzunterstützung beitragen (beispielsweise Methoden zur Beseitigung von Verständnisproblemen). Es zeigen sich jedoch auch deutliche interpretative Variationen, sowohl für statistisch nicht messinvariante (nicht vergleichbare) Items als auch für messinvariante (vergleichbare) Items. Diese können zum einen auf Eigenschaften der Messung zurückgeführt werden. Hierzu zählt eine unterschiedliche Übersetzung des Terms Lernen (in Deutschland Lernfortschritt in China Lernstand). Zudem finden sich Hinweise, dass komplexe und uneindeutige Itemformulierungen mehr Spielraum für kulturspezifische Interpretationen zulassen. Die zweite Ursache der interpretativen Variationen ist ein unterschiedliches Verständnis von konstruktiver Unterstützung, das durch kulturelle Unterschiede in der Unterrichtsgestaltung und -zielsetzung erklärt werden kann (Leung, 2001). Neben der Kompetenzunterstützung assoziieren die deutschen Schülerinnen und Schüler die Items mehrheitlich mit Methoden zur Unterstützung ihrer Autonomie und ihres sozial-emotionalen Erlebens im Unterricht, wohingegen die chinesischen Schülerinnen und Schüler die Items mehrheitlich mit Methoden zur Unterstützung ihrer akademischen Produktivität (z.B. ihrer Aufmerksamkeit) assoziieren. Die Ergebnisse aus Beitrag II legen nahe, dass die Interpretation von Fragebogenitems variieren kann, je nach dem in welchem kulturellen Kontext die Frage gestellt wird. Sie betonen zudem, dass quantitative und qualitative Methoden miteinander kombiniert werden sollten, um verlässliche Information über die interkulturelle Vergleichbarkeit von Fragebogenitems zu erhalten ...
Particle collisions provide insight into the structure of matter and the interaction of its constituents. Furthermore, they also allow a better understanding of the processes involved in the formation of the universe. To cover these diverse areas, it is necessary to study different observables and collision systems. A particular challenge is to find a suitable measurable observable for a theoretically meaningful variable and to develop a measurement process taking into account the experiment. The analyses of particle collisions in this thesis cover many of the challenges and objectives mentioned above. The focus of the work is the analysis of isolated photons at an energy of √s = 7 TeV. In addition, the work also includes measurements of the average transverse momentum in Pb-Pb collisions at an energy of √s = 2.76 TeV.
Apart from the collision system, the two analyses complement each other in other respects. The measurement of isolated photons represents the first measurement of this observable with ALICE and thus lays the foundation for further measurements at other collision systems and energies. The measurement of the mean transverse momentum, on the other hand, is based on an established measurement and thus allows the comparison of different collision systems. Likewise, the physical processes studied differ. With the measurement of isolated photons, hard scattering processes in the collisions can be investigated, while the average transverse momentum allows a description of the underlying event.
When measuring isolated photons, it should be noted that isolated photons are a measurable observable that cannot be assigned to an explicit physical process. The isolation criterion used in the analysis serves to increase the fraction of prompt photons from 2→2 processes. These photons can contribute to a better understanding of the parton density function (PDF) of gluons, as well as be used as a reference for perturbative QCD calculations.
Of particular importance for the analysis are the cluster shape and the energy within a certain radius around the potential photon. The combination of these two quantities allows determining the background using the ABCD method established by CDF and ATLAS. The result obtained in this way extends the previous measurements of the cross-section of isolated photons at the LHC to lower transverse momenta. Similarly, the previous measurements of the cross-section as a function of the scale variable xT are extended to lower values.
The main focus of the measurement of the average transverse momentum of charged particles ⟨pT⟩ is to compare the measurement for the pp, p-Pb, and Pb-Pb collision systems. To obtain a direct comparison between the different collision systems, ⟨pT ⟩ is measured against the true multiplicity nch. Since the multiplicity range of pp and p-Pb collisions is limited, the analysis in Pb-Pb collisions is restricted to nch = 100. This range corresponds to peripheral Pb-Pb collisions. A particular focus of the analysis is the determination and reduction of the electromagnetic background in peripheral Pb-Pb collisions and the determination of nch based on the measured multiplicity nacc . The different collision systems show similar behavior with increasing multiplicity. The steepest increase occurs at low multiplicities and changes for all collision systems at nch = 14. With higher multiplicities, the slope reduces further, with the effect being most pronounced in Pb-Pb collisions.
Reactive oxygen species are a class of naturally occurring, highly reactive molecules that change the structure and function of macromolecules. This can often lead to irreversible intracellular damage. Conversely, they can also cause reversible changes through post-translational modification of proteins which are utilized in the cell for signaling. Most of these modifications occur on specific cysteines. Which structural and physicochemical features contribute to the sensitivity of cysteines to redox modification is currently unclear. Here, I investigated the in uence of protein structural and sequence features on the modifiability of proteins and specific cysteines therein using statistical and machine learning methods. I found several strong structural predictors for redox modification, such as a higher accessibility to the cytosol and a high number of positively charged amino acids in the close vicinity. I detected a high frequency of other post-translational modifications, such as phosphorylation and ubiquitination, near modified cysteines. Distribution of secondary structure elements appears to play a major role in the modifiability of proteins. Utilizing these features, I created models to predict the presence of redox modifiable cysteines in proteins, including human mitochondrial complex I, NKG2E natural killer cell receptors and proximal tubule cell proteins, and compared some of these predictions to earlier experimental results.
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.
Hintergrund: Die leichte kognitive Störung (engl. Mild cognitive impariment, MCI) ist ein wichtiges nicht-motorisches Symptom der Parkinson-Krankheit (PD) und ein Hochrisiko-Zustand für die Entwicklung einer Parkinson-Demenz (PDD).
Die Etablierung von Biomarkern für ein MCI bei PD-Patienten (PD-MCI) könnte sowohl die Diagnosestellung als auch das Therapiemonitoring verbessern.
Ziel: Es ist bekannt, dass PDD-Patienten im Vergleich zu PD-Patienten ohne kognitive Beeinträchtigung (engl. PD normal cognition, PD-NC) in der strukturellen Magnetresonanztomographie (MRT) eine ausgeprägte kortikale und subkortikale Hirnatrophie aufweisen. Die Datenlage für Patienten mit PD-MCI ist deutlich heterogener, zudem wurden bisher vor allem de novo-Patienten untersucht. Mittels longitudinaler struktureller MRT soll in dieser multizentrischen Studie herausgefunden werden, ob der beginnende kognitive Abbau von Parkinson-Patienten im mittleren Krankheitsstadium ebenfalls mit Volumenänderungen kritischer Hirnstrukturen assoziiert ist. Die Hypothese ist, dass Patienten mit PD-MCI sich durch eine reduzierte mittlere kortikale Dicke sowie durch die Atrophie des Hippocampus und ggf. weiterer subkortikaler Strukturen von PD-NC-Patienten und von gesunden Kontrollen (engl. healthy controls, HC) unterscheiden.
Methode: 59 Patienten mit PD-NC, 49 Patienten mit PD-MCI sowie 59 HC erhielten zu Beginn der Studie und nach 12 Monaten eine ausführliche neuropsychologische Testung und eine strukturelle MRT-Untersuchung. Die MRT-Daten wurden mit der Freesurfer-Software automatisiert segmentiert, die mittlere kortikale Dicke sowie subkortikale Volumina und deren Atrophieraten berechnet und Gruppenvergleiche angestellt.
Ergebnisse: Verglichen mit HC zeigte sich bei Patienten mit PD-MCI eine signifikant geringere mittlere kortikale Dicke sowie ein reduziertes Volumen des linken Thalamus, des Hippocampus und des Nucleus caudatus. Zwischen Patienten mit PD-MCI und PD-NC fanden sich dagegen keine signifikanten Volumenunterschiede. Für kognitiv beeinträchtigte PD-Patienten zeigte sich über 12 Monate eine signifikant höhere Atrophierate des rechten Thalamus, sowohl verglichen mit kognitiv unauffälligen PD-Patienten als auch verglichen mit HC.
Für alle anderen untersuchten Strukturen unterschieden sich die Atrophieraten zwischen allen drei Gruppen nicht signifikant.
Schlussfolgerung: PD-MCI ist im mittleren Stadium der Parkinson-Krankheit mit einer reduzierten kortikalen Dicke sowie einer die Altersnorm überschreitenden Atrophie des Thalamus, des Hippocampus und des Striatums assoziiert.
Aufgrund der geringen Volumenunterschiede zwischen den einzelnen Gruppen und der hohen interindividuellen Variabilität ist die Sensitivität der Methode allerdings nicht ausreichend, um MR-basiert zwischen Parkinson-Patienten mit MCI und solchen mit normaler Kognition zu unterscheiden.
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.
Sphingosin 1 Phosphat (S1P) ist ein wichtiger Lipidmediator, der über G Protein gekoppelte Rezeptoren und intrazelluläre Wirkungen vielfältige Wirkungen auslöst und eine Rolle bei der Lymphozytenzirkulation, der Erhaltung der endothelialen Barriere, bei Entzündungsprozessen und Tumorwachstum spielt. Die S1P Lyase (Sgpl1) katalysiert den irreversiblen Abbau von S1P und damit den letzten Schritt des Sphingolipidkatabolismus‘. Ein Fehlen der Sgpl1 bewirkt eine Akkumulation von S1P und anderen Sphingolipiden im Blut und Gewebe, was multiple Organschäden zur Folge hat. Menschen mit S1P Lyase Insuffizienz Syndrom (SPLIS) leiden insbesondere unter steroidresistentem nephrotischem Syndrom, Nebennierenrinden-insuffizienz und neurologischen Störungen. Weitere mögliche Symptome sind Lymphopenie, Hautveränderungen und Dyslipidämien. S1P Lyase defiziente Mäuse weisen sehr ähnliche Organschädigungen auf.
An Sgpl1 Knockoutmäusen war zuerst die massive Akkumulation nicht nur von Sphingolipiden, sondern auch von Cholesterin und Triglyceriden in Blut und Leber aufgefallen. Auch bei SPLIS Patienten wurde eine Hypercholesterinämie beobachtet. Um die Kreuzregulation des Sphingolipid- und Cholesterinmetabolismus besser zu verstehen, sollte die Rolle der Sgpl1 in der Leber, dem Hauptort des Lipidmetabolismus, untersucht werden. Hierzu sollte ein Mausmodell mit einem hepatozytenspezifischen Sgpl1 Knockout (Sgpl1HepKO) etabliert und charakterisiert werden. Dies wurde durch Kreuzen von Sgpl1fl/fl-Mäusen mit Mäusen, welche die Cre-Rekombinase unter dem Albuminpromoter exprimierten, erreicht. Die basale Charakterisierung zeigte, dass diese Mäuse im Gegensatz zu globalen Sgpl1 Knockoutmäusen sowohl im Alter von acht Wochen, als auch im Alter von acht Monaten einen unauffälligen Phänotyp aufwiesen. Das äußere Erscheinungsbild inklusive Leber und Körpergewicht, das Blutbild, die Leberenzyme sowie die Histologie der Leber waren unverändert. Die Analyse der Leberlipide mit Hilfe von Hochleistungsflüssigkeits-chromatographie gekoppelt mit einer Tandem Massenspektrometrie zeigte eine signifikante Akkumulation (≈1,5 2 fach) von S1P, Sphingosin und Ceramiden, aber nicht von Glucosylceramiden und Sphingomyelin in der Leber. Messungen im Plasma zeigten eine Erhöhung mehrerer Ceramide, während der S1P Spiegel normal war. Ferner zeigten Untersuchungen der Galle signifikant erhöhte Konzentrationen an S1P, Dihydro S1P und Glucosylceramiden, jedoch unveränderte Ceramide. Die Ergebnisse legen folgende Schlussfolgerungen nahe: 1. In der Leber kann mit Hilfe von Ceramidsynthasen akkumulierendes Sphingosin in Ceramide umgewandelt werden, welche anschließend ins Blut sezerniert und letztendlich vermutlich von anderen Zellen verstoffwechselt werden. Außerdem ist nicht ausgeschlossen, dass S1P ebenfalls ins Blut sezerniert und dort effektiv abgebaut wird, so dass die S1P Konzentration im Plasma unverändert bleibt. 2. S1P sowie Glucosylceramide werden an die Galle abgegeben und ausgeschieden. 3. Die Sgpl1 in der Leber ist nicht essentiell für die Regulation des Plasma S1Ps, was zuvor vermutet worden war
Eine Analyse der Sterole zeigte in Sgpl1HepKO Mäusen erhöhte Spiegel an Cholesterin und Desmosterol in der Leber. In Übereinstimmung mit der erhöhten Proteinexpression des low density lipoprotein (LDL ) Rezeptors und erniedrigten Konzentrationen des LDL Cholesterins im Plasma, deuten diese Daten auf eine erhöhte Aufnahme von LDL Cholesterin durch die Leber hin. Untersuchungen in der Leber sowie mit primären Hepatozyten zeigten im Gegensatz zu globalen Sgpl1 Knockoutmäusen keine Veränderungen der Peroxisomen-Proliferator-aktiviertem Rezeptor γ Expression. Weitere Gene mit zentraler Rolle wie der Liver X receptor oder die Fettsäuresynthase, waren ebenfalls nicht reguliert. Dieser im Vergleich zu globalen Sgpl1-Knockoutmäusen milde Phänotyp lässt sich durch die deutlich geringere Akkumulation von Sphingolipiden aufgrund der oben beschriebenen Kompensations-mechanismen in Sgpl1HepKO Mäusen erklären.
In weiteren Untersuchungen sollten die Auswirkungen einer Sgpl1-Defizienz an Fibroblasten untersucht werden. Hierzu standen embryonale Fibroblasten aus Sgpl1 Knockoutmäusen zur Verfügung (Sgpl1-/- MEFs). In einer Kooperation mit Dr. Janecke von der Universität Innsbruck standen außerdem humane Fibroblasten eines SPLIS Patienten zur Verfügung.
An Sgpl1-/- MEFs war zuvor eine gestörte Calciumhomöostase festgestellt worden, welche sich durch eine erhöhte zytosolische Calciumkonzentration und vermehrte Calciumspeicherung im Endoplasmatischen Retikulum und in Lysosomen auszeichnete. Die Plasmamembran-Calcium ATPase (PMCA) trägt an Fibroblasten entscheidend zur Regulation der zytosolischen Calciumkonzentration bei. Ihre Expression auf Proteinebene war jedoch in Sgpl1-/- MEFs nicht verändert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch eine Immunfärbung erstmals festgestellt, dass die PMCA in Sgpl1-/- MEFs nicht vollständig an der Plasmamembran lokalisiert war. Dies könnte der Grund für die erhöhte zytosolische Calciumkonzentration in den Zellen sein. ...
Studying large discrete systems is of central interest in, non-exclusively, discrete mathematics, computer sciences and statistical physics. The study of phase transitions, e.g. points in the evolution of a large random system in which the behaviour of the system changes drastically, became of interest in the classical field of random graphs, the theory of spin glasses as well as in the analysis of algorithms [78,82, 121].
It turns out that ideas from the statistical physics’ point of view on spin glass systems can be used to study inherently combinatorial problems in discrete mathematics and theoretical computer sciences(for instance, satisfiability) or to analyse phase transitions occurring in inference problems (like the group testing problem) [68, 135, 168]. A mathematical flaw of this approach is that the physical methods only render mathematical conjectures as they are not known to be rigorous.
In this thesis, we will discuss the results of six contributions. For instance, we will explore how the
theory of diluted mean-field models for spin glasses helps studying random constraint satisfaction problems through the example of the random 2−SAT problem. We will derive a formula for the number of satisfying assignments that a random 2−SAT formula typically possesses [2].
Furthermore, we will discuss how ideas from spin glass models (more precisely, from their planted versions) can be used to facilitate inference in the group testing problem. We will answer all major open questions with respect to non-adaptive group testing if the number of infected individuals scales sublinearly in the population size and draw a complete picture of phase transitions with respect to the
complexity and solubility of this inference problem [41, 46].
Subsequently, we study the group testing problem under sparsity constrains and obtain a (not fully understood) phase diagram in which only small regions stay unexplored [88].
In all those cases, we will discover that important results can be achieved if one combines the rich theory of the statistical physics’ approach towards spin glasses and inherent combinatorial properties of the underlying random graph.
Furthermore, based on partial results of Coja-Oghlan, Perkins and Skubch [42] and Coja-Oghlan et al. [49], we introduce a consistent limit theory for discrete probability measures akin to the graph limit theory [31, 32, 128] in [47]. This limit theory involves the extensive study of a special variant of the cut-distance and we obtain a continuous version of a very simple algorithm, the pinning operation, which allows to decompose the phase space of an underlying system into parts such that a probability
measure, restricted to this decomposition, is close to a product measure under the cut-distance. We will see that this pinning lemma can be used to rigorise predictions, at least in some special cases, based on the physical idea of a Bethe state decomposition when applied to the Boltzmann distribution.
Finally, we study sufficient conditions for the existence of perfect matchings, Hamilton cycles and bounded degree trees in randomly perturbed graph models if the underlying deterministic graph is sparse [93].
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.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Bedeutung der Kristallstrukturbestimmung aus Pulverdaten (SDPD) herauszuarbeiten und etwaige Grenzen durch neue Methodenentwicklungen zu erweitern, insbesondere bei Analyse der Paarverteilungsfunktion (PDF).
Die Effizienz der SDPD konnte anhand der erfolgreich gelösten Kristallstruktur von Carmustin (1,3 Bis-2-chlorethyl-1-nitrosoharnstoff, C5H9Cl2N3O2) aufgezeigt werden. [CS01]
Die Grenzen der SDPD wurden ausgelotet und erfolgreich erweitert. Nach weit verbreiteter kristallographischer Meinung ist die Strukturlösung mittels des simulierten Temperns (simulated annealing, SA) bei mehr als 25 zu bestimmenden Parametern problematisch oder unmöglich. Die pharmazeutischen Salze Lamivudin-Camphersulfonat (LC) und Aminogluthethimid-Camphersulfonat (AC) konnten, trotz ihrer hohen Anzahl an Freiheitsgraden von 31 für LC bzw. 37 für AC erfolgreich bestimmt werden. Die Strukturlösung von AC war herausfordernd und nicht direkt bei Anwendung der SA-Methode möglich. Nach einer intensiven Fehleranalyse stellte sich heraus, dass nicht die Grenzen der SA-Methode ausschlaggebend für das anfängliche Scheitern der Strukturlösung waren, sondern falsch extrahierte Intensitäten des vorangegangenen Pawley-Fits. Nach Behebung dieser Fehlerquelle war die Strukturlösung von AC problemlos. [CS02]
Mittels SDPD kann die absolute Konfiguration chiraler Verbindungen nicht direkt bestimmt werden. Durch Kristallisation der zu bestimmenden chiralen Verbindung mit einem chiralen Gegenion bekannter Konformation in einer simplen Säure-Base-Reaktion zu einem diastereomeren Salz und nachfolgender SDPD konnte eine neue Methode entwickelt werden, um die Konfigurationsbestimmung aus Pulverdaten zu ermöglichen. Diese Methode wurde anhand der drei pharmazeutischen Salze (R)-Flurbiprofen-(R)-Chinin (FQ), (2R5S)-Lamivudin-(R)-Camphersulfonat (LC) und (R)-Aminogluthethimid-(R)-Camphersulfonat (AC) aufgezeigt: In allen drei Fällen konnte die korrekte Konfiguration des pharmazeutischen Wirkstoffes mit den hierfür entwickelten Kriterien erfolgreich bestimmt werden. [CS03, CS04]
Durch Kombination der klassischen SDPD mit neuen methodischen Ansätzen konnten die Kristallstrukturen der schlecht kristallinen organischen Pigmente 2-Monomethylchinacridon (MMC, C21H14N2O2) und 4,11-Difluorchinacridon (DFC, C20H10N2O2F2) bestimmt werden, obwohl aufgrund ihrer geringen Kristallqualität keine sinnvolle Indizierung möglich war.
Für die Kristallstrukturbestimmung von DFC lieferte der neu entwickelte Global-Fit des Programms FIDEL mögliche Strukturmodelle mit ähnlich guter Übereinstimmung an das experimentelle Pulverdiagramm. Die Rietveld-Verfeinerung der Strukturmodelle in Kombination mit der Anpassung der Kristallstruktur an die PDF-Daten und kraftfeldbasierter Gitterenergieminimierung konnte einen geeigneten Strukturrepräsentanten von DFC liefern. [CS05, CS06]
Im Fall von MMC war eine Kombination der Methoden von Rietveld-Verfeinerung, Verfeinerung an die PDF-Daten und Gitterenergieminimierung zielführend zur Bestimmung der Orientierungs-Fehlordnung von MMC im Kristall. MMC ist hierbei die erste organische Verbindung, deren Fehlordnung durch Anpassung an die PDF bestimmt werden konnte. [CS07]
Große Erfolge konnten bei der Methodenentwicklung der PDF-Analyse erzielt werden. Die Bestimmung von Kristallstruktur organischer Verbindungen durch Anpassung an die PDF ohne vorherige Kenntnis der Gitterparameter oder Raumgruppe wurde durch die Entwicklung des PDF-Global-Fits erreicht. Lediglich die PDF-Kurve und eine Molekülstruktur werden als Input benötigt. Die Strukturlösung beruht auf einem globalen Optimierungs-Ansatz, bei welchem in ausgewählten Raumgruppen Zufallsstrukturen erzeugt werden. Die Zufallsstrukturen werden mit den experi¬mentellen Daten verglichen und entsprechend ihres Ähnlichkeitsindexes, basierend auf der Kreuz-Korrelation, sortiert. [CS08, CS09] Die vielversprechendsten Kandidaten werden in einem einge¬schränkten simulierten annealing-Ansatz an die experimentelle PDF angepasst. Eine nachfolgende Strukturverfeinerung der besten Strukturmodelle liefert die korrekte Kristallstruktur. Der Erfolg des PDF-Global-Fits wurde am Beispiel der Barbitursäure aufgezeigt: Ausgehend von 300 000 Zufallsstrukturen konnte die korrekte Kristallstruktur von Barbitursäure bestimmt werden. Barbitursäure ist hierdurch die erste organische Verbindung, deren Lokalstruktur durch Anpassung an die PDF bestimmt wurde, ohne Input oder Vorgabe von Gitterparametern oder Raumgruppe.[CS10]
Im Rahmen dieser kumulativen Dissertation konnte eine Methode mitentwickelt werden, die die Bestimmung der absoluten Konfiguration pharmazeutischer Verbindungen aus Röntgenpulverbeugungsdaten ermöglicht. Die Methode basiert auf der Bildung von Salzen. Die notwendige Herstellung dieser Salze mit Salzbildnern bekannter Konfiguration wurde hinsichtlich einer minimalen Ansatzgröße optimiert und erlaubt ein Arbeiten mit Mengen von unter zehn Mikrogramm. Die Kristallisation konnte sogar direkt in den Kapillaren für die Aufnahme der Pulverdiagramme durchgeführt werden. Die absolute Konfiguration einiger als Testfälle gewählter pharmazeutischer Wirkstoffe konnte auf diese Art erfolgreich bestimmt werden. Dies stellt eine erfolgreiche Erweiterung bisher verfügbarer Methoden dar.
1,1,3,3-Tetraethyl-5-nitroisoindolin (TENI) und 1,1,3,3-Tetraethyl-5-nitroisoindolin-2-oxyl (TENO) sind Zwischenstufen in der Synthese von RNS-Spinlabeln für die EPR-Spektroskopie. Die Kristallstrukturen beider Verbindungen konnten aus Einkristallbeugungsdaten bestimmt werden. TENI hat einen Schmelzpunkt nahe der Raumtemperatur. TENO hat dagegen einen wesentlich höheren Schmelzpunkt, obwohl das Molekül nur ein Sauerstoffatom zusätzlich hat. Die Kristallstruktur liefert die Erklärung für dieses Phänomen: In der Kristallstruktur von TENI findet sich als stärkste intermolekulare Wechselwirkung eine einzelne schwache, sehr lange Wasserstoffbrückenbindung.
6-Amino-2-iminiumyl-4-oxo-1,2,3,4-tetrahydropyrimidin-5-aminiumsulfat, ein Edukt der Synthese von Leukopterin konnte als Hydrat erhalten werden. Die Kristallstruktur dieses Monohydrats konnte problemlos bestimmt werden, ebenso wie die von synthetisiertem 4-Amino-2,6-dimethylpyrimidin.
Natriumethanolat wurde nach einer 180 Jahre alten Vorschrift von Liebig synthetisiert. Wie die Röntgenpulverdiagramme zeigen, bilden sich dabei jedoch Gemische von verschiedenen Phasen. Die Kristallstruktur von reinem NaOEt konnte aus Pulverdaten bestimmt werden. Ebenfalls wurden ein Diethanolsolvat sowie zwei weitere Phasen identifiziert. Vom Diethanolsolvat NaOEt · 2 HOEt konnten Einkristalle hergestellt und die Kristallstruktur aus diesen bestimmt werden. Die Kristallstrukturen von Natrium-n-propanolat (NaOnPr), Natrium-n-butanolat (NaOnBu) und Natrium-n-amylat (NaOnAm) konnten ebenfalls aus Pulverdaten aufgeklärt werden. Sie weisen ein ähnliches Na-O-Gitter wie Natriumethanolat auf, allerdings kristallisieren sie in der Raumgruppe P 4/n m m. Die abweichende Raumgruppe des NaOEt (P -4 21 m) liegt am sterischen Anspruch der Ethylgruppe. Die längeren Alkylgruppen sind hochgradig fehlgeordnet und somit im Mittel zylinderförmig. Die Ethylgruppe dagegen hat einen weniger symmetrischen Raumbedarf. Die Solvate der Alkalialkoholate wurden mit zunehmender Länge der Alkylketten instabiler. Nichtsdestotrotz konnten drei verschiedene Solvate hergestellt werden: NaOnPr · 2 HOnPr, NaOiPr · 5 HOiPr und NaOtAm · HOtAm. Ihre Kristallstrukturen konnten aus Einkristallbeugungsdaten bestimmt werden. In diesen Strukturen zeigen sich sehr unterschiedliche Strukturmotive, die teilweise die mögliche Existenz weiterer Solvatstufen andeuten.
Die industriellen Rotpigmente Pigment Red 52 und Pigment Red 48 wurden im Labor unter verschiedenen Bedingungen synthetisiert. Dabei wurden neben den kommerziell verfügbaren Phasen einige neue Phasen identifiziert. Erstmals konnten Kristallstrukturen von P.R.52 und P.R.48 bestimmt werden. Von Pigment Red 52 konnte ein bisher unbekanntes Mononatriumsalz hergestellt werden. Von diesem Salz konnte ein DMSO-Solvat-Monohydrat kristallisiert werden. Aus erhaltenen Einkristallen konnte die Struktur bestimmt werden. Von Pigment Red 48 konnte ebenfalls ein bisher nicht literaturbekanntes Mononatriumsalz isoliert werden. Von zwei Hydratstufen dieser Verbindung konnten Einkristalle hergestellt und ihre Kristallstrukturen bestimmt werden. Eine weitere Phase wurde als Anhydrat identifiziert. Vom Di-Natriumsalz des P.R.52 sowie von seinem Calciumsalz wurden insgesamt fünf verschiedene Hydratstufen gefunden. Die Kristallstrukturen dieser Hydrate konnten aus Röntgenpulverbeugungsdaten bestimmt werden. Von einer Hydratstufe konnte ebenfalls ein Einkristall erhalten und die Struktur bestätigt werden. Eine Veröffentlichung ist in Vorbereitung.
Die Isomere des Orangepigments Perinon werden nach gemeinsamer Synthese industriell durch Überführung in „Trennsalze“ getrennt. Weder die Molekülkonstitution der Trennsalz-Ionen, noch die chemische Zusammensetzung der Feststoffe, noch deren Kristallstrukturen waren bisher bekannt. Die industrielle Form des „trans-Trennsalzes“ konnte im Labor hergestellt werden. Eine weitere Phase des trans-Perinontrennsalzes konnte hergestellt und identifiziert werden. Durch die nachfolgende Einkristallstrukturanalyse zeigte sich, dass die Trennsalze eine völlig andere Molekülkonstitution haben, als in der Literatur beschrieben war: Statt eines planaren Perinongerüsts enthält das Trennsalz ein verdrehtes Bis(benzimidazolat)naphthalindicarboxylat-tetraanion, dessen Ladung durch Kalium-Kationen kompensiert wird. Das bisher nie als Feststoff beschriebene cis-Perinontrennsalz wurde hergestellt und kristallisiert. Es konnten Einkristalle hergestellt und die Kristallstruktur aus diesen bestimmt werden. Alle Perinontrennsalze enthalten im Kristallgitter eine beträchtliche Anzahl Wasser- und Ethanolmoleküle. Durch Festkörper-NMR-Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass das Wasser-Ethanol-Netzwerk stark dynamisch ist. Bei der Hydrolyse der Trennsalze entstehen wieder die ursprünglichen, wasser- und lösungsmittelfreien Perinonpigmente.
Die Synthese und Charakterisierung von neuartigen metallorganischen Koordinationsverbindungen hat in den vergangenen Jahrzehnten einen wahren Aufschwung erlebt. Aufgrund ihrer außerordentlichen strukturellen Vielfalt eröffnen sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten über alle naturwissenschaftlich-technischen Domänen hinweg. Daher besteht ein allgemeines Interesse nicht nur in der Entwicklung neuer Verbindungen und Untersuchungen von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, sondern auch in einer Verbesserung ihrer Darstellungsmethoden.
Diese Dissertation beschäftigt sich mit Koordinationspolymeren und -netzwerken, die aus zweiwertigen 3d-Übergangsmetallhalogeniden (MX2, wie bspw. MnCl2 oder FeBr2) und Pyridin (py) bzw. Pyridinderivaten (CNpy, wie bspw. 3-Cyanopyridin) aufgebaut sind. Die Darstellung der Koordinationsverbindungen erfolgte in erster Linie über gewöhnliche Kristallisationsexperimente in alkoholischer Lösung, bei denen Phasen der Stöchiometrie [MX2(CNpy)4] oder [MX2(CNpy)2]n anfielen. Diese wurden anschließend systematisch erhitzt (“getempert“), was in der Regel zu einer stufenweisen und irreversiblen Abgabe eines Teils der Liganden führte, also bspw. von [MX2(CNpy)2]n zu [MX2(CNpy)1]n. Für diesen sog. „thermischen Abbau“ hat sich die Verwendung eines DTA-TG-Gerätes bewährt. Da die Zielverbindungen als mikrokristalline Pulver anfielen, erfolgte die Bestimmung ihrer Kristallstrukturen auf Basis von Röntgenpulverdaten.
Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit 41 neue Phasen synthetisiert und deren Kristallstrukturen aus Röntgenpulverdaten bestimmt. Zusammenfassend ist für die verschiedenen Pyridinderivate folgendes zu konstatieren:
3-Cyanopyridin
Im Falle der MBr2-Serie wurden für M = Mn, Fe, Co und Ni Koordinationsverbindungen der Stöchiometrie [MBr2(3-CNpy)4] erhalten, deren Kristallstrukturen aus diskreten Komplexmolekülen bestehen. Derart ligandenreiche Verbindungen konnten bei keiner der übrigen Serien erhalten werden. Alle Kristallstrukturen der Zusammensetzung [MX2(3-CNpy)2]n zeigen bei M = Mn, Fe, Co, Ni und Cu eine Kettenstruktur, in der die Halogenatome als µ2-Brückenliganden fungieren. Die Ketten weisen eine Fischgrät-Anordnung auf. Im Falle von [ZnX2(3-CNpy)2] werden ausschließlich diskrete Komplexmoleküle beobachtet. In allen Kristallstrukturen der [MCl2(3-CNpy)1]n-Serie liegen Doppelketten mit µ2- und µ3-verbrückenden Cl-Atomen vor. Hingegen weisen die Verbindungen der [MBr2(3-CNpy)1]n-Serie Netzwerkstrukturen auf, in denen, zusätzlich zu µ2-Cl-Atomen, über NCN-Atome gebrückt wird.
3,5-Dicyanopyridin
Aufgrund der umfassenden Erkenntnislage bei [NiCl2(CNpy)x]n und [NiCl(py)x]n- Verbindungen wurde NiCl2 für erste Experimente mit 3,5-Dicyanopyridin als neuem, bifunktionalem Liganden ausgewählt. Erwartungsgemäß führte deren Umsetzung zur Bildung von [NiCl2(3,5-CNpy)2]n, dessen Kristallstruktur das hinlänglich bekannte charakteristische Kettenmotiv aufweist. Thermischer Abbau von [NiCl2(3,5-CNpy)2]n führt indes nicht zur Bildung von [NiCl2(3,5-CNpy)1]n (bzw. grundsätzlich zu [NiCl2(3,5-CNpy)x<2]n (mit bi- oder gar tridentatem Liganden), sondern unmittelbar zur vollständigen Zersetzung in NiCl2 und 3,5-CNpy. Daher sollten weitere Experimente mit NiBr2 als Edukt durchgeführt werden, da in [NiBr2(CNpy)1]n neben Npy auch NCN an Ni-Atome zu koordinieren vermag, wodurch ja deren Netzwerkstrukturen resultieren.
4-Cyanopyridin
Alle Kristallstrukturen der Zusammensetzung [MX2(4-CNpy)2]n zeigen bei M = Mn, Fe, Co, Ni und Cu ebenfalls eine Kettenstruktur, in der die Halogenatome als µ2-Brückenliganden fungieren. Auch in diesen Kristallstrukturen liegt eine Fischgrät-Anordnung der Ketten vor. Im Falle von [ZnX2(4-CNpy)2] werden ausschließlich diskrete Komplexmoleküle beobachtet. In allen Kristallstrukturen der [MX2(4-CNpy)1]n-Serie liegen Netzwerkstrukturen vor, in denen die Metallatome über µ2-Halogenatome und NCN-Atome verbrückt werden. Alle Kristallstrukturen der [MBr2(4-CNpy)1]n-Serie sind charakteristisch fehlgeordnet, da die Orientierung der 4-CNpy-Liganden invertiert wird („Kopf-Schwanz“-Fehlordnung).
Aktive Hörimplantate befinden sich seit Mitte der 1980er Jahre im klinischen Einsatz. Aufgrund der inzwischen sehr hohen Anwendungszahl und durch-schnittlich sehr langen Anwendungsdauer gelten diese als sehr sicher. Dennoch können Komplikation auftreten. Eine Komplikation wurde in der vorliegenden Arbeit als Auftreten eines negativen Ereignisses außerhalb des gewünschten Behandlungsablaufes gewertet.
Ziel dieser Arbeit war es, aufgetretene Komplikationen zu kategorisieren und zu quantifizieren. Ferner sollte untersucht werden, ob bestimmte Faktoren Einfluss auf die Häufigkeit von Komplikationen haben, insbesondere in Bezug auf die verschiedenen Implantat- und Elektrodenträgermodelle. Es wurden neben der Erfassung und Quantifizierung unerwünschter Ereignisse vier Hypothesen for-muliert, die sich aus der klinischen Erfahrung der Anwendung der Systeme ergaben: (H1) Kinder entwickeln nach Cochlea-Implantation häufiger Entzün-dungen. (H2) Implantatmodelle mit Magnettasche führen häufiger zu Infektio-nen. (H3) Perimodiolare Elektrodenträger führen häufiger zu „Tip fold-over“ (Umschlagen der Elektrodenträgerspitze). (H4) Gerade Elektrodenträger führen häufiger zu Elektrodenträgerdislokation.
In dieser Arbeit wurden alle von Januar 2006 bis Dezember 2016 im Universi-tätsklinikum Frankfurt mit aktiven Hörimplantaten versorgten Patienten einge-schlossen. Unter den 1274 Patienten befanden sich 583 Patienten, bei denen mindestens eine Komplikation auftrat. Hiervon machten den Großteil Schmer-zen (16,9 %), Drehschwindel (15,6 %) und Infektionen im Verlauf (8,3 %) aus.
Es wurde aus dem Datenmaterial eine Patientengruppe von 503 betroffenen Patienten gebildet, die nach der Operation erstmals eine Komplikation angaben. In dieser Kohorte „Erstereignis“ traten Komplikationen vor allem in den Bereichen Entzündung (281 Patienten), Hören (183 Patienten) und Gleichgewicht (158 Patienten) auf. Bei den unilateral versorgten Patienten dieser Kohorte zeigte sich das erste Ereignis durchschnittlich nach 5,64 Jahren, bei den beid-seitig Operierten trat das erste Ereignis durchschnittlich nach 7,35 Jahren auf.
Die Implantatmodelle wichen im Auftreten von Komplikationen voneinander ab: Die höchsten Komplikationsraten traten bei den Modellen HiRes90K mit 37 von 81 (45,7 %), Synchrony mit 62 von 140 (44,3 %), und Nucleus 5 mit 115 von 274 (42,0 %) auf. Die Elektrodenträgerbauformen wiesen signifikante (p < 0,001) Unterschiede untereinander auf: Die meisten Komplikationen traten bei den Elektrodenträgerbauarten Medium (75 %), Midscala (58,8 %), Slim Modi-olar (54,3 %), und Straight (52,1 %) auf. Eine Infektion trat besonders bei den Implantaten Synchrony (1,34 Jahre) und Clarion (1,57 Jahre) früh auf. Die Modelle Pulsar (7,51 Jahre) und CI24RE (6,13 Jahre) zeigten ein eher spätes Auftreten. Für das Auftreten einer Infektion der Implantatmodelle lag p unter 0,001, was für signifikante Unterschiede bezüglich des Zeitpunktes des Auftretens spricht. Die Elektrodenträgerbauart zeigte in Bezug auf eine Hörbeeinträchtigung und in Bezug auf das Auftreten einer Elektrodenträger bezogenen Komplikation, wie Tip fold-over, Migration oder inkomplette Insertion hoch signifikante (p < 0,001) Unterschiede. Elektrodenträgerbauformen wie Midscala, Straight und Slim Modiolar führten früh nach durchschnittlich einem (Slim Modiolar) bis 2,5 (Straight) Jahren zum ersten Auftreten von einem veränderten Höreindruck nach CI-Implantation. Etwas häufiger traten Probleme mit dem Elektrodenträger wie Tip fold-over, Migration oder inkomplette Insertion bei den Modellen Flex Soft und Helix auf, am häufigsten bei dem Modell Flex 24.
(H1) Bei Kindern traten signifikant (p < 0.001) häufiger implantatbezogene Entzündungen auf als bei Erwachsenen. In der Gruppe „Erstereignis“ hatten 66,0 % der Kinder und 23,7 % der Erwachsenen eine Entzündung. (H2) Das Vor-handensein einer Magnettasche an der Implantat-Empfänger-Spule führte nicht signifikant häufiger zum Auftreten einer Entzündung. (H3) Vorgekrümmte (engl. pre-curved) Elektrodenträger zeigten eine höhere Inzidenz für Tip fold-over als gerade Elektrodenträger. (H4) Gerade Elektrodenträger zeigten eine höhere Inzidenz für eine Migration des Elektrodenträgers. Insgesamt traten im betrach-teten Kollektiv „Erstereignis“ 11 Migrationen auf, 10 davon bei geraden Elektro-denträgern (p = 0,03).
Insgesamt führen Faktoren wie die Implantatmodelle, Elektrodenträgerbauformen, Alter des Patienten früher zum Auftreten von Komplikationen. Für zukünftige Studien wäre eine eigene Auswertung der noch relativ neuen (2012) Mittelohrimplantate interessant.
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.
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.
Background: During ECMO therapy ischemia of the limbs or internal organs are potential lethal complications. This study analyzed incidence and type of ischemic complications during ECMO therapy, divided in limb, mesenteric, cardiac and neurological ischemia.
Methods: In this single-center retrospective observational study data from 348 patients treated with veno-venous, veno-arterial or veno-venous-arterial ECMO at the Asklepios Klinik Langen between April 1st 2011 and March 31st 2020 was screened. 321 patients with diagnosis of acute respiratory distress syndrome, cardiogenic or septic shock were included.
Primary outcome variable was type of ischemic complication. Further variables were serum lactate levels 24h before and immediately after diagnosis of the ischemic complication, duration of ICU and hospital stay, ECMO therapy and duration of invasive ventilation and arterial blood gas analysis on day of admission to the ICU. Age, sex, ECMO mode, diagnosis, SAPS II, SOFA score, hospital mortality, the use of renal replacement therapy and tracheotomy, the occurrence of infections during the ICU stay and the need of CPR before ECMO implantation were recorded as well.
Results: 62/321 patients (19.3%) were diagnosed with an ischemic complication. Most common areas were limbs (n=32) and mesenteric ischemia (n=21). Patients who were diagnosed with a septic shock had the highest rate of ischemic complications (36.2%). In VV mode there was a difference in survival between patients with and without ischemic complication (p=0.025). Using multivariate logistic regression, age ≥50 years (p=0.029; OR=2.793; CI 1.109 – 7.033), use of hemodialysis (p=0.003; OR=3.283; CI=1.513 – 7.124) and initial diagnosis of a septic shock (p=0.049; OR=2.144; CI=1.003 – 4.583) could be identified as predictors for ischemic complications.
Conclusions: Ischemic complications are frequent during ECMO therapy. An age of at least 50 years, the use of hemodialysis and diagnosis of a septic shock were predictors of ischemic complications. No correlation between ECMO mode and ischemic complications was found. An influence of ischemic complications on survival could be found only in patients treated with VV mode.
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.
The vascular endothelium is a monolayer of endothelial cells that builds the inner lining of the blood vessels and constitutes a regulatory organ within the physiological system to sustain homeostasis. Endothelial cells participate in physiological processes including inflammation and angiogenesis. Dysregulation of these processes, however, can evoke or maintain pathological disorders, including cardiovascular and chronic inflammatory diseases or cancer. Although pathological inflammation and angiogenesis represent treatable conditions, current pharmacotherapeutic approaches are frequently not satisfying since their long-term application can evoke therapy resistance and thus reduced clinical efficacy. Consequently, there is an ongoing demand for the discovery of new therapeutic targets and drug leads. Considering that endothelial cells play a critical role in both angiogenesis and inflammation, the vascular endothelium represents a promising target for the treatment of diseases.
Vioprolide A is a secondary metabolite isolated from the myxobacterium Cystobacter violaceus Cb. vi35. Recently, vioprolide A was identified to interact with NOP14, a nucleolar protein involved in ribosome biogenesis. Ribosome biogenesis is an indispensable cellular event that ensures adequate homeostasis. Abnormal alterations in the ribosome biogenesis, referred to as ribosomopathies, however, can lead to an overall increase in the risk of developing cancer. Accordingly, several studies have outlined the involvement of NOP14 in cancer progression and metastasis, and vioprolide A has been demonstrated to exert anti-cancer effects in vitro. However, the impact of vioprolide A and NOP14 on the endothelium has been neglected so far, although endothelial cells are crucially involved in inflammation and angiogenesis under both physiological and pathological conditions.
In the present study, the effect of vioprolide A on inflammatory and angiogenic actions was analysed. In vivo, the laser-induced choroidal neovascularization (CNV) assay outlined a strong inhibitory effect of vioprolide A on both inflammation and angiogenesis. Furthermore, intravital microscopy of the cremaster muscle in mice revealed that vioprolide A strongly impaired the TNF-induced leukocyte-endothelial cell interaction in vivo.
In further experiments, the specific effect of vioprolide A on activation processes of primary human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) was examined. According to the in vivo results, vioprolide A decreased the leukocyte-endothelial cell interaction in vitro through downregulating the cell surface expression and total protein expression of ICAM-1, VCAM-1 and E-selectin. Vioprolide A evoked its anti-inflammatory actions via a dual mechanism: On the one hand, the expression of pro-inflammatory proteins, including TNFR1 and cell adhesion molecules, was lowered through a general downregulation of de novo protein synthesis. The inhibition of de novo protein synthesis is most likely linked to the interaction with and inhibition of NOP14 by vioprolide A in HUVECs. On the other hand, the natural product prevented the nuclear translocation and promotor activity of the pro-inflammatory transcription factor NF-ĸB. Interestingly, most anti-inflammatory compounds that interfere with the NF-ĸB signaling pathway prevent NF-ĸB nuclear translocation through recovering or stabilizing the inhibitory IĸB proteins. Vioprolide A, however, decreased rather than stabilized the IĸB proteins and prevented NF-ĸB nuclear translocation through interfering with its importin-dependent nuclear import. By performing siRNA-mediated knockdown experiments, we evaluated the role of NOP14 in inflammatory processes in HUVECs and could establish a causal link between the anti-inflammatory actions of vioprolide A and the deletion of NOP14.
Besides exerting anti-inflammatory actions, we found that vioprolide A potently decreased the angiogenic key features proliferation, migration and sprouting of endothelial cells. Mechanistically, the natural product interfered with pro-angiogenic signaling pathways. Vioprolide A reduced the protein level of growth factor receptors, including VEGFR2, which is the most prominent receptor responsible for angiogenic signaling in endothelial cells. This effect was based on the general inhibition of de novo protein synthesis by the natural product. Downregulation of growth factor receptors impaired the activation of downstream signaling intermediates, including the MAPKs ERK, JNK and p38. To our surprise, however, activation of Akt, another downstream effector of VEGFR2, was increased rather than decreased. Furthermore, vioprolide A lowered the nuclear translocation of the transcriptional coactivator TAZ, which is regulated by the evolutionary conserved Hippo signaling pathway. Interestingly, however, and in contrast to NF-ĸB, TAZ nuclear translocation in mammalian cells seems to be independent of importins. In this context, we found that vioprolide A reduced both the protein level and nuclear localization of MAML1, which is needed to retain TAZ in the nucleus after its successful translocation.
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Terpenes are one of the largest and most diverse class of natural products, produced by organisms from all kingdoms of life and with important applications in the pharma, flavor and fragrance industries. Well-known examples of terpenes are the pharmaceuticals artemisinin and taxol, the flavor and fragrance compounds menthol, santalol and sclareol, the structural material polyisoprene and the biofuel precursor farnesene. The methods and results presented in this work offer a variety of ways to modify terpene precursors for the creation of new terpene molecules. The application of these methodologies in well-established production systems could lead to the production of new substances, with applications in the industrial fields of pharmaceuticals, flavors and fragrances, and biofuels.
Hintergrund: Die ASA-Klassifikation wurde 1941 von den Anästhesisten Saklad, Rovenstine und Taylor gegründet und seither mehrfach überarbeitet, zuletzt 2014 und 2020 durch Hinzunahme von Beispieldiagnosen durch die ASA. Sie bietet eine prägnante Zusammenfassung des präoperativen Gesundheitsstatus des Patienten anhand von sechs Klassen. Je schwerer die Vorerkrankungen eines Patienten sind, desto höher die Klasse und desto mehr anästhesiologische Aufmerksamkeit sollte dem Patienten prä-, intra- und postoperativ gewidmet werden. Ziel der Untersuchung war es, die Reproduzierbarkeit jenes Klassifizierungssystems anhand der Interrater-Reliabilität zu bestimmen sowie ihre prädiktive Validität zu überprüfen.
Methoden: In die vorliegende Studie wurden 684 allgemeinchirurgische Patienten >18 Jahre (Frauen 43%) eingeschlossen. Es erfolgte die Klassifizierung sämtlicher Patienten durch drei Gruppen: Chirurgen, Anästhesisten sowie ein Board bestehend aus einer Oberärztin der Chirurgie und einem Oberarzt der Anästhesie. Die Interrater-Reliabilität zwischen allen drei Rater-Gruppen sowie zwischen je zwei der Gruppen wurde mittels Kappa-Statistik (Fleiss‘ Kappa) berechnet. Weiterhin wurde in einer Subgruppenanalyse die Interrater-Reliabilität bei Bewertung onkologischer Patienten und Patienten ohne Malignom, bei multimorbiden sowie bei geriatrischen Patienten untersucht. Ferner wurde der Einfluss der Arbeitserfahrung (Assistenzarzt vs. Facharzt) auf den Grad der Übereinstimmung untersucht. Zur Überprüfung der prädiktiven Validität der Klassifikation wurde eine Korrelationsanalyse nach Spearman zwischen ASA-Status und Komplikationsklassifikation nach Clavien-Dindo (CDC) durchgeführt.
Ergebnisse und Beurteilung: Die Interrater-Reliabilität zwischen allen Ratern (κ = 0,28, CI 0,21-0,34, p < 0,0001) und zwischen jeweils zwei der Rater-Gruppen ergab eine ausreichende Übereinstimmung (Chirurgen vs. Anästhesisten: κ = 0,25, CI 0,19-0,30, Chirurgen vs. ASA-Board: κ = 0,21, CI 0,15-0,27 und Anästhesisten vs. ASA-Board: κ = 0,36, CI 0,30-0,43, jeweils mit p < 0,0001). Der höchste Grad an Übereinstimmung war zwischen den Anästhesisten und dem ASA-Board zu verzeichnen.
Die Subgruppenanalyse im Vergleich onkologischer und nicht-onkologischer Patienten erbrachte einen niedrigeren Grad an Übereinstimmung in der Gruppe der Patienten mit Malignom (κ = 0,18, CI 0,10-0,26 vs. κ = 0,38, CI 0,29-0,47, jeweils mit p<0,0001). Der Faktor Multimorbidität (κ = 0,19, CI 0,1-0,28, p = 0,00004) sowie ein hohes Patientenalter ≥ 75 Jahre (κ = 0,19, CI 0,03-0,34, p = 0,02) gingen ebenfalls mit einer geringeren Übereinstimmung einher.
Mit steigender Berufserfahrung zeigte sich in der Gruppe der Chirurgen eine höhere Übereinstimmung zwischen den Ratern und dem ASA-Board (Assistenzärzte κ = 0,20, CI 0,13-0,26, p < 0,0001, Fachärzte κ = 0,32, CI 0,12-0,51, p = 0,002), in der Gruppe der Anästhesisten zeigte sich kein nennenswerter Unterschied zwischen jungen und erfahrenen Ärzten (Assistenzärzte κ = 0,37, CI 0,29-0,44, Fachärzte κ = 0,35, CI 0,24-0,46, jeweils p < 0,0001). Es zeigte sich in der hiesigen Arbeit eine Korrelation zwischen ASA-Status und CDC (ϱ = 0,11, CI 0,04-0,19, p = 0,003).
Schlussfolgerung: Vorteil der ASA-Klassifikation ist ihre einfache Erhebung ohne die Notwendigkeit aufwändiger Diagnostik. Sie erweist sich als valides Tool zur Erhebung des präoperativen Gesundheitsstatus der Patienten und korreliert mit den postoperativen Komplikationen. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre schwache Reproduzierbarkeit aufgrund ihrer Subjektivität und Untersucherabhängigkeit. Faktoren wie onkologische Begleiterkrankungen, Multimorbidität sowie ein hohes Patientenalter sind schwierig zu kategorisieren und führen zur Verunsicherung der Bewerter. Sie sollten im Beispielkatalog der ASA aufgeführt werden, was die Reproduzierbarkeit erleichtern könnte. Wie auch bereits durch einschlägige Vorstudien aufgezeigt wurde, wäre grundsätzlich eine Überarbeitung der ASA-Klassifikation wünschenswert.
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.
This thesis explores the phase diagrams of the Nambu--Jona-Lasinio (NJL) and quark-meson (QM) model in the mean-field approximation and beyond. The focus lies in the investigation of the interplay between inhomogeneous chiral condensates and two-flavor color superconductivity.
In the first part of this thesis, we study the NJL model with 2SC diquarks in the mean-field approximation and determine the dispersion relations for quasiparticle excitations for generic spatial modulations of the chiral condensate in the presence of a homogeneous 2SC-diquark condensate, provided that the dispersion relations in the absence of color superconductivity are known. We then compare two different Ansätze for the chiral order parameter, the chiral density wave (CDW) and the real-kink crystal (RKC). For both Ansätze we find for specific diquark couplings a so-called coexistence phase where both the inhomogeneous chiral condensate and the diquark condensate coexist. Increasing the diquark coupling disfavors the coexistence phase in favor of a pure diquark phase.
On the other hand, decreasing the diquark coupling favors the inhomogeneous phase over the coexistence phase.
In the second part of this thesis the functional renormalization group is employed to study the phase diagram of the quark-meson-diquark model. We observe that the region of the phase diagram found in previous studies, where the entropy density takes on unphysical negative values, vanishes when including diquark degrees of freedom. Furthermore, we perform a stability analysis of the homogeneous phase and compare the results with those of previous studies. We find that an increasing diquark coupling leads to a smaller region of instability as the 2SC phase extends to a smaller chemical potential. We also find a region where simultaneously an instability occurs and a non-vanishing diquark condensate forms, which is an indication of the existence of a coexistence phase in accordance with the results of the first part of this work.
In contrast to Japan and the “dragon economies,” the Philippines has not been able to partake in the “Asian Economic Miracle.” In short, the Philippines does not classify as a developmental state which exercises strategic industrial policies as traced in Japan, South Korea, Taiwan and Singapore. In fact, even its Southeast Asian neighbors Malaysia, Thailand and Indonesia had economically outdone the Philippines by the 1980s even though their prospects were much worse than those of the Philippines in the 1950s. And while the Philippine economy has been experiencing an upsurge in recent years, it is still significantly lagging behind regional standards—especially with regard to industrial development. From a political economy perspective, it is of key interest in how far the Philippine state has been contributing to this subpar development. In order to explore the ongoing Philippine development dilemma, the study thus offers a comprehensive analysis of the Philippines’ industrial policies, based on distinct government–business relations and patterns of social embeddedness. In addition to assessing the Philippines’ industrial policies and their embeddedness in general, two of the Philippines’ main export industry sectors—textile/garments and electronics—are examined. In this manner, the study contributes to the analysis of the political economy of economic development in the Philippines and provides insights on the prospects and limits of industrial policy in the Southeast Asian context.
Diese retrospektive Arbeit aus 7 Jahren Schockraumdiagnostik hatte zum Ziel das diagnostische Potential des Glascow Coma Scales (GCS), des Unfallmechanismus, der Unfallschwere und der klinischen Untersuchung in Bezug auf die Indikationsstellung der Ganzkörper-Computertomographie (GKCT) bei polytraumatisierten Kindern zu untersuchen.
Dazu wurden 100 Kinder, die in dem Zeitraum zwischen Juli 2007 und November 2016 einer GKCT unterzogen wurden, strukturell in Bezug auf Alter, Geschlecht, Unfallmechanismus, Unfallschwere, initiale GCS-Werte und bei Aufnahme, Ergebnisse der klinischen Untersuchung und FAST-Sonografie, ISS und Dosimetrie analysiert. Korrelationen zwischen allen klinischen Variablen und detektierter Pathologien in der GKCT wurden berechnet.
Das mittlere Alter betrug 9,13 ± 4,4 Jahre (72% männliche und 28% weibliche Patienten). Bei 71% aller Patienten konnten relevante Verletzungen in der GKCT nachgewiesen werden. Mit 43% war der Kopf/Hals-Bereich am häufigsten betroffen. Es zeigte sich keine signifikante Korrelation zwischen dem Unfallmechanismus und der Verletzungsschwere, gemessen anhand des ISS (p>0,1), auch nicht zwischen der Unfallschwere und der Verletzungsschwere. Jedoch erschienen schwere Traumata nach mildem Unfallhergang und ohne Auffälligkeiten in der klinischen Untersuchung unwahrscheinlich. In diesen Fällen sollten selektive CT-Untersuchungen einzelner Körperregionen der GKCT vorgezogen werden, um die Strahlenexposition zu reduzieren. In diesem Zusammenhang zeigte der GCS-Wert bei Aufnahme ein gutes diagnostisches Potential in Bezug auf kraniozerebrale Pathologien. Daher empfehlen wir die Durchführung einer kranialen CT ab einem GCS-Wert von ≤ 13. Bezogen auf andere Körperregionen war der GCS nicht als zuverlässiger Index dienlich. Die Kombination aus Unfallschwere, äußeren Verletzungserscheinungen und dem thorakalen Auskultationsbefund eignete sich am besten zur Identifikation von thorakalen Pathologien. Im Bereich des Abdomens zeigten die Ergebnisse der FAST-Sonografie in Kombination mit muskulärer Abwehrspannung die besten Vorhersagewerte. Keine der getesteten Variablen ergab alleinstehend einen signifikanten Vorhersagewert für die diagnostizierten Pathologien in der GKCT. Auf Grund dessen sollte die Indikation zur GKCT bei polytraumatisierten Kindern stets individuell und anhand der Ergebnisse aller klinischer Variablen und Untersuchungen gestellt werden. Weitere Studien erscheinen sinnvoll, um die Auswirkung der diagnostizierten Pathologien in der GKCT auf das Notfallmanagement, die Interventionsbedürftigkeit und das finale Outcome der Kinder zu untersuchen.
The postthrombotic syndrome (PTS) is beside the venous thromboembolism (VTE) recurrence and chronic thromboembolic pulmonary hypertension (CTEPH) a long-term adverse outcome and chronic complication of deep vein thrombosis (DVT) in the lower extremities and can occur in up to 20–50% of patients within 2 years after DVT. The prevalence of PTS in the adult population is expected to increase due to the growing incidence of VTE in the elderly. Although not life threatening it can impose significant morbidity and can be associated with a negative impact on quality of life associated with disease severity. From an economic point of view, PTS is an important predictor of increased health care costs after VTE.
Factors potentially related to the development of the PTS are older age, obesity, a history of previous ipsilateral DVT, iliofemoral location of the current thrombosis, failure to promptly recover from the acute symptoms and insufficient quality of oral anticoagulant therapy. Furthermore, it is known that the severity of PTS correlates with the location of the DVT, the more proximal the more severe.
PTS induces a range of symptoms and clinical signs, which can be assessed in different scales. The Villalta scale is one of the most suitable scales for defining the presence and severity of subjective symptoms and physical signs of PTS.
In the last century, various therapeutic strategies have been developed to prevent mortality due to VTE or long-term morbidity due to PTS.
Conservative treatment today consists of anticoagulation - usually using direct oral anticoagulants - and compression therapy. One of the first invasive treatments with the aim of thrombus removal was surgical venous thrombectomy by Läwen in 1938. Mahorner and Fontaine improved the technique in the 1950s combining it with a course of anticoagulant treatment to prevent rethrombosis and PTS.
Mechanical thrombectomy by the use of Fogarty balloons, which started in 1963, or the creation of a transient arteriovenous fistula, performed since 1974, are now no longer recommended due to the high invasiveness, risk of fatal intraoperative embolism and a high rethrombosis rate.
In current practice, early thrombus removal mainly relies on the use of catheter-directed pharmacologic thrombolytic therapy. Another approach currently is the endovenous, device-driven thrombectomy and stenting in case of venous obstruction. There is an ongoing broad discussion as to whether these invasive therapies should be offered to patients with iliofemoral thrombosis (IFT), which remains controversial.
IFT, the major target for endovenous thrombectomy respectively pharmacologic thrombolytic therapy, is not enough represented in current literature because the used definition of proximal DVT does not necessarily include the iliac veins. In consequence, it may not be representative enough concerning questions like prevalence and severity of PTS or the effects on quality of life.
The present registry – the Iliaca-PTS registry – addresses exactly these patients and tries to answer these questions. The data of 85 patients who had suffered an IFT in the past were evaluated in the prospective registry documenting the severity of PTS, the occurrence of iliac vein compression syndrome in left-sided IFT and quality of life. A significant predictor for the development of severe PTS or venous claudication in our patient population is a high BMI.
The results of this registry show that IFT is frequently observed and only ten percent develop a moderate or severe PTS respectively venous claudication. In conclusion, the conservative treatment strategy with optimal effective anticoagulant therapy can lead to a low incidence of PTS and a high quality of life.
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.
Global biodiversity is changing rapidly and contemporary climate change is an important driver of this change. As climate change continues, the challenge is to understand how it may affect the future of biodiversity. This is relevant to informing policy and conservation, but it requires reliable future projections of biodiversity. Biodiversity is the variety of life on Earth which includes the diversity of species. The species on Earth are linked in diverse networks of biotic interactions. Interacting species can respond differently to climate change. This can cause spatial or temporal mismatches between interacting species and result in secondary extinctions of species that lose obligate interaction partners. Yet, accounting for biotic interactions in biodiversity projections remains challenging. One way to address this challenge is the use of trait-based approaches because the impact of climate change on interacting species is influenced by species’ functional traits, i.e., measurable characteristics of the species that influence their abiotic and biotic interactions. First, species’ functional traits influence how species respond to climate change. Second, they influence whether the species find compatible interaction partners in reshuffled species assemblages under climate change. Thus, the overarching aim of this dissertation was to explore how trait-based approaches can increase our understanding of how climate change might affect interacting species. For this, I focussed on interactions between fleshy-fruited plants and avian frugivores along a tropical elevational gradient.
I investigated three principal research questions. First, I investigated how traits related to the sensitivity of avian frugivores to climate change and their adaptive capacity vary along elevation and covary across species. I combined estimates of species’ climatic niche breadth (approximating species’ sensitivity) with traits influencing species’ dispersal ability, dietary niche breadth and habitat niche breadth (aspects of species’ adaptive capacity). Species’ climatic niche breadth increased with increasing elevation, while their dispersal ability and dietary niche breadth decreased with increasing elevation. Across species, there was no significant relationship of the sensitivity of the avian frugivores to climate change and their adaptive capacity. The opposing patterns of species’ sensitivity to climate change and their adaptive capacity along elevation imply that species from assemblages at different elevations may respond differently to climate change. The independence between species’ sensitivity and adaptive capacity suggests that it is important to account for both sensitivity and adaptive capacity to fully understand how climate change might affect biodiversity.
Second, I assessed how climate change might influence the co-occurrence of interaction partners with compatible traits, i.e., the functional correspondence of interacting species. I integrated future projections of species’ elevational ranges considering different vertical dispersal scenarios with analyses of the functional diversity of interacting species assemblages. The functional correspondence of fleshy-fruited plants and avian frugivores was lowest if plant and bird species were projected to contract their ranges towards higher elevations in response to increasing temperatures. Contrastingly, if species were projected to expand their ranges upslope, the functional correspondence remained close. The low functional correspondence under a scenario of range contraction indicates that plant species with specific traits might miss compatible interaction partners in future assemblages. This could negatively affect their seed dispersal ability. These results suggest that ensuring the integrity of biotic interactions under climate change requires that species can shift their ranges upslope unlimitedly.
Third, I examined whether avian seed dispersal is sufficient for plants to track future temperature change along the elevational gradient. With a trait-based modelling approach, I simulated seed-dispersal distances avian frugivores can provide to fleshy-fruited woody plant species and quantified the number of long-distance dispersal events the plant species would require to fully track projected temperature shifts along elevation. Most plant species were projected to require several long-distance dispersal events to fully track the projected temperature shifts in time. However, the number of required long-distance dispersal events varied with the degree of trait matching and plant species’ traits. These findings suggest that avian seed dispersal is insufficient for plants to track future temperature change along the elevational gradient as woody plant species might not be able to undergo several consecutive long-distance dispersal events within a short time window, due to their long maturation times. These results also imply that the ability of bird-dispersed plant species to track climate change is associated with the specialization of the seed dispersal system and with plant species’ traits.
Trait-based approaches are promising tools to study impacts of climate change on interacting species. The trait-based approaches that I have developed in this thesis are applicable more widely, e.g., to other types of biotic interactions, or to assess the effects of other drivers of global change. Moreover, these approaches may be further developed to model changes in biotic interactions under global change more dynamically. Taken together, I have shown how a trait-based perspective could help to account for biotic interactions in biodiversity projections. The development of such approaches and the gained knowledge are urgently needed to facilitate the conservation of biodiversity in a rapidly changing world.
Despite all advancements in cancer research and clinical practice, cancer remains a life- threatening disease with an increasing incidence. According to a 2018 WHO forecast, cancer incidence will double to approximately 37 million new cancer cases by 2040. Today, clinical management of cancer is based on a "one-fits-all" strategy. Most cancers are still treated by surgical therapy followed by adjuvant or neoadjuvant chemotherapy based on rather strict guidelines (S3 guidelines in Europe) which are based on studies of large cohorts of patients with the same tumor entity. While this approach has led to substantial increases in progression-free survival and overall patient survival, most patients do not benefit from the administered treatment regimen. One reason for this is intra-tumor heterogeneity, which results from clonal evolution between cancer cells and their environment. This means that cancer patients may respond differently to a particular drug due to the different mutation patterns of their tumor cells. Therefore, patients should be screened in advance for reliable cancer biomarkers that definitively predict whether they will respond to a particular therapy. This would increase the probability of a successful treatment.
Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer and the second leading cause of cancer deaths worldwide. The main cause of death in CRC is a metastatic disease, which is presented in 20 % of patients and eventually develops in more than 30 % of early-stage patients. Despite the significant increase (to more than 30 months) in median survival with the development of cytotoxic agents and the introduction of targeted therapy, the progression-free survival in the first-line setting has remained largely unchanged over the past decade.
The heterogeneity in CRC is characterized by alterations in multiple signaling pathways that affect cellular functions such as cell proliferation or apoptosis. Commonly affected signaling pathways include the mitogen-activated protein kinase (MAPK)- and the transforming growth factor-β/bone morphogenetic protein (TGF-β/BMP)-pathway. Alterations in the TGF-β/BMP pathway, due to mutations in the SMAD4 gene (mothers against decapentaplegic homolog 4), are associated with different drug response and promote resistance to chemotherapy. In addition, they are associated with a higher recurrence rate.
SMAD4 is one of the most common cancer driver genes, and mutations occur in up to 15 % of CRC cases. Therefore, there is an urgent need for therapeutic agents that can specifically target SMAD4-mutated tumors.
The aim of the present study was the identification of the clinical relevance of the SMAD4 gene and the investigation of its suitability as a potential biomarker in CRC.
For this purpose, I investigated sibling patient-derived organoids (PDOs) derived from different regions of a chemo-naïve CRC tumor. PDOs are 3D cell cultures that reliably recapitulate the architecture of the tissue of origin, as well as preserve the genomic background and intra-tumor heterogeneity. The sibling PDOs (R1R361H and R4wt) shared the most common CRC mutations, such as KRASG12D (kirsten rat sarcoma), PIK3CAH1047R (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase, catalytic subunit alpha), and TP53C242F (tumor protein 53), but differed in a SMAD4R361H mutation and showed a different drug response. The single nucleotide variant R361H of the SMAD4 gene is among the most common pathogenic alterations in various cancers, including CRC.
The sibling PDOs showed significant differences in response to the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. MEK-inhibitors are antineoplastic agents that inhibit the function of MEK1 and MEK2, preventing phosphorylation of transcription factors, which leads to inhibition of tumor cell proliferation. MEK-inhibitors are approved for the treatment of malignant melanoma. Currently, they are in phase-III clinical trials for the treatment of patients with metastatic CRC.
To investigate whether SMAD4R361H is responsible for sensitivity to MEK-inhibitors, Iestablished three syngeneic PDOs harboring a SMAD4R361H mutation using the CRISPR/Cas9 genome editing system. All CRISPR-PDOs were significantly more sensitive to the MEK-inhibitors, compared to R4wt. I have shown that the SMAD4R361H mutation is responsible for sensitivity to MEK inhibition in CRC models and may be a predictive biomarker.
To test this hypothesis, I examined 62 CRC PDO models and treated them with the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. All models that had a pathogenic mutation or deletion in the SMAD4 gene (15 %) were sensitive to cobimetinib, 10 % of models were sensitive to trametinib, and 8 % were sensitive to selumetinib.
I performed transcriptome (RNA sequencing) and proteome analyses using the DigiWest® method to investigate the mechanism underlying MEK-inhibitor sensitivity.
DigiWest® is a Luminex® bead-based analysis that allows the simultaneous analysis of over 100 (phospho-)proteins. The transcriptome and proteome data support the observation that MEK inhibition primarily affects SMAD4R361H PDOs. Furthermore, I have shown that activation of the BMP signaling pathway in organoids with wild-type SMAD4 appears to be responsible for resistance to MEK-inhibitors. Thus, a genetic alteration in the BMP signaling pathway, beyond SMAD4, could lead to sensitivity to MEK-inhibitors.
I identified four genes involved in the TGF-β/BMP signaling pathway that are frequently mutated in CRC and grouped them into the so-called SFAB-signature (SMAD4, FBXW7 (F-box/WD repeat-containing protein 7), ARID1A (AT-rich interactive domain-containing protein 1A), or BMPR2 (Bone morphogenetic protein receptor type II). Clinical data show that approximately 36 % of CRC patients have at least one pathogenic mutation in these genes.
I tested all 62 CRC PDO models and found a significant positive prediction for sensitivity to cobimetinib (95 %) and selumetinib (70 %) for the SFAB-signature. Trametinib and the newly approved MEK-inhibitor binimetinib showed a similar trend. Therefore, the SFAB-signature has high predictive power for response to MEK-inhibitors and could be used as a predictive biomarker panel.
The current clinically used biomarkers for CRC are based on the mutation status of driver genes KRAS and BRAF, which are present in up to 50 % and 10 % of CRC, respectively. Investigation of molecular alterations in CRC revealed that mutations in the KRAS gene, which is downstream of EGFR (epidermal growth factor receptor) in the MAPK-pathway, interfere with an anti-EGFR-antibody therapy (e.g., cetuximab). Therefore, cetuximab is only relevant for RAS wild-type tumors. However, approximately 40 % of patients with RAS wild-type status do not respond to this treatment.
About 53 % of CRC PDO models carry a pathogenic RAS mutation, about 10 % harbor a pathogenic BRAF mutation. Both, the RAS and RAF status alone as well as the combination of RAS and RAF status with SFAB-signature did not provide a better prediction of sensitivity to MEK inhibition.
Viele Gruppen der Lebewesen, insbesondere Insekten breiten sich durch steigende Temperaturen zunehmend in Gebieten aus, in denen sie ursprünglich nicht vorkommen(Novikov und Vaulin 2014; Bebber 2015). Hierbei ist die steigende Temperatur in
verschiedenen Gebieten der Hauptfaktor für Expansionen dieser Arten in Richtung des nördlichen Polarkreises. Einige dieser Arten sind sehr tolerant für verschiedene Variablen und können damit ihr Verbreitungsgebiet deutlich nach Norden hin ausdehnen. Aufgrund steigender Temperaturen werden jedoch andere Arten in ihrem Verbreitungsgebiet eingeschränkt oder ihre Verbreitung verschiebt sich in nördliche Richtung (Ogden und Lindsay 2016; Lawler et al. 2009). Auch für die Verbreitung von Krankheiten spielen Temperaturen, Ausbreitungen oder Verbreitungsverschiebungen eine wichtige Rolle (Mordecai et al. 2019).
So können, durch die Etablierung der passenden Vektoren, bisher nur in wärmeren Gebieten auftretende Krankheiten zukünftig auch in unseren Breitengraden eingeschleppt und
verbreitet werden. Bremsen, invasive Stechmücken aber auch einheimische Mücken tragen alle ein Potential,verschiedenste Krankheitserreger zu verbreiten, auch wenn die Eignung als
Vektor für jede Art unterschiedlich groß ausfällt und manche Arten daher kaum beobachtet und untersucht werden. Mit dem Augenmerk auf sich ändernde Verbreitungsgebiete hinsichtlich zukünftigen klimatischen Veränderungen und sich wandelnden anthropogenen Einflüssen sollten jedoch auch Arten mit bisher geringem Vektorpotential mit in Beobachtungsprogramme aufgenommen werden.
Wir untersuchten in Projekt I auf kontinentaler Skala die Verbreitung von sechs verschiedenen Bremsenarten und konnten sowohl Rückschlüsse auf eine mangelhafte Beobachtung der
Arten ziehen als auch Artpräferenzen hinsichtlich der Landschaftsnutzung, Auswirkungen des Klimas auf die Verbreitung der Art und bisher unbekannte Toleranzen hinsichtlich tiefen Temperaturen und äußerst verkürzten Wärmeperioden aufdecken. Eine Größenordnung niedriger wurde in Projekt II, basierend auf aktuellen und Vergangenen Klimadaten, die zukünftige und aktuelle Verbreitung einer invasiven, sich zukünftig ausbreitenden Stechmückenart innerhalb Deutschlands modelliert. Durch bisherig im Untersuchungsgebiet nur begrenztes Auftreten konnten noch keine Rückschlüsse auf die unterschiedlichen Präferenzen für das Habitat gezogen werden, es können jedoch für zukünftige Berechnungen Habitatpräferenzen aus anderen Gebieten hinzugezogen werden um die Art und ihre fortschreitende Ausbreitung genauer zu beobachten. Auf der kleinsten untersuchten Ebene konnten in Projekt III innerhalb eines Mikrohabitates verschiedenste Rückschlüsse auf limitierende oder förderliche abiotische Faktoren, die teilweise bisherig nicht oder nur geringfügig beobachtet wurden, gezogen werden. Ebenfalls konnten Auswirkungen der umgebenden Landschaft auf die Abundanzen der Tiere beobachtet werden. Mithilfe von verschiedenen Modellen und in Abhängigkeit von Klimakarten, Landbedeckungsdaten und Landnutzung sowie Eigenschaften und Toleranzen der untersuchten Arten lassen sich in verschiedenen Größenordnungen geeignete Habitate von einheimischen sowie invasiven Arten identifizieren und zukünftige Verbreitungen effizient vorhersagen.
Insgesamt können, basierend auf all diesen Daten, dadurch für alle untersuchten Faktoren Modelle auf andere Gebiete übertragen werden um somit potentielle Verbreitungen dort
vorherzusagen. Auf unseren Daten basierend können so zum Beispiel Modellierungen für die potentielle Ausbreitung der untersuchten Tabaniden innerhalb anderer Kontinente berechnet werden und Monitoringprogramme können die Ergebnisse unserer Studie als Startpunkt aufgreifen, um durch Beprobung an modellierten Standorten die Korrektheit unserer Modelle zu überprüfen und sowohl Landschaftstypen als auch Artzusammensetzung aufzunehmen um das Modell zu bestätigen oder zu verbessern. Die Modellierung der invasiven Art Aedes albopictus bietet die Möglichkeit, diese Art in Zukunft innerhalb der möglichen Ausbreitungskorridore genauer zu beobachten um ihre fortschreitende Verbreitung zu
verifizieren oder eventuelle Änderungen des klimatischen Verlaufes mit einzubinden und das Modell anzupassen. Die Untersuchung des Mikrohabitats von Culex pipiens pipiens und Culex torrentium bietet, auch hinsichtlich anderer Arten in diesem Habitat, eine potente Methode, Vorhersagen für Artvorkommen innerhalb anderer Unterirdischen Objekte zu berechnen. Hier können, bei ausreichend großer Datenlage, eine Vielzahl von Faktoren in die Auswertung mit einfließen.
Die durchgeführten Studien bestätigen die Notwendigkeit für verbesserte Monitoringkonzepte für alle vektorkompetenten Tiergruppen hinsichtlich der sich ändernden klimatischen Bedingungen, des globalen Handels und die sich wandelnde Nutzung der Landschaften durch den Menschen und darin begründete Veränderungen der Artenzusammensetzung eines Habitates, zeigen Möglichkeiten, diese Konzepte mit bisher
ungenutzten Daten aufzubauen und zu verbessern und können gleichzeitig zu deren Verbesserung herangezogen werden.
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.
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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Hämophilie A (HA) ist eine X-chromosomal-rezessiv vererbte Blutgerinnungsstörung mit einem vollständigen Fehlen oder einem funktionellen Defizit des Gerinnungsfaktors VIII (FVIII). Trotz der Therapiefortschritte innerhalb der letzten Jahre, zeigen HA-Patienten auch unter der regelmäßigen FVIII-Substitutionstherapie weiterhin multiple Komplikationen, einschließlich Gelenkschäden, Entstehung einer Immunantwort (Hemmkörper) und reduzierter Lebensqualität. Im Gegensatz zu den bisherigen Therapieoptionen stellt die Gentherapie (GT) die vielversprechende Möglichkeit einer dauerhaften Anhebung des FVIII-Spiegels bis hin zur Heilung der HA in Aussicht.
In der vorliegenden Arbeit konnte ein geeignetes HA-Zellmodell auf Basis der primären humanen hepatischen sinusoidalen Endothelzellen (HHSEC) etabliert werden, um die zukünftige Erforschung einer SaCas-CRISPR-basierten HA-GT in vitro zu evaluieren, sowie wichtige Erkenntnisse für weiterführende Arbeiten gewonnen werden.
Mittels stabiler Integration des Doxycyclin-induzierbaren large T-Onkogens konnte eine gut charakterisierte, immortale HHSEC_LT-Zelllinie hergestellt werden, welche funktionalen FVIII exprimiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Immortalisierung in Abhängigkeit von Doxycyclin für weiterführende Experimente in der Zellkultur essenziell ist, um Stressreaktionen der HHSEC, aufgrund ra-scher Seneszenz und Apoptose, zu umgehen.
Im weiteren Verlauf des GT-Projektes sollten verschiedene HHSEC-F8-Mutations-Zelllinien hergestellt werden. Neben der Gensequenzierung wurden in der vorliegenden Arbeit mehrere in Betracht kommende FVIII-Detektionsverfahren getestet, um den Erfolg einer eingeführten F8-Genmutation in HHSEC sowie ihrer anschließenden Reparatur im weiteren Verlauf des GT-Projektes auch auf Proteinebene zu demonstrieren. Hierbei konnte gezeigt wer-den, dass für die vorliegende Fragestellung sich insbesondere die Immunfluoreszenz- (IF-) Mikroskopie und die Quantifizierung der FVIII-Aktivität (FVIII:C) mittels aPTT-basierter Messung zur spezifischen Detektion von FVIII in HHSEC bewähren.
In Anlehnung an patientenspezifische F8-Genmutationen mit einem Frameshift-Effekt wurden fünf verschiedene sgRNA/SaCas9-CRISPR-Expressionsvektoren konstruiert und mittels lentiviralem Gentransfer in die immortalisierten HHSEC stabil transduziert. Nach PCR-Amplifikation der betreffenden genomischen Loci dieser fünf verschiedenen stabil transduzierten HHSEC-F8-Mutations-Zelllinien zeigte die anschließende Sequenzierung, dass vier der fünf hergestellten Konstrukte Genveränderungen mit potenziellen Frameshift-Effekten in HHSEC generieren konnten, wovon zwei sehr gute Ergebnisse erzielten. Korrelierend zu den Sequenzierergebnissen konnten ebenfalls Verminderungen der FVIII-Fluoreszenzintensität mittels mikroskopischer IF-Aufnahmen sowie der FVIII:C mittels aPTT-basierter Messung dargestellt werden.
Weiterhin konnte bei der Beurteilung des morphologischen Erscheinungsbildes der stabil transduzierten HHSECs eine optisch veränderte Zellmorphologie sowie ein Wachstumsnachteil innerhalb der beiden Zellpools mit den höchst erreichten Indel-Raten und der niedrigsten FVIII:C beobachtet werden. Diese Beobachtungen erlaubten die Formulierungen neuartiger, vielversprechender Hypothesen in Bezug auf das Grundverständnis der HA-Erkrankung.
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.
Analysing survival or fixation probabilities for a beneficial allele is a prominent task in the field of theoretical population genetics. Haldane's asymptotics is an approximation for the fixation probability in the case of a single beneficial mutant with small selective advantage in a large population.
In this thesis we analyse the interplay between genetic drift and directional selection and prove Haldane's asymptotics in different settings: For the fixation probability in Cannings models with moderate selection and for the survival probability of a slightly supercritical branching processes in a random environment.
In Chapter 3 we introduce a class of Cannings models with selection that allow for a forward and backward construction. In particular, a Cannings ancestral selection process can be defined for this class of models, which counts the number of potential parents and is in sampling duality to the forward frequency process. By means of this duality the probability of fixation can be expressed through the expectation of the Cannings ancestral selection process in stationarity. A control of this expectation yields that the fixation probability fulfils Haldane's asymptotics in a regime of moderately weak selection (Thm. 8).
In Chapter 4 we study the fixation probability of Cannings models in a regime of moderately strong selection. Here couplings of the frequency process of beneficial individuals with slightly supercritical Galton-Watson processes imply that the fixation probability is given by Haldane's asymptotics (Thm. 9).
Lastly, in Chapter 5 we consider slightly supercritical branching processes in an independent and identically distributed random environment and study the probability of survival as the number of expected offspring tends from above to one. We show that only if variance and expectation of the random offspring mean are of the same order the random environment has a non-trivial influence on the probability of survival, which results in a modification of Haldane's asymptotics. Out of the critical parameter regime the population goes extinct or survives with a probability that fulfils Haldane's asymptotics (Thm. 10).
The proof establishes an expression for the survival probability in terms of the shape function of the random offspring generating functions. This expression exhibits similarities to perpetuities known from a financial context. Consequently, we prove a limiting theorem for perpetuities with vanishing interest rates (Thm. 11).
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.
Get3 in Arabidopsis
(2021)
Der guided entry of tail-anchored proteins (GET) Biogenese-Weg vermittelt den Transport und die Insertion von tail-anchor (TA) Proteinen in die Doppellipidschicht des Endoplasmatischen Retikulums (ER). TA Proteine sind dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Transmembran Domäne (TMD) in den letzten 50 Aminosäuren ihrer Sequenz beherbergen. Diese TMD enthält die notwendigen Informationen, mit denen die Proteine an ihren jeweiligen subzellulären Zielort transportiert werden können. TA Proteine erfüllen eine Vielzahl von essentiellen biologischen Prozessen, sie fungieren zum Beispiel als Rezeptoren, sind maßgeblich an der Fusion von Vesikeln beteiligt sowie an der Initiation von Apoptose. Durch ihren modularen Aufbau können TA Proteine nicht mit dem Signalerkennungspartikel interagieren und müssen deshalb posttranslational zum ER geleitet werden. Im Modellorganismus Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) ist der GET Biogenese-Weg am besten beschrieben und läuft wie folgt ab: Nach der Termination der Translation bindet das Protein SgtA das TA Protein und händigt es über den Adapter-Komplex, bestehend aus Get4 und Get5, an die zytosolische ATPase Get3 aus. Get3 ist der zentrale Zielsteuerungsfaktor des GET Biogenese-Weges. Sobald sich ein Komplex aus Zeilsteuerungsfaktor und TA Protein gebildet hat, wird dieses zur Membran des ERs überführt. Dort wird das TA Protein an den Rezeptorkomplex bestehend aus Get1 und Get2 übergeben, welcher anschließend die Insertion des TA Proteins in die Doppellipidschicht des ERs initiiert.
Get3 hat im zellulären Kontext noch eine weitere Funktion. Unter oxidativem Stress oder Energie depletierenden Bedingungen wird Get3 zu spezifischen Foci rekrutiert, an denen sich noch weitere durch Stress -induzierbare Proteine, wie z.B. die der Familie der Hitze Stress Proteine (HSPs) versammeln. Analysen haben gezeigt, dass Get3 unter den oben genannten Bedingungen, Konformationsänderungen durchläuft und dann als ATP unabhängige Holdase fungiert. Diese kann die exponierten, hydrophoben Anteile von Proteinen binden, um dadurch die Proteostasis aufrechtzuhalten.
Durch die Bedeutsamkeit der TA Proteinen ist die zentrale ATPase Get3 in allen Domänen des Lebens hochgradig konserviert. Phylogenetische Analysen ergaben, dass sich Get3 im Allgemeinen in eine „A“ Gruppe sowie eine „BC“ Gruppe aufspaltet. Im Modellorganismus Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) wurden drei Orthologe zu Get3 identifiziert. Eins davon gehört zu der „A“ Gruppe und befindet sich im Zytoplasma. Die anderen zwei Orthologe befinden sich in den Organellen endo-symbiotischen Ursprungs und gehören der „BC“ Gruppe an. Untersuchungen an verschiedenen Deletionsmutanten in A. thaliana haben gezeigt, dass die Mutationen einzelner GET Komponenten zu einer signifikanten Verkürzung der Haarwurzeln führen, obwohl der restliche Habitus der Pflanze unverändert bleibt. Diesbezüglich wurde SYP123 als einziges TA Proteine identifiziert, dessen Abundanz durch die Deletion von GET Komponenten beeinflusst werden kann. Von den anderen beiden Orthologen organellären Ursprungs ist, abgesehen von ihrer Lokalisation nichts weiter bekannt
Vier Orthologe Gruppen in Pflanzen
Da bislang nicht mehr als zehn Pflanzenarten für phylogenetische Analysen herangezogen wurden, wurden in dieser Arbeit die taxonomischen Beziehungen von Get3 zu einander in 50 Spezies der Viridiplantae auf Basis der Orthologie sowie Homologie untersucht. Dies führte zur Identifizierung einer zytolischen (AtGet3a), einer plastidären (AtGet3b), einer mitochondriellen (AtGet3c) sowie einer Monokotyledone spezifischen Gruppe (SBGet3). Die Lokalisation der ersten drei Gruppen wurde in selektierten Pflanzen, sowohl homolog als auch heterolog, der unterschiedlichen Spezies mittels saGFP untersucht, und es konnte gezeigt werden, dass mehrere Get3 Orthologe mit unterschiedlichen subzellulären Lokalisationen eine unter Pflanze häufig auftretende Eigenschaft ist. Das Weitern konnte gezeigt werden, dass manche Komponenten des Präzielsteuerungskomplexes (SgtA und Get4) sowie des Rezeptorkomplexes (Get1) in fast allen der 50 untersuchten Pflanzenarten vorhanden sind. Dies weist auf eine Konservierung des gesamten GET Biogenese-Weges in Pflanzen hin.
Get3a in Arabidopsis thaliana
Da die molekulare Zusammensetzung des Präzielsteuerungskomplexes für AtGet3a in A. thaliana nicht bekannt ist, habe ich Co-Immunpräzipitationen mit Zellextrakten aus weißer Zellkultur und einen von mir selbst aufgereinigten Antikörper gegen AtGet3a durchgeführt. Nach anschließender Gelelektrophorese und einer Anfärbung mit Coomassie Brilliant Blue ließ sich ein reproduzierbares Muster aus Proteinbanden erkennen, welche ausgeschnitten und mittels LC-MS/MS analysiert wurden. Dadurch wurde ein putativer Kandidat für Get5 identifiziert sowie eine Assoziation mit Chaperonen und proteasomalen Untereinheiten.
Um die Zielsteuerungseffizienz und Topologie von ER-Membranproteinen zu analysieren habe ich (i) die rekombinante Synthese eines Modell-TA Proteins mit glykosylierbarem opsin bovine glycosylation Tag (OPG) etabliert sowie (ii) eine Methode etabliert um in isolierten Protoplasten die Richtigkeit der Insertion zu überprüfen. Mit Hilfe dieser Methoden können nun verschiedene Mutanten auf ihre Insertions-Wirksamkeit untersucht werden. Desweitern können durch Mutationsanalysen die notwendigen physikochemischen Eigenschaften für die Erkennung des Substrates ermittelt werden.
Eine weit verbreitete Methode im GET Feld ist die tail-anchor translocation (TAT). Bei dieser Methode werden isolierte mikrosomale Fraktionen des rauen ERs mit rekombinanten Komplexen bestehend aus Zielsteuerungsfaktor und TA Protein inkubiert. Durch einen rekombinanten OPG, der im Lumen des ERs post-translational modifiziert werden kann, ist die Beobachtung einer zeitabhängigen Kinetik der Glykosylierung möglich. Dieses System wurde bislang nur für Komponenten aus Säugern oder Hefen benutzt, aber noch nie mit einem System auf pflanzlicher Basis. Um dies zu verwirklichen, habe ich die rekombinante Proteinexpression soweit optimiert, dass der Großteil des synthetisierten Proteins sich im löslichen Anteil des Lysats statt in den Inclusion Bodies befand. Mittels dieser Optimierung konnte ich die Ko-Expression von Zielsteuerungsfaktor mit TA Protein als löslichen Komplex etablieren. Ergänzend zu den löslichen Komplexen habe ich eine geeignete Methode etabliert um mittels Saccharosegradienten mikrosomale Fraktionen aufzutrennen in denen AtGet3a angereichert ist. Leider müssen noch die Parameter der Reaktion optimiert werden, aber die Akquirierung alle nötigen Bestandteile ist etabliert.
Thermoanaerobacter kivui ist ein thermophiles acetogenes Bakterium, das chemolithoautotroph auf CO2 unter Verwendung von molekularem H2 als Elektronendonor wächst und Acetat als Produkt über den Wood-Ljungdahl-Weg (WLP) bildet. Im WLP werden 2 Mol CO2 reduziert, um ein Mol Acetyl-CoA zu bilden. Erste Studien wurden durchgeführt, um die Physiologie von T. kivui zu verstehen. T. kivui wächst autotroph auf H2 + CO2 und nach Adaptation auch auf CO oder Syngas. T. kivui wächst ebenfalls auch in Minimalmedium ohne weitere Zugabe von Vitaminen, was es zu einem Biokatalysator mit hohem Potenzial für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert macht. Heterotroph wächst T. kivui auf Glucose, Fructose, Mannose, Pyruvat oder Formiat. Kürzlich wurde beschrieben, dass T. kivui in der Lage ist, auf dem Zuckeralkohol Mannitol in Gegenwart und Abwesenheit von HCO3- (oder externem CO2) zu wachsen. Allerdings war das Wachstum in Abwesenheit von externem CO2 deutlich verlangsamt. Daher wurde in dieser Studie getestet, ob eine Zugabe von externem Formiat das "fehlende" CO2 kompensieren kann. In Kombination mit Formiat wurde das Wachstum auf Mannitol in CO2 und HCO3- freien definierten Medien bis zu einer maximalen OD600 von 2,34 und mit einer Verdopplungszeit von 2,0 ± 0,0 stimuliert, was dem Wachstumsverhalten auf Mannitol in Anwesenheit von CO2/HCO3- entsprach. In Abwesenheit von Formiat (oder CO2) erreichte T. kivui nur eine endgültige optische Dichte von bis zu 0,7 mit einer verlängerten Verdoppelungszeit von 5,2 ± 0,2 Stunden. Dieses Experiment zeigte die höhe metabolische Flexibilität von T. kivui durch die Nutzung von Formiat als Elektronenakzeptor, wenn kein oder nur wenig CO2 vorhanden ist.
Genomanalysen ergaben, dass T. kivui ein Trehalose- und Maltose-Transportsystem-Permeaseprotein (MalF) besitzt. Darüber hinaus verfügt T. kivui über Trehalose- und Maltosehydrolase-Gene, die als Kojibiose-Phosphorylase annotiert sind. Obwohl in der Originalveröffentlichung beschrieben wurde, dass der Organismus nicht auf Maltose oder Trehalose wachsen kann, konnte T. kivui im Laufe dieser Arbeit an das Wachstum auf Maltose und Trehalose adaptiert werden. Nach dem Transfer von einer Glukose-Vorkultur auf ein Medium mit 25 mM Maltose oder 25 mM Trehalose als alleinige C-Quelle wurde kein Wachstum erzielt. Bei Verwendung der gleichen Vorkultur in einem Medium mit höherer Konzentration (50 mM) Maltose oder Trehalose, begannen die Zellen zu wachsen. Bei Verwendung dieser adaptierten kulturen als Vorkultur wuchsen die Zellen in Gegenwart von in 25 mM Maltose oder Trehalose bis zu einer maximalen OD600 von 1,12 bzw. 0,73. Die Adaptation hing mit der Tatsache zusammen, dass der Organismus eine höhere Konzentration benötigt, um sich an diese Kohlenstoffquellen zu gewöhnen. Durch diese Daten wird das heterotrophe Potenzial von T. kivui erhöht.
Um die Bedeutung der wasserstoffabhängigen Kohlendioxidreduktase (HDCR) während des Wachstums auf Formiat oder auf H2 + CO2 im Stoffwechsel von T. kivui zu verstehen, wurden Studien auf molekularer Ebene durchgeführt. Die HDCR nutzt H2 direkt für die Reduktion von CO2 zu Formiat im ersten Schritt des Wood-Ljungdahl-Wegs (WLP). Um die Rolle der HDCR in dieser Reaktion zu untersuchen, wurde das hdcr-Gencluster mit Hilfe des kürzlich entwickelten Mutagenesytems für T. kivui deletiert. In Wachstumstudien konnte anschliessend gezeigt werden, dass die ߡhdcr-Deletionsmutante nicht mehr auf Formiat oder H2 + CO2 als alleiniger Kohlenstoffquelle wachsen konnte. Nach Komplementation der Mutante mit dem hdcr-Gene in cis wuchsen die Kulture wieder auf Formiat oder H2 + CO2. Diese Experimente zeigten, dass die HDCR für das Wachstum auf H2 + CO2 oder Formiat essentiell ist. Interessanterweise konnte in der ߡhdcr-Mutante ebenfalls ein verändertes Wachstum auf Glukose als alleiniger C-Quelle festgestellt werden. Die T. kivui ߡhdcr-Mutante wuchs nur bis zu einer OD600 von 0,2, während der Wildtyp und der hdcr-komplementierte Stamm bis zu einer OD600 von 2,64 bzw. 2,4 wuchsen. Damit wurde bewiesen, dass die HDCR auch für die vollständige Glukoseoxidation in T. kivui erforderlich ist. Durch die Zugabe von Formiat wurde das Wachstum vollständig wiederhergestellt, ähnlich wie beim Wildtyp. Dies belegt wieder die Nutzung Formiat als terminalen Elektronenakzeptor. Auch auf Mannitol oder Pyruvat konnte die Mutanten nur in Gegenwart von Formiat wachsen. Der Substratverbrauch und die Produktbildung der T. kivui ߡhdcr-Mutante wurden in einem Zellsuspensionsexperiment untersucht. Die Zellen verbrauchten Formiat nur in Gegenwart von Glukose und produzierten Acetat mit einem Acetat/Substrat-Verhältnis von etwas mehr als 3,0, während die Acetatproduktion nur 12 mM betrug, wenn Glukose als alleiniges Substrat verwendet wurde. Diese Ergebnisse zeigen eine enge Kopplung der Oxidation von Multikohlenstoffsubstraten an den WLP.
T. kivui ist eines der wenigen Acetogenen, die CO als einzige Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen können. ...
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.
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.
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.
This study explores literary representations of gender and sexuality in contemporary Malaysian Popular Fiction in English (MPFE) written by Malay Muslim authors that are published in between the years 2010 to 2020. It questions why gender and sexuality are considered sensitive topics and the public discussion of these topics is deemed taboo by some Malay Muslim traditionalists and contemporary scholars of Malay literature. Previous studies suggests that Islamic rules and regulations influence the Malaysian Malays worldview. Its sacred book, the Quran, has established clear-cut prohibitions against any sexual indulgence among its believers. Muslim writers must learn to restrict themselves from indulging in sexual writings in order to prevent them from intentionally or unintentionally arousing their readers’ sexual fantasies that may lead both parties to sinning. However, at the end of the twentieth century, many factors such as the impact of modernisation through scientific and industrial revolution on Malaysian society, the influence of Western Humanities theories among local intellects, and the introduction of Internet culture have contributed tremendously to the dramatic social changes in Malaysia. These changes are reflected heavily in its literary culture. In recent years, the Malay people’s awareness of their body and individuality is heightened. There is a surge of curiosity among contemporary Malay Muslims about their gender and sexuality and they would want a discussion. Following this development, the first objective of this study is to provide the latest discussion on gender and sexuality in MPFE by Malay Muslim authors. The second objective is to provide observations on how MPFE authors employ their literary strategies to approach aspects of gender and sexuality in their literary works. It pays attention to how writers express their acceptance, negotiations, and/or rejections towards the dominant “normative” or “common” values in the Malay society with regards to their body and sexuality. Using textual analysis to examine one novel and six short stories from the MPFE genre, this paper cross-examines Malay literary theories on sexual and erotic literature available in Pengkaedahan Melayu (Malay Methodology), Persuratan Baru (Genuine Literature), as well as Western theoretical approaches in Postcolonialism, Postmodernism and Feminism on gendering system and sexuality, in its aim to explain the growing interest in the topics in spite of the red-tape around sexual taboos in Malaysian literature.
Ziel: Das Ziel der vorliegenden Studie ist die vergleichende Bewertung von fusionierten T2-gewichteten und Kontrastmittel-(KM)-gestützten T1-gewichteten Magnetization-prepared Rapid Gradient-(MPRAGE)-Sequenzen im Hinblick auf die Diagnose und Lokalisation von vestibulären Schwannomen (VS) und / oder intralabyrinthären Schwannomen (ILS). Dabei werden die Parameter benötigte Zeitdauer bis zur Diagnose, Diagnosegenauigkeit, die Qualität des Bildmaterials und die Zahl der Artefakte evaluiert.
Material und Methoden: Insgesamt werden die Magnetresonanztomografie-(MRT) -Daten von 53 Patienten, davon 10 mit einer VS-, 20 mit einer VS / - ILS Kombination und 4 mit einer reinen ILS- Erkrankung, evaluiert. Es wurden zwei Kontrollgruppen, bestehend aus 16 Patienten ohne Auffälligkeiten und 3 Patienten mit detektierten Pathologien, in die Datenerhebung integriert. Zwei Radiologen mit 10 und 12jähriger Berufserfahrung evaluierten die konventionellen und fusionierten Sequenzen (Konsensusbefunder 1 und 2). Weiterhin untersuchten zwei Gruppen von Radiologen mit 1-2 und 3 – 4 Jahre Weiterbildung die konventionellen MRT-Sequenzen oder die Fusionsbildung. Die Zeit der Diagnosefestlegung wurde gemessen. Die Bildqualität und die Zahl der Artefakte wurden anhand einer 5-Punkte-Bewertungsskala festgelegt.
Die Ergebnisse der beiden Gruppen wurden mittels geeigneter statistischer Verfahren analysiert und verglichen.
Ergebnisse: Die Befunder, denen die fusionierten Bilder zur Verfügung standen, konnten die Diagnose in allen Fällen schneller stellen. Die Diagnoseerstellung erfolgte durch die Befunder fast doppelt so schnell (33,4 s versus 63,5 s). Die Interrater-Reliabilität bezüglich der Erkennung von VS/ILS-Läsionen war – unabhängig vom Bildmaterial – exzellent (Cohens-Kappa (κ) 0,914–1,000). Mit den fusionierten Sequenzen ist eine präzise (Sensitivität: 100 %; Spezifität, 88,9–100 %) Diagnose möglich.
Die Erstellung einer Fusionssequenz an der Konsole beansprucht 33,8 ± 2,6 s.
Die Bildqualität der Fusion wurde von den Ratern als hervorragend eingestuft.
Nach drei Monaten erzielten zwei Befunder, die zunächst die Fälle mit Hilfe konventioneller MRT-Sequenzen beurteilt hatten, in einer erneuten Bewertung anhand der Fusionsbildgebung kürzere Befundungszeiten (32,0 s vs. 67,5 s) sowie eine bessere ILS-Erkennung (κ = 0,564 vs. κ = 0,845) und ILS-Klassifikation (κ = 0,573 vs. κ = 0,801).
Fazit: Die Fusionsbildgebung aus T2- und T1-gewichteten MR-Sequenzen MPRAGE erlaubt eine bessere, schnellere und präzisere Diagnose von VS und ILS.
Klinische Relevanz: Die Darstellung der flüssigkeitsgefüllten Architektur des KHBW und des inneren Gehörgangs mithilfe der Fusionsbildgebung (3D-T2- und KM-unterstützte T1-gewichtete Sequenzen) bietet dem Radiologen die Möglichkeit seine Diagnosefähigkeit zu verbessern und seinen Klinikalltag zu erleichtern. Vor allem kleine Läsionen, die in der radiologischen Routinediagnostik schwer zu erkennen sind, lassen sich mithilfe der Fusion besser diagnostizieren und abgrenzen.
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.
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.
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.
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.
This thesis concerns three specific constraint satisfaction problems: the k-SAT problem, random linear equations and the Potts model. We investigated a phenomenon called replica symmetry, its consequences and its limitation. For the $k$-SAT problem, we were able to show that replica symmetry holds up to a threshold $d^{*}$. However, after another critical threshold $d^{**}$, we discovered that replica symmetry could not hold anymore, which enabled us to establish the existence of a replica symmetry breaking region. For the random linear problem, a peculiar phenomenon occurs. We observed that a more robust version of replica symmetry (strong replica symmetry) holds up to a threshold $d=e$ and ceases to hold after. This phenomenon is linked to the fact that before the threshold $d=e$, the fraction of frozen variables, i.e. variable forced to take the same value in all solutions, is concentrated around a deterministic value but vacillates between two values with equal probability for $d>e$. Lastly, for the Potts model, we show that a phenomenon called metastability occurs. The latter phenomenon can be understood as a consequence of trivial replica symmetry breaking scheme. This metastability phenomenon further produces slow mixing results for two famous Markov chains, the Glauber and the Swendsen-Wang dynamics.
This dissertation analyses the degrees and trajectories of financialisation in the region of South-Eastern Europe. It modifies and applies an eclectic comparative framework for comparing the degrees of financialisation across time and space on different levels. The thesis finds that from the turn of the century until the Great Financial Crisis of 2008, most South-Eastern European countries have increased their degree of financialisation on the different levels, especially on the levels of household, international financialisation and partly the financial sector. Financialisation of non-financial companies is barely existing. After the financial crisis, financialisation is revealed to stagnate in the region. In a second step, the dissertation conducts three case studies on extreme cases: financial sector financialisation in Bulgaria, international financialisation in Serbia and non-financial company and household financialisation in Croatia. Their trajectories are exposed to be mainly driven by deregulation, changed practices by foreign banks, the privatisation of public goods and the liberation of capital controls. The dissertation serves to geographically enlarge the research of financialisation to a peripheral region of the Global North and to add to the discussion on comparative financialisation approaches.
Fatty acids in oomycetes
(2021)
Fallzahlaufkommen und Qualitätsindikatoren bei der Versorgung des abdominellen Bauchaortenaneurysmas
(2021)
Hintergrund: Der MTL30 ist ein Surrogatparameter, der bisher in visceralchirurgischen Registern verwendet wird, um eine Prognose über die Qualität verschiedener komplikationsträchtiger Eingriffe abzugeben. Der Marker wird als positiv gewertet, wenn ein Patient am 30. postoperativen Tag verstorben (mortality) ist, in ein anderes Akutkrankenhaus verlegt (transfer) werden musste oder weiterhin im Krankenhaus verweilen muss (length of stay >30 days).
Zielsetzung: In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob der MTL30 eine Aussage über die Qualität der operativen Versorgung des Bauchaortenaneurysmas (AAA) abgeben kann. Dazu sollten Kliniken mit unterschiedlichem Fallaufkommen hinsichtlich Letalität und MTL30 miteinander verglichen werden. Zusätzlich sollten Literaturempfehlungen zu Mindestmengen des Fallaufkommens überprüft werden.
Methodik: Insgesamt wurden 18.205 elektive Eingriffe aus dem AAA- Register des Deutschen Instituts für Gefäßmedizinische Gesundheitsforschung (DIGG) der Deutschen Gesellschaft für Gefäßchirurgie und Gefäßmedizin (DGG) analysiert. 14.282 Patienten wurden mittels endovaskulärer Aortenaneurysmaversorgung (EVAR) und 3.923 Patienten mittels offener Versorgung (OAR) behandelt. Die Ergebnisse wurden zum Fallaufkommen der Kliniken in Beziehung gesetzt.
Ergebnisse: Weder für die Letalität noch für den MTL30-Wert konnten Volumen- Ergebnisbeziehungen gefunden werden. Bei EVAR lag die Sterblichkeit im Quintil 1 des Fallaufkommens bei 1,0% und im Quintil 5 bei 1,3%. Auch beim MTL30 ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen Quintil 1 und 5, der MTL30 belief sich jeweils auf 5,3%. Bei OAR war die Klinikletalität in dem Quintil mit dem geringsten Fallaufkommen (Quintil 1) mit 5,8% verglichen mit Quintil 5 (höchstes Fallaufkommen, Klinikletalität 3,5%) im Trend höher, aber nicht signifikant unterschiedlich (p= 0,505). Auch bei OAR korrelierte der MTL30 nicht mit dem Fallaufkommen (Quintil 1: 16,4% vs. Quintil 5:12,2%, p=0,110). Jedoch korrelierte die Liegedauer bei EVAR und OAR sowohl mit der Letalität (EVAR: Quintil 1 der Liegezeit 1,69% vs. Quintil 5 1,02%, p= 0,042; OAR: Quintil 1: 6,78% vs. Quintil 5: 2,16%, p= 0,000) als auch mit dem MTL30 (EVAR: Quintil 1 der Liegezeit 7,35% vs. Quintil 5 2,85%, p=0,000; OAR: Quintil 1 26,28% vs. Quintil 5 5,19%, p= 0,000).
Folgerung: Es konnte weder bei EVAR noch bei OAR ein Zusammenhang zwischen dem jährlichen Fallaufkommen und der Letalität bzw. dem MTL30 gefunden werden. Ob der MTL30 gegenüber der alleinigen Erfassung der Klinikletalität als Qualitätsparameter einen Zusatznutzen bietet, muss offenbleiben. Ein vielversprechenderer Marker scheint die stationäre Liegedauer zu sein, die zusätzlich zur Letalität als Qualitätsparameter verwendet werden könnte.
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.
Exploring the in vivo subthreshold membrane activity of phasic firing in midbrain dopamine neurons
(2021)
Dopamine is a key neurotransmitter that serves several essential functions in daily behaviors such as locomotion, motivation, stimulus coding, and learning. Disrupted dopamine circuits can result in altered functions of these behaviors which can lead to motor and psychiatric symptoms and diseases. In the central nervous system, dopamine is primarily released by dopamine neurons located in the substantia nigra pars compacta (SNc) and ventral tegmental area (VTA) within the midbrain, where they signal behaviorally-relevant information to downstream structures by altering their firing patterns. Their “pacemaker” firing maintains baseline dopamine levels at projection sites, whereas phasic “burst” firing transiently elevates dopamine concentrations. Firing activity of dopamine neurons projecting to different brain regions controls the activation of distinct dopamine pathways and circuits. Therefore, characterization of how distinct firing patterns are generated in dopamine neuron populations will be necessary to further advance our understanding of dopamine circuits that encode environmental information and facilitate a behavior.
However, there is currently a large gap in the knowledge of biophysical mechanisms of phasic firing in dopamine neurons, as spontaneous burst firing is only observed in the intact brain, where access to intrinsic neuronal activity remains a challenge. So far, a series of highly-influential studies published in the 1980s by Grace and Bunney is the only available source of information on the intrinsic activity of midbrain dopamine neurons in vivo, in which sharp electrodes were used to penetrate dopamine neurons to record their intracellular activity. A novel approach is thus needed to fill in the gap. In vivo whole-cell patch-clamp method is a tool that enables access to a neuron’s intrinsic activity and subthreshold membrane potential dynamics in the intact brain. It has been used to record from neurons in superficial brain regions such as the cortex and hippocampus, and more recently in deeper regions such as the amygdala and brainstem, but has not yet been performed on midbrain dopamine neurons. Thus, the deep brain in vivo patch-clamp recording method was established in the lab in an attempt to investigate the subthreshold membrane potential dynamics of tonic and phasic firing in dopamine neurons in vivo.
The use of this method allowed the first in-depth examination of burst firing and its subthreshold membrane potential activity of in vivo midbrain dopamine neurons, which illuminated that firing activity and subthreshold membrane activity of dopamine neurons are very closely related. Furthermore, systematic characterization of subthreshold membrane patterns revealed that tonic and phasic firing patterns of in vivo dopamine neurons can be classified based on three distinct subthreshold membrane signatures: 1) tonic firing, characterized by stable, non-fluctuating subthreshold membrane potentials; 2) rebound bursting, characterized by prominent hyperpolarizations that initiate bursting; and 3) plateau bursting, characterized by transient, depolarized plateaus on which bursting terminates. The results thus demonstrated that different types of phasic firing are driven by distinct patterns of subthreshold membrane activity, which may potentially signal distinct types of information. Taken together, the deep brain in vivo patch-clamp technique can be used for the investigation of firing mechanisms of dopamine neurons in the intact brain and will help address open questions in the dopamine field, particularly regarding the biophysical mechanisms of burst firing in dopamine neurons that control behavior.
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.
The formation of terrestrial planets was a complex process which begun in the very early stage of the Solar System in the protoplanetary disk (PPD). Chondrites are fragments of planet precursors, which have never experienced differentiation and can help to reconstruct the first processes leading to planet formation. The main components of chondrites are chondrules, calcium-aluminum-rich inclusions (CAIs), amoeboid olivine aggregates (AOAs), metals and fine-grained material. Each of these components formed by a complex mechanism involving aggregation and/or melting. Previous research has already provided an overall view of the formation of these objects, however, there are still open questions regarding the aggregation behavior of particles, the heating mechanism(s) and the thermal history of CAIs, AOAs and chondrules. For instance, the involvement of flash-heating events and electrostatics in the aggregation and melting of these objects has been a keen topic of discussion.
The aim of this doctoral thesis was to develop and carry out an experiment to study various early Solar System processes under long-term microgravity. In the project with the acronym EXCISS (Experimental Chondrule Formation aboard the ISS), free-floating, 126(23)µm-sized Mg2SiO4 dust particles were exposed to electric fields and electric discharges.
The experimental set-up was installed inside a 10x10x15 cm3-sized container and consisted of an arc generation unit connected to the sample chamber, a camera with an optical system, a power supply unit with lithium-ion batteries and the EXCISS mainboard with a Raspberry Pi Zero and mass storage devices. The sample chamber was manufactured from quartz glass and the experiments were filmed. The complete experiment container was subsequently returned to the Goethe University and the samples were analyzed with scanning electron microscopy, electron backscatter diffraction and synchrotron micro-CT.
Video analysis has shown that particles, which were agitated by electric discharges, align in chains within the electric field with their longest axis parallel to the electric field lines. Consequently, electric fields could have influenced the inner structure and porosity of particle aggregates in the PPD.
The discharge experiments produced fused aggregates and individual melt spherules.
The fused aggregates share many morphological characteristics with natural fluffy-type CAIs and some igneous CAIs found in chondrites. Consequently, CAIs could have formed by the aggregation of particles with various degrees of melting. Further, a small amount of melting could have supplied the required stability for such fractal structures to have survived transportation and aggregation to, and subsequent compaction within, developing planetesimals.
Some initial particles were completely melted by the arc discharges and formed melt spherules. The newly formed olivines crystallized with a preferred orientation of the [010] axis perpendicular to the surface of the spherule. Similar preferred orientations have been found in natural chondrules. However, the microstructure differs from the results of previous experiments on Earth, which show, for example, crystal settling on one side of the sample because of the influence of gravity. Furthermore, the melt spherules show evidence for an interaction of the melt with the surrounding hot gas. Therefore, microgravity experiments with more advanced experimental parameters bear great potential for future chondrule formation experiments.
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.
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.
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.
Bartonella henselae (B. henselae) ist ein zoonotischer humanpathogener Erreger, der die Katzenkratzkrankheit sowie andere Infektionskrankheiten verursacht. Trotz des globalen Auftretens sind epidemiologische Daten rar oder beruhen auf geringen Fallzahlen. Die aktuelle Forschung zu Bartonellen zielt mehr und mehr auf einen interdisziplinären Ansatz, der als one-health-Konzept zusammengefasst werden kann und als solcher zunehmend Daten zur Seroprävalenz mit hohen Fallzahlen benötigt.
Die Detektion von anti-B. henselae IgG-Antikörpern mittels indirektem Immunfluoreszenztest (IFT) ist die Diagnostik der Wahl für Bartonella-Infektionen. Dabei handelt es sich um ein objektträgerbasiertes Verfahren, wodurch dessen Handhabung ungeeignet für die Verarbeitung im Hochdurchsatz wird.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der high-throughput IFT (hpIFT) zum Nachweis von anti-B. henselae IgG-Antikörpern im 96-Well-Platten-Format entwickelt, welcher es zum ersten Mal ermöglicht, seroepidemiologische Daten mit hohen Fallzahlen zu generieren.
Für die Antigenpräparation im 96-Well-Platten-Format wurden HeLa 229-Zellen mit B. henselae [Houston-1 RSE 247 (BadA-)-Stamm] infiziert, fixiert, blockiert und permeabilisiert. Humane Seren wurden 1:320 verdünnt. Nach Inkubation der Seren folgte die Zugabe von Sekundärantikörpern. Für die genannten Schritte wurde ein einfacher, ökonomischer Workflow unter Zuhilfenahme des Pipettierroboters VIAOFLO 96/384 von Integra erstellt.
Mit dem entwickelten hpIFT wurden insgesamt 5.215 Proben verarbeitet. Alle Seren wurden bei einem cut-off-Wert von 1:320 bewertet, dabei galten Werte von ≥ 1:320 als positiv. Um die diagnostische Validität zu überprüfen, wurden zunächst 20 bekannte Seren in unterschiedlichen Titerstufen und anschließend 238 zufällig ausgewählte Blutspendeseren mit der kommerziellen objektträger-basierten IFT-Methode von Euroimmun (Produktcode: FK-219b-1010-1G) verglichen. Zur Überprüfung der Intraspezies-Kreuzreaktivität wurden verschiedene B. henselae-Stämme [Houston-1 RSE 247 (BadA-), Marseille (BadA+), Houston-1 MFE341 (BadA+), Marseille (BadA-)] und B. quintana-Stämme [JK31 (Vomp+) und 2D70(Vomp-)] als Antigen mit unterschiedlichen, in der Antikörperkonstellation bekannten Seren untereinander verglichen. Um die Interspezies-Kreuzreaktivitäten abzuklären, wurden Seren mit hohen IgG-Antikörpern gegen andere Pathogene (Anaplasma phagocytophilum, Leptospira spp., Brucella spp., Coxiella burnetii, Rickettsia typhi, Treponema pallidum, Mycoplasma pneumoniae, Epstein-Barr-Virus und B. quintana) überprüft.
Es zeigte sich, (I) dass der modifizierte hpIFT mit beinahe gleichwertiger Sensitivität (86,2 %) und Spezifität (80,6 %) verglichen mit dem kommerziell erhältlichen IFT von Euroimmun bei umfangreichen Probenmengen ein ökonomisches, vergleichsweise einfach zu bedienendes, zuverlässiges und präzises Verfahren zur Detektion von anti-B. henselae IgG-Antikörpern in humanen Seren darstellt und (II), dass die ermittelte anti-B. henselae IgG-Prävalenz von 22,3 % unter 5.215 Blutspenderinnen und Blutspendern verglichen mit weltweit publizierten Studien vergleichbarer Kohorten der letzten Jahre höher ausfällt als angenommen.
Der hier etablierte hpIFT stellt damit ein vielversprechendes Tool für die Hochdurchsatz-Serologie zum Nachweis von anti-B. henselae-Antikörpern in Prävalenzstudien dar. Eine weitere Modifizierung beispielsweise für den veterinären Bereich könnte im Sinne des one-health Ansatzes neue Möglichkeiten für epidemiologische Forschungsaspekte eröffnen.
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.
Einleitung: Schnell und gut durchgeführte BLS-Maßnahmen (Basic Life Support-Maßnahmen) können die Überlebensrate von Patient*innen mit einem Herzkreislaufstillstand enorm verbessern. Jedoch zeigen sich nicht nur bei medizinischen Laien, sondern bereits bei Medizinstudierenden deutliche Kompetenzdefizite. Die Studierenden selbst messen den Reanimationsfertigkeiten eine hohe Bedeutung bei.
Studierenden bietet das Internet insbesondere bei der rasanten technischen Entwicklung mit mittlerweile fast ubiquitärer Nutzbarkeit über Smartphones und Tablets eine einfache Möglichkeit, Lerninhalte zu vertiefen. Sie nutzen dafür Google, YouTube, Wikipedia und andere Internetquellen. Da es für die meisten Inhalte dieser Opensource-Plattformen keine Qualitätskontrolle gibt, ist die Gefahr groß, dass Studierende durch das Lernen mit Videos auf öffentlichen Plattformen auch Fehler und falsche Abläufe lernen.
Daher wäre eine Liste mit Empfehlungen der Lehrvideos zum Thema Reanimation, die den AHA-Guidelines (American Heart Association) entsprechen, wünschenswert. In der vorliegenden Arbeit wurde eine inhaltliche Checkliste entwickelt und zusammen mit einer didaktischen Checkliste zur Bewertung solcher Videos angewendet.
Material und Methoden: Im ersten Schritt des mehrstufigen Studiendesigns erfolgte die Entwicklung der inhaltlichen Checkliste. Die inhaltliche Checkliste wurde basierend auf den AHA-Richtlinien 2015 und des Updates 2017 erstellt. Sie wurde in einem 3-stufigen interdisziplinären Überarbeitungsprozess im Hinblick auf Anwendbarkeit und Verständlichkeit optimiert. Zur Bewertung der didaktischen Qualität der Videos wurde eine validierte Didaktik-Checkliste für medizinische Lehrvideos zugrunde gelegt. Insgesamt wurden 74 Videos der Plattform YouTube von jeweils zwei Reviewern anhand der beiden Checklisten bewertet.
Ergebnisse: Die resultierende Checkliste umfasst 25 Items in den Gruppen Initiale Maßnahmen, Thoraxkompression, AED und Beatmung. Die Bewertung erfolgt anhand einer 3-stufigen Likert-Skala, zusätzlich gibt es die Option Items auszuschließen, falls das Item in dem Kontext des Videos nicht zutrifft oder die Maßnahme bereits erfolgt ist. Die beiden Reviewer stimmten durchschnittlich in 65,06 ±12,56% der Items überein. Kein Video erreichte die vollständige Punktzahl der inhaltlichen oder didaktischen Checkliste. Durchschnittlich erreichten die Videos in der inhaltlichen Checkliste 56,21 ±19,18% und in der Didaktikcheckliste 66,61 ±14,32%. Es konnte kein Zusammenhang zwischen der Anzahl der Aufrufe und dem jeweiligen Score der Videos oder dem Rang der Videos und deren Score festgestellt werden. Die Videos von medizinischen und staatlichen Institutionen schnitten zwar durchschnittlich besser ab, jedoch gab es auch in dieser Untergruppe Videos mit niedrigen Scores.
Schlussfolgerung: Die auf YouTube zur Verfügung gestellten Videos zu Reanimationsmaßnahmen sind häufig von schlechter inhaltlicher Qualität. Trotzdem spielen diese Videos bereits jetzt eine wichtige Rolle im Erlernen der Reanimationsmaßnahmen und werden sowohl von Laien als auch von medizinischem Personal und Medizinstudierenden genutzt. Für die Zukunft wäre daher ein Qualitätssiegel bzw. eine Liste der empfehlenswerten Videos sinnvoll. Da keins der untersuchten Videos uneingeschränkt empfehlenswert ist, anhand der beiden erprobten Checklisten sorgsam neue Videos zu dem Thema zu erstellen.
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.
Morbus Parkinson ist die zweithäufigste neurodegenerativen Erkrankung, die durch Untergang der dopaminergen Neuronen im Mesenzephalon zu einer Störung des extrapyramidalen motorischen Systems führt. Daraus resultierende Bewegungsstörungen, zu denen Rigor, Tremor, Hypokinese und posturale Instabilität gehören, werden von nichtmotorischen Symptomen wie autonome Dysregulation, veränderte sensorische Wahrnehmung, sowie kognitive und psychische Störungen begleitet.
Mehrere Studien berichten über erhöhte Schmerzprävalenz bei Parkinson Patienten. Die genaue Pathogenese der gestörten Schmerzwahrnehmung bleibt unklar. Zusätzlich zu den zentralen Mechanismen entstehen die Schmerzen bei Morbus Parkinson wahrscheinlich durch eine Schädigung der peripheren somatosensorischen und autonomen Neuronen, die sich in sensorischen Defiziten, sowie in erhöhter Schmerzempfindlichkeit manifestieren. Als Korrelat dazu wurden abnormale somatosensorisch evozierte Potenziale, pathologische Ergebnisse in der quantitativen sensorischen Testung und eine Abnahme der Nervenfaserdichte beschrieben.
Ein Schwerpunkt unserer Untersuchungen lag auf der Erforschung von potentiellen Veränderungen von Lipidsignalmolekülen. Eine Reihe von Studien zeigen eine Schmerzlinderung durch Cannabis-Einnahme, sowie eine Tendenz zur Schmerzentwicklung bei Parkinson Patienten mit dem bekannten FAAHPolymorphismus. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Störung im Endocannabinoid-System höchstwahrscheinlich zu erhöhter Schmerzprävalenz bei Morbus Parkinson beiträgt. Eine weitere wichtige Lipid-Gruppe sind Glycosylceramide. Ihr Abbau kann durch heterozygote Mutationen des lipidabbauenden Enzyms Glukocerebrosidase 1 (GBA1) gestört sein. GBA1 Mutationen sind mit der schnell progredienten sporadischen Verlaufsform der Parkinson-Krankheit assoziiert.
Im Rahmen der Studie wurden zwei Kohorten von Parkinson Patienten analysiert. Die 128 Patienten aus Israel wurden im ersten Teil mit 224 jungen gesunden deutschen Probanden verglichen. Im zweiten Teil wurden 50 deutschen Patienten und 50 gesunde altersgleiche Probanden untersucht. Die Schmerzevaluation erfolgte anhand der "Brief Pain Inventory“ und "Neuro Detect“ Fragebögen. Bei allen Probanden wurde quantitative sensorische Testung durchgeführt und die Plasmakonzentrationen der Lipidsignalmoleküle mittels quantitativer HPLC-Tandem-Massenspektrometrie analysiert.
Nach Auswertung der Schmerzevaluation konnte eine erhöhte Schmerzprävalenz bei Parkinson Patienten festgestellt werden. Die Prävalenz betrug 66% im ersten Teil der Studie und 74% in der deutschen Kohorte, im Vergleich zu 40% bei den altersgleichen gesunden Probanden. Ergebnisse der quantitativen sensorischen Testung zeigen einen Verlust der thermischen Empfindung (erhöhte Schwellen) bei der gleichzeitigen mechanischen Überempfindlichkeit (erniedrigte Schwellen). In der multivariaten LipidAnalyse konnten erniedrigte Konzentrationen von Anandamid und Lysophosphatidsäure 20:4 und eine Erhöhung der Glucosylceramide nachgewiesen werden. Diese Veränderungen waren bei Parkinson Patienten mit Schmerzen stärker ausgeprägt. Außerdem wurde eine lineare Korrelation zwischen Glucosylceramiden (GlcCer 18:1, GlcCer 24:1) und der Schmerzintensität, sowie sensorischem Defizit festgestellt.
Nach sorgfältiger Auswertung der Studienergebnisse kommen wir zu der Schlussfolgerung, dass eine Veränderung der Endocannabinoide und der Glucosylceramide zur Pathogenese der Schmerzen und der sensorischen Neuropathie bei Morbus Parkinson beitragen. Die Erkenntnisse könnten zukünftig zur Diagnosestellung durch frühzeitige Erkennung prämotorischer sensorischer Symptome beitragen. Darüber hinaus könnten unsere Ergebnisse zur Therapieoptimierung durch Wiederherstellung der Lipid-Homeostases beitragen.
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.
Diese Arbeit ist ein detaillierter Bericht über die Forschungsaktivitäten, die ich während meiner Promotion am Max-Planck-Institut für Biophysik durchgeführt habe. Mit dem Aufkommen der direkten Elektronendetektoren erlebte die Transmissionselektronenmikroskopie von gefrorenen hydratisierten Proben (Kryo-EM) einen epochalen Wandel, die sogenannte “Auflösungsrevolution”. Ab den 2010er Jahren ermöglichte die Kommerzialisierung der ersten direkten Detektoren die Erforschung biologischer Phänomene in beispiellosem Detail und machte Kryo-EM zu einer der leistungsstärksten (und gefragtesten) Forschungsmethoden in den Biowissenschaften. Meine Forschung konzentrierte sich auf die Verwendung der Elektronen-Kryotomographie, um zwei herausfordernde Ziele zu erreichen. Das erste bestand darin, die Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu untersuchen, und das zweite die molekulare Landschaft eines lichtempfindlichen Chloroplastenvorläufers, des Etioplasten, zu beschreiben. Um die Relevanz, Herausforderungen und Auswirkungen meiner Arbeit zu vermitteln, habe ich diese Arbeit in drei Kapitel unterteilt.
Kapitel eins enthält eine Einführung in die Transmission-Elektronenmikroskopie.
Nach einer kurzen Zusammenfassung der historischen Meilensteine in der Disziplin beschreibe ich die wesentlichen Komponenten des TEM und deren Funktionsweise. Hier lege ich besonderen Wert auf die Struktur elektromagnetischer Linsensysteme, wie sie den Weg der Elektronen beim Durchlaufen der Säule beeinflussen und wie Bilder entstehen. Der hardwarebezogene Teil der Einführung wird durch eine vereinfachte Beschreibung der Elektronendetektoren abgeschlossen, in der ich die revolutionären Aspekte der direkten Elektronendetektoren, mit der Struktur und Funktion von CCD-Detektoren (Charge Coupled Device detector) vergleiche. Als nächstes konzentriere ich mich auf die theoretischen Prinzipien der Bilderzeugung. Um die Hauptphänomene im Zusammenhang mit der Bildqualität in TEM hervorzuheben, stelle ich grundlegende Konzepte wie den Einfluss von Elektronenenergie und optischen Aberrationen vor, gefolgt von einer ausführlicheren Beschreibung des Ursprungs von Kontrast und Rauschen. Der Unterabschnitt schließt mit einigen Überlegungen darüber, wie - und vor allem wie effizient - Detektoren kontinuierliche Elektronenwellen in diskrete Bereiche (Pixel) abtasten. Der folgende Unterabschnitt ist der Erfassung und Verarbeitung tomografischer Daten gewidmet. Hier gebe ich eine vereinfachte Beschreibung, wie Kippserien mit dem Mikroskop erfasst werden und wie die Rohdaten zu einer dreidimensionalen Darstellung der Probe verarbeitet werden. Der Einfluss der Neigungsgeometrie und der Dosisverteilung auf die Rekonstruktionsqualität wird ebenfalls diskutiert. Der zweite Teil des Unterabschnitts befasst sich mit der Strukturbestimmung durch Subtomogramm-Mittelung und der Errechnung der Auflösung von Kryo-EM-Rekonstruktion. Zuletzt schließe ich das Kapitel mit einer Beschreibung der Vorbereitung biologischer Proben für die Kryo-EM-Bildgebung mit einigen abschließenden Bemerkungen zur Dynamik und den Grenzen der Vitrifizierung ab.
Kapitel zwei folgt dem Thema der Kryo-Präparation biologischer Proben mit der Untersuchung der Denaturierung von Proteinen an der Luft-Wasser-Grenzfläche.
Im Einführungsabschnitt skizziere ich die wichtigsten Aspekte dieses Phänomens. Frühe Experimente zum Verhalten von Proteinen in Lösung zeigten ihre Neigung, aus der Lösung zu ihrer Grenzfläche mit der Atmosphäre zu diffundieren. Hier bilden sie meist unlösliche Schichten denaturierter Fibrillen Es wurde vorgeschlagen, dass die Korrelation zwischen Proteindenaturierung und Kontakt mit der Grenzfläche auf einen allmählichen Entfaltungsprozess zurückzuführen ist, bei dem Tausende von Wechselwirkungen pro Sekunde zu einer immer größeren strukturellen Schädigung führen würden. Ein direkter Beweis für diesen Mechanismus wurde jedoch nie dokumentiert. Um einen tieferen Einblick in die Dynamik an der Luft-Wasser-Grenzfläche zu erhalten, sammelte ich Kryotomogramme vitrifizierter Präparate der Fettsäuresynthase (FAS, Fatty Acid Synthase) aus Hefe. Im ersten Unterabschnitt der Ergebnisse beschreibe ich, wie die biochemische und Negativkontrastierung-TEM-Analyse von FAS-Fraktionen zeigte, dass der Komplex während des gesamten Reinigungsverfahrens intakt und katalytisch aktiv blieb. Nach der Vitrifizierung ergab die Einzelpartikelanalyse jedoch, dass 90% aller Komplexe stark beschädigt waren. Die tomographische Rekonstruktion derselben Proben zeigte, dass alle FAS-Komplexe an die Luft-Wasser-Grenzfläche gebunden waren. Die Seite des Moleküls, die der Grenzfläche ausgesetzt war, schien abgeflacht zu sein, während die Seite, in der wässrigen Phase, ihre native Struktur beibehielt. Die Mittelung der Subtomogramme bestätigte, dass eine Seite von fast 90% der Partikel stark beschädigt war. Durch den Vergleich der Ausrichtung dieser beschädigten Seite mit der Position eines Rechenmodells der Luft-Wasser-Grenzfläche konnte ich nachweisen, dass sie perfekt übereinstimmen, was den ersten direkten Beweis dafür liefert, dass die Wechselwirkung mit der Luft-Wasser-Grenzfläche die lokale Denaturierung großer Proteinkomplexe herbeiführt.
...
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.
In Deutschland werden jährlich gut drei Millionen Erythrozytenkonzentrate (EKs) transfundiert. Moderne Herstellungsmethoden und molekulare Diagnoseverfahren konnten die Sicherheit von Blutprodukten im Laufe der Jahre weiter verbessern. Wie bei jedem Medikament kann es nichtsdestotrotz bei der Therapie mit EKs zu Nebenwirkungen kommen. Dazu gehören unter anderem allergische Reaktionen, hämolytische und nicht hämolytische Transfusionsreaktionen, Übertragungen von Infektionskrankheiten und Eisenüberladung. Es werden weitere Nebenwirkungen postuliert, deren Zusammenhang mit Hämotherapie allerdings hinsichtlich einer möglichen Kausalität noch nicht abschließend untersucht wurde. Im Hinblick auf Malignompatienten zeigen retrospektive Untersuchungen eine deutliche Assoziation von Transfusionen und ungünstigem Behandlungsausgang. Diese Beobachtung könnte kausal oder durch Störfaktoren wie den medizinischen Umständen einer Transfusion oder patienteneigener Risikofaktoren erklärt werden. Während randomisierte Studien zur Überprüfung einer Kausalität sich aus ethischen Gründen verbieten, wurden mögliche Mechanismen aufgedeckt, die diese Assoziation erklären könnten. Dazu gehört unter anderem die transfusion-related immunomodulation (TRIM), an der auch erythrozytäre Mikropartikel (red blood cell-derived microparticles, RMPs) beteiligt sein könnten.
RMPs sind extrazelluläre Vesikel (EVs), die von Erythrozyten bei der Apoptose und bei Einwirken verschiedener Stressoren gebildet werden. Bei der Prozessierung und Lagerung von EKs akkumulieren RMPs in unphysiologischer Menge, und möglicherweise sind diese RMPs anders als jene, die in vivo gebildet werden. Ob RMPs direkte Effekte auf Malignomzellen haben, wurde noch nicht untersucht.
Das Forschungsgebiet rund um EVs ist relativ jung, weshalb noch keine echten Goldstandards bei Isolierung und Quantifizierung vorliegen. Während bei den RMPs hierfür am häufigsten Ultrazentrifugation (UZ) und Durchflusszytometrie verwendet werden, haben beide Methoden gewisse Einschränkungen. Mit der Größenausschlusschromatographie (size exclusion chromatography, SEC) liegt ein Verfahren vor, das sich bei anderen EVs als effektive Alternative zur UZ gezeigt hat und das zudem die Eigenschaften und biologischen Aktivitäten der empfindlichen EVs möglicherweise besser erhält.
Ziel dieser Arbeit war es, im Zellkulturmodell zu untersuchen, ob RMPs aus EKs möglicherweise einen Einfluss auf Viabilität, Migration und Invasion maligner Zellen haben. Hierzu wurde die Kolonkarzinomzelllinie HCT-116 genutzt. Zudem sollte mit der SEC eine alternative Isolierungsmethode für RMPs etabliert werden und ein möglicher Einfluss der Isolierungsmethode auf die biologische Aktivität der RMPs untersucht werden.
Insgesamt zeigte sich in den in vitro-Untersuchungen ein geringer Effekt von RMPs auf die Viabilität, Migration und Invasion von HCT-116-Zellen und dies auch nur in sehr hohen Konzentrationen, die in der Hämotherapie eines Patienten vermutlich nie erreicht werden. Es gilt, diese Beobachtungen in weiterführenden in vivo-Studien (zum Beispiel in Tiermodellen) zu verifizieren.
Die SEC zeigte sich als gut geeignet zur Isolierung von RMPs im Hinblick auf die RMP-Ausbeute und die Auftrennung der RMPs von Proteinen. Die RMPs, die via SEC isoliert wurden, hatten im Gegensatz zu RMPs, die via UZ isoliert wurden, keinen Einfluss auf die Viabilität von HCT-116-Zellen.
Die primäre Quantifizierungsmethode für RMPs war die Durchflusszytometrie, welche bei der Untersuchung kleiner EVs einige Einschränkungen hat, da die Auflösungsgrenze im Bereich der EV-Größe liegt. Ein Vergleich mit einer für EVs ausgelegten Technik, der Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA), zeigte, dass der Großteil der in den RMP-Isolaten enthaltenen Partikel in der Durchflusszytometrie nicht erkannt wird. Dieses Ergebnis könnte durch eine mangelhafte Sensitivität der Durchflusszytometrie, aber auch durch die Unspezifität der NTA erklärt werden. Es wurde in der NTA keine Färbung verwendet, daher konnten auch andere EVs und Partikel wie Lipoproteine mitgezählt werden.
Einflüsse epigenetischer Mechanismen auf die Gefäßtonusregulation sind bisher kaum untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Bedeutung bekannter epigenetischer Modifikatoren in der Gefäßtonuskontrolle aufzuzeigen und molekulare Mechanismen zu identifizieren. Hierzu wurden Vasoreaktivitätsstudien an Mausgefäßen im Organbad durchgeführt und molekularbiologische Methoden eingesetzt. Verwendet wurde ein Mausstamm mit induzierbarem Knockout der Histondemethylase JARID1B (KDM5B) sowie verschiedene Inhibitoren von Histonmethylasen und -demethylasen.
Mittlerweile sind eine Vielzahl an Inhibitoren epigenetischer Modifikatoren kommerziell erhältlich. Getestet wurde u.a. der Wirkstoff GSK343, welcher spezifisch die Funktion der H3K27me3-Methyltransferase Enhancer of zeste homolog 2 (EZH2) inhibiert. Bekannt ist eine Beteiligung von EZH2 in der Carcinogenese und Zellzykluskontrolle. Unter basalen Bedingungen sowie deutlich verstärkt nach mehrstündiger Inkubation mit murinem Lipopolysaccharid (mLPS) zeigte sich eine verzögerte Phenylephrin-induzierte Kontraktion von Präparaten der murinen Aorta thoracica. Da unter inflammatorischen Bedingungen die induzierbare NO-Synthase iNOS stark induziert wird, wurde die Hypothese formuliert, dass eine höhere Bioverfügbarkeit von NO ursächlich für diese Beobachtung ist. NO ist ein potenter Vasodilator und wird im Gefäßendothel produziert. Organbadversuche mit Inhibitoren der iNOS und eNOS konnten jedoch keine Differenzen in der NO-Bioverfügbarkeit zeigen, weder vor noch nach Stimulation mit mLPS. Über schrittweise Depolarisation durch K+-Ionen konnte eine Beeinträchtigung des kontraktilen Apparats der glatten Gefäßmuskelzellen ausgeschlossen werden. Auch die Thromboxan-induzierte Kontraktion, ausgelöst durch das Thromboxan-Analogon U46619, war nicht beeinflusst. Inhibition von EZH2 unter inflammatorischen Bedingungen, wie beispielsweise in der Sepsis, scheint einer Gefäßdysfunktion vorzubeugen. Dies geschieht unabhängig von der NO-Bioverfügbarkeit und ohne Beeinträchtigung der Kontraktilität der glatten Gefäßmuskelzellen sowie der Thromboxan-induzierten Gefäßkontraktion. Es ergibt sich die Hypothese, dass EZH2 nicht in die eigentliche Gefäßtonuskontrolle, sondern in der Transduktion inflammatorischer Signale involviert ist und damit in der Entstehung einer Gefäßdysfunktion. Diese Annahme sollte weiter untersucht werden, da sich durch Inhibition von EZH2 eine mögliche Therapieoption in der Sepsis bietet. Neuste Publikationen bestätigen eine Rolle von EZH2 in der inflammatorischen Signalkaskade.
Die H3K4me3-Histondemethylase JARID1B wird in Gefäßendothelzellen stark exprimiert, bekannt sind eine Rolle in der Embryogenese, Cancerogenese sowie Angiogenese. Die Arteria mesenterica superior der Tamoxifen-induzierbaren globalen Jarid1b-Knockout Maus zeigte eine verstärkte Acetylcholin-induzierte Vasorelaxation. Diese Beobachtung konnte durch Behandlung von Wildtyp- Arterienpräparaten mit dem JARID1B-Inhibitor 2‐4(4‐methylphenyl)‐1,2‐Benziso-thiazol‐3(2H)‐on (PBIT) reproduziert werden. Ein spezifischer Knockout von Jarid1b in Makrophagen zeigte keinen vergleichbaren Phänotyp. Untersucht wurde auch hier die Hypothese, dass Veränderungen der NO-Bioverfügbarkeit Ursache des beobachteten Phänotyps sind. Unterschiede in der NO-Bioverfügbarkeit, der Expression oder des Aktivierungsgrades der eNOS konnten in Versuchen mit Inhibitoren der Synthasen sowie mittels Proteinisolation nicht festgestellt werden. Neben NO wirken Metabolite der Arachidonsäure als Vasorelaxantien. Die Inkubation mit Arachidonsäure im Organbad ergab zunächst keine Unterschiede im Relaxationsverhalten zwischen Knockout- und Wildtypgefäßen. Zur weiteren Untersuchung der Hypothese veränderter Prostanoid-Signalwege sind weitere Studien notwendig. Nach Abschluss der Arbeit konnte gezeigt werden, dass der JARID1B-Knockout die lösliche Epoxid-Hydroxylase (sEH) destabilisiert und damit über verminderten Abbau von Epoxyeicosatriensäuren (EETs) relaxierend und unter Angiotensin II-Einfluss gefäßprotektiv wirkt.
Modifikationen der epigenetischen Regulation in Gefäßzellen wirken sich auf die Gefäßtonusregulation aus. Die Experimente in dieser Arbeit zeigen, dass dies abseits der häufigsten vasoaktiven Autacoid-Signalwege und unter bestimmten Voraussetzungen stattfinden kann. Epigenetische Regulation ermöglicht es, die Gefäßtonuskontrolle den Umgebungsbedingungen anzupassen und spielt in der Pathophysiologie von Gefäßerkrankungen eine entscheidende Rolle.
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.
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.
1. Zusammenfassung
1.1. Zielsetzung
Die hier beschriebene Studie vergleicht die effektive Linsenposition (ELP), die Vorderkammertiefenveränderung und den korrigierten Fernvisus nach einer Kataraktoperation bei Patienten mit und ohne Pseudoexfoliationssyndrom (PEX-Syndrom). Bei Patienten mit einem koexistierenden PEX-Syndrom wird während der Kataraktoperation eine Zonulaschwächen bedingte Verlagerung und tiefere Positionierung der eingesetzten Intraokular-linse erwartet.
1.2. Design
Prospektiv, randomisiert.
1.3. Methoden
In dieser prospektiven Studie wurden 56 Augen von 56 konsekutiven Patienten mit PEX-Syndrom (n = 28) oder ohne PEX-Syndrom (n = 28) und klinisch signifikanter Katarakt eingeschlossen. Sämtlichen Patienten beider Gruppen wurde mittels Phakoemulsifikation eine einteilige Acryl-Hinterkammer-Intraokularlinse implantiert. Als primäre Zielparameter der Studie dienten die Vorderkammertiefe als Indikator für die postoperative axiale Position der IOL benannt als die effektive Linsenposition sowie der korrigierte Fernvisus.
1.4. Ergebnisse
Vor der Operation betrug die Vorderkammertiefe (VKT) 2,54 ± 0,42 mm in der PEX-Gruppe und 2,53 ± 0,38 mm in der Kontrollgruppe (p = 0,941). Postoperativ betrug die VKT 4,29 ± 0,71 mm in der PEX-Gruppe bzw. 4,33 ± 0,72 mm in der Normalgruppe (p = 0,533). Es gab keinen signifikanten Unterschied in Bezug auf die Veränderungen der VKT zwischen den Gruppen (PEX-Gruppe: 1,75 ± 0,74 mm, Kontrollgruppe: 1,81 ± 0,61 mm, p = 0,806) und dem korrigierten Fernvisus (DCVA) prä- (p = 0,469) sowie postoperativ (PEX-Gruppe: 0,11 ± 0,13 logMAR, Kontrollgruppe: 0,09 ± 0,17 logMAR, p = 0,245).
1.5. Schlussfolgerung
Die Kataraktoperation induzierten Veränderungen waren bei Patienten, die an einem PEX-Syndrom erkrankt waren, die gleichen, die auch bei Patienten ohne PEX-Syndrom zu beobachten waren. Die präoperative und postoperative Vorderkammertiefe, als Indikator für die ELP, zeigte zwischen PEX-Augen und gesunden Augen nach der Kataraktoperation keine signifikanten Unterschiede. Des Weiteren waren keine Unterschiede in Bezug auf den korrigierten Fernvisus zwischen beiden Gruppen zu beobachten. Demnach ist zu erwarten, dass eine Erkrankung am PEX-Syndrom bei einer durch einen erfahrenen Chirurgen durchgeführten Kataraktoperation nicht zu einer Verschlechterung des Visus oder einer tieferen Positionierung der eingesetzten Intraokularlinse führt.
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.
Laut C.S. Peirce ist der abduktive Schluss das einzige logische Verfahren, das in der Lage ist, neue Erkenntnisse einzuführen. Dieser funktioniert in etwa so, dass auf Basis eines bereits bestehenden, jedoch unbewusst verwendeten, Regel- bzw. Vorwissens etwas Neues, bislang Unbekanntes, generiert wird, indem eine Ähnlichkeitsrelation bzw. eine Differenz zwischen Alt und Neu erzeugt wird. Damit scheint bei der Abduktion das einsam handelnde und denkende Subjekt die zentrale Instanz der Entstehung des Neuen zu sein.
Aus soziologischer Sicht von Interesse ist dabei, welche, hier zu unterstellende, tragende Rolle der soziale Austausch bei dieser Erkenntnisgenese überhaupt spielt, wenn, dem abduktiven Schluss zufolge, das monologisch handelnde Individuen über quasi „eingelagerte“ Erkenntnis-Instinkte, wie Peirce sagt, verfügt. Die Rolle des anderen im sozialen Austausch würde dadurch jedoch hinfällig oder zumindest randständig.
Der logische Ausweg, um den anderen als konstitutiver Bestandteil der Erkenntnisgenese zu integrieren, besteht in der These, dass interagierende Individuen sich auf eine Art und Weise wechselseitig identisch sein müssen. Ähnlichkeitsbezüge herstellen zu können würde dadurch primär zu einem Produkt der Interindividualität und nicht zu jenem einzelner Individuen.
Um diese These zu prüfen, werden in einem ersten Schritt Peirce’ Theorien zur Abduktion untersucht. Im Weiteren sollen aber auch soziologische Erkenntnistheorien und interdisziplinäre Ansätze, wie die der (Social) Neuroscience, auf die Möglichkeit einer interindividuellen Verquickung im Sinne des wechselseitig Identisch-Seins untersucht.
In einem letzten Schritt wird die berechtigte Frage gestellt, wie denn überhaupt Erkenntnis erzeugt werden kann, wenn Individuen sich differenzlos identisch gegenüberstehen. Dabei wird die These vorgeschlagen, dass Differenz dadurch eingespielt wird, indem Subjekte sich nie dieselbe Raumzeitstelle teilen. Die am Individuum gebundene Fähigkeit, Unterschiede bzw. Ähnlichkeitsbezüge erkennen zu können (Abduktion), wird somit erst durch Praxis selbst möglich.
Abschließend sollen durch forschungsübergreifende Überlegungen Konsequenzen aus diesen Thesen gezogen werden.
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
Atmosphärische Schwerewellen spielen eine wichtige Rolle für die Zirkulation der mittleren Atmosphäre, die wiederum die Troposphäre auf saisonalen und längeren Zeitskalen beeinflusst, und stellen somit ein Schlüsselelement für das Wetter- und Klimageschehen dar. Eine adäquate Beschreibung des Lebenszyklus atmosphärischer Schwerewellen in den operationellen Modellen zur Wettervorhersage und Klimasimulation ist daher sehr wünschenswert. Um zu einer verbesserten mathematischen Darstellung der Schwerewellendynamik in den Modellen beizutragen, wurden in den vergangenen Jahren zahlreiche numerische Studien durchgeführt. Wenngleich auch viele der ablaufenden Prozesse gegenwärtig gut verstanden sind, stellt die Wechselwirkung zwischen den mesoskaligen Schwerewellen und den synoptischskaligen Prozessen aufgrund der hohen Komplexität der Strömung weiterhin eine besondere Herausforderung für die Erforschung der Schwerewellenaktivität dar und erfordert oftmals hochaufgelöste numerische Simulationen über große Modelldomänen.
Folglich ist es wichtig, dass die angewendeten numerischen Verfahren effizient sind und möglichst idealisierte, aber dennoch atmosphärenähnliche Szenarien simulieren. In dieser Arbeit wird ein effizientes numerisches Verfahren zur Modellierung der Dynamik interner Schwerewellen sowie deren Einfluss auf die Zirkulation der mittleren Atmosphäre entwickelt.
Dabei wird die Diskretisierung des pseudo-inkompressiblen Finite-Volumen-Modells auf einem versetzten Gitter von Rieper et al. (2013), welches der Einfachheit halber Schallwellen aus der Dynamik herausfiltert und zur Untersuchung adiabatischer Atmosphärenprozesse auf der f-Ebene entwickelt wurde, im wesentlichen durch zwei Komponenten erweitert: 1) die Anwendung eines semi-impliziten Zeitschrittverfahrens auf die Bewegungsgleichungen zur Integration der Auftriebs- und Corioliseffekte und 2) die Berücksichtigung einer Heizung durch einen thermischen Relaxationsansatz, welcher in der Troposphäre ein baroklin instabiles Strömungsprofil erzeugt und eine zeitabhängige Dynamik des Hintergrundzustands zulässt. Zur Überprüfung der korrekten Implementierung der Erweiterungen werden eine Reihe von atmosphärischen Standardteststudien durchgeführt, welche die Konvergenzeigenschaften sowie die Effizienz des Verfahrens validieren. Darüber hinaus zeigen die Testfälle, dass die Ergebnisse des Modells mit anderen veröffentlichten Arbeiten sehr gut übereinstimmen.
Schließlich wird als Anwendungstestfall eine mesoskalige Simulation barokliner Instabilität in der Troposphäre durchgeführt, welche ferner die darin enthaltene kleinskalige Wellenaktivität sowie deren Einfluss auf die mittlere Atmosphäre modelliert. Die abschließende Betrachung der zonal und zeitlich gemittelten Felder zeigt die erwartete Zonalwindumkehr in der Höhe.
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.
One of the most important events in human history occurred during the Early Pleistocene: the dispersal of early hominins out of Africa and into Europe and Asia. In Western Europe, the earliest evidences of the genus Homo have been found in the Baza Basin, at the sites of Orce in the SE of the Iberian Peninsula. These sites contain fossils and lithic industry dated approximately as 1.4–1.3 Ma.While hominin remains and artifacts at Orce, as well as the accompanying fauna, have been extensively studied, the properties and evolution of the Early Pleistocene vegetation in the basin remain unknown. The general effect of climate change on the expansion of early hominins from Africa into Eurasia still remains unclear. It is not known if the Early Pleistocene climate changes and the development of glacials periods led to the extirpation of European communities, or if those communities were able to endure and persist through such adverse climatic periods. This open question highlights the need for climate and environmental analyses for the time before, during and after the first presence of Homo in Europe. This PhD thesis contributes to that need by the presentation of the first long pollen record of the Baza Basin, where the oldest hominin sites in Western Europe are found.
The main subject of this thesis is the study of hadron and photon production in relativistic heavy-ion collisions by means of hydrodynamics+transport approaches. Two different kinds of such hybrid approaches are employed in this work, the SMASH-vHLLE-hybrid and a MUSIC+SMASH hybrid. While the former is capable of simulating heavy-ion collisions covering a wide range of collision energies down to √s = 4.3 GeV, reproducing the correct baryon stopping powers, the latter provides a framework to consistently model photon production in the hadronic stage of high-energy heavy-ion collisions.
The SMASH-vHLLE-hybrid is a novel state-of-the-art hybrid approach whose development constitutes a major contribution to this thesis. It couples the hadronic transport SMASH to the 3+1D viscous hydrodynamics approach vHLLE. Therein, SMASH is employed to provide the fluctuating 3D initial conditions and to model the late hadronic rescattering stage, and vHLLE for the fluid dynamical evolution of the hot and dense fireball. The initial conditions are provided on a hypersurface of constant proper time, and the macroscopic evolution of the fireball is carried out down to an energy density of ecrit = 0.5 GeV/fm3, where particlization occurs. Consistency at the interfaces is verified in view of global, on-average quantum number conservation and the SMASH-vHLLE-hybrid is validated by comparison to SMASH+CLVisc as well as UrQMD+vHLLE hybrid approaches. The establishment of the SMASH-vHLLE-hybrid to theoretically describe heavy-ion collisions at intermediate and high collision energies forms a basis for a range of extensions and future research projects. It is further made available to the heavy-ion community by virtue of being published on Github.
The SMASH-vHLLE-hybrid is applied to simulate Au+Au/Pb+Pb collisions between √s = 4.3 GeV and √s = 200.0 GeV. A good agreement with the experimentally measured rapidity and transverse mass spectra is obtained. In particular the baryon stopping dynamics are well reproduced at low, intermediate, and high collision energies. Excitation functions for the mid-rapidity yield and mean transverse momentum of pions, protons and kaons are demonstrated to agree well with their experimentally measured counterpart. These results further validate the approach and provide a solid baseline for potential future studies. The importance of annihilations and regenerations of protons and anti-protons is additionally investigated in Au+Au/Pb+Pb collisions between √s = 17.3 GeV and √s = 5.02 TeV with the SMASH-vHLLE-hybrid. It is found that, regarding the p + p ̄ ↔ 5 π reaction, 20-50% (depending on the rapidity range) of the (anti-)proton yield lost to annihila- tions in the hadronic rescattering stage is restored owing to the back reaction. The back reaction thus constitutes a non-negligible contribution to the final (anti-)proton yield and should not be neglected when modelling the late rescattering stage of heavy-ion collisions.
The MUSIC+SMASH hybrid is a hybrid approach ideally suited to model the production of photons in relativistic heavy-ion collisions. Therein, the macroscopic production of photons in the hadronic stage in MUSIC relies on the identical effective field theories as the photon cross sections implemented in SMASH for the microscopic production. The MUSIC+SMASH hybrid thus provides the first consistent framework to the end of hadronic photon production. It accounts for 2 → 2 scattering processes of the kind π + ρ → π + γ and pion bremsstrahlung processes π + π → π + π + γ. The MUSIC+SMASH hybrid is employed in an ideal 2D setup to systematically assess the importance of non-equliibrium dynamics in the hadronic rescattering stage on mid-rapidity transverse momentum spectra and elliptic flow of photons at RHIC/LHC energies. This is achieved by comparing the outcome of the MUSIC+SMASH hybrid, involving an out-of-equilibrium late rescattering stage, to macroscopically approximating late stage photon production by means of MUSIC, employed down to temperatures well below the switching temperature. It is found that non-equilibrium dynamics have only minor implications for photon transverse momentum spectra, but significantly enhance the photon elliptic flow. At RHIC energies, an enhancement of up to 70%, and at LHC of up to 65% is observed in the non-equilibrium afterburner as compared to its hydrodynamical counterpart. In combination with the large amount of photons produced above the particlization temperature, these differences are modest regarding the transverse momentum spectra, but a significant enhancement of the elliptic flow is observed at low transverse momenta. Below pT ≈ 1.4 GeV, the combined v2 is enhanced by up to 30% at RHIC, and up to 20% at the LHC within the non-equilibrium setup as compared to its approximation via hydrodynamics. Non-equilibrium dynamics in the hadronic rescattering stage are hence important, especially in view of momentum anisotropies at low transverse momenta. These findings thus contribute to the understanding of low-pT photons produced in heavy-ion collisions at RHIC/LHC energies and the MUSIC+SMASH hybrid employed for this study provides a baseline for additional studies regarding photon production in the future.
To summarize, the approaches and frameworks presented in this thesis provide a good baseline for further extensions and studies in order to improve the understanding of hadron and photon production in relativistic heavy-ion collisions across a wide range of collision energies. More broadly, such future studies of hadrons and photons may contribute to enhance the understandig of the properties of the fundamental building blocks of matter, of which everything that surrounds us is made of.
The Southern Ocean (SO) is one of the most pristine regions of our Planet, characterised by high levels of biodiversity (5% of the global diversity) (David and Saucède 2015) and hosting a unique fauna (up to 90% of SO species are endemic) (De Broyer and Danis 2011; Chown et al. 2015). Yet, the knowledge on SO biodiversity is still far from being completed. In addition, the knowledge on the impact that changing environments have on SO species-richness is very little and for some groups, it is still totally unknown. For instance, most of studies generally focus on one single species such as Antarctic krill (Kawaguchi et al. 2011), Clio pyramidata Linnaeus, 1767 (Orr et al. 2005), Globigerina bulloides d'Orbigny, 1826 (Moy et al. 2009), or only on a high taxonomic level (e.g. phylum, class): Echinodermata, Crustacea, Mollusca, Porifera, Bryozoa, Brachiopoda, Hydrozoa, Ascidiacea, Holoturoidea
(Barnes 1999; Rowden et al. 2015; Post et al. 2017; Gutt et al. 2019; Vause et al. 2019; Pineda-Metz et al. 2020). Ultimately, the influence of sea-ice coverage on benthic species diversity was totally unknown prior to this study. In light of this, the objectives of the thesis are:
1. To expand the knowledge on shelf and deep-sea peracarid assemblage structure and abundance on a small regional (Weddell Sea) and on a large regional (Atlantic sector of the SO and South Atlantic Ocean) geographic scale.
2. To assess the environmental variables driving peracarid assemblage structure and abundance from the above mentioned areas.
3. To investigate SO benthic isopod species diversity from the Atlantic sector of the SO and assess the influence of environmental variables on their species-richness and composition.
4. To describe new possible peracarid species by means of integrative taxonomy, using morphological descriptions and whole genome sequencing analyses to support the species identification.
Objective outcomes: The present thesis provides new information on the abundance and assemblage structure based on 64766 peracarid crustaceans from different 28 locations within the Atlantic sector of the SO continental shelf and deep sea (Chapters I-II). These locations are characterised by different environmental conditions, for instance different sea-ice concentrations. Results from Chapters I-II confirmed the dominance of peracarid assemblages in the benthos, with amphipods being the most abundant group, followed by isopods. Sea ice was identified as the main driver shaping benthic peracarid assemblage structure (Chapter I). On a larger geographic scale and wider bathymetric range (e.g. including sampling locations from previous studies performed in the South Atlantic Ocean
and at a depth range from 160 to ~6000 m), depth was the main physical variable driving peracarid assemblage structure (Chapter III). In addition, 16157 isopod specimens from the Atlantic sector of the SO were identified to species level at a smaller scale (Chapter IV). In this case, sea ice was identified as the main physical driver affecting isopod diversity and composition among sampling locations (Chapter IV). Reduced concentration of sea ice
causes a decrease in isopod biodiversity, thus climate change was identified as a huge threat for this taxon and for SO benthos in general. During the identification process, two new isopod species were discovered (Chapter V). The two new species (Notopais sp.1 n. sp. and Notopais sp.2 n. sp.) were accurately described and identified by means of integrative taxonomy. This provided the first whole genome sequencing of benthic isopods from the SO and the first complete mitochondrial genome of the genus Notopais (Chapter V). Thanks to the collaboration with the University of Genoa (Dipartimento di Scienze della Terra dell'Ambiente e della Vita, DISTAV, Italy) and the National Antarctic Museum (MNA) in Genoa, two new SO species of the suborder Valvifera G. O. Sars, 1883 were described by means of classical taxonomy. In this case, a molecular approach could not be used because both new species were represented by a single specimen, therefore it was important to preserve the integrity of the holotypes (Chapters VI-VII).