Doctoral Thesis
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This thesis is focusing on the impact of Paratethys and Mediterranean water bodies over the Eurasian climate and the interplay between climate, tectonics and biosphere during the late Miocene. This target was the interval between 12.7 and 7.65 Ma for Paratethys, following the Eastern Paratethys restriction and isolation, and 7.2−6.5 Ma (the early Messinian) in Mediterranean, zooming on the effects of gateway restrictions over the eastern Mediterranean and the new born Aegean domain. In both cases restriction is overlapping with large scale climatic changes and tectonic reconfiguration, leading a sort of symbiotic relationship.
Paratethys was a giant epicontinental sea that covered a large part of Eurasia since Paleogene. Due to the Eurasia-Afro-Arabia collision and formation of the Alpine-Himalayan belt (Rögl, 1999; Popov et al., 2006), the Paratethys was divided during the late Miocene in smaller basins that in time were isolated of each other. The protracted isolation and intense continentalisation of paratethyan realm led to changes in humidity distribution, basin connectivity, sediment sources and salinity. These changes had in turn major consequences over water circulation, water availability, vegetation cover and biota. These changes are more intense after 11.6 Ma, when the Eastern Paratethys lost any sustained marine connection, evolving into an enclosed system with endemic fauna (Harzhauser and Piller, 2007).
Mediterranean Sea is a Mezozoic oceanic relic squeezed between Africa, Europe, Anatolia and Arabia, as Africa continued to subduct beneath the European plate. As opposed to Paratethys, it maintained the open connection with the ocean until Messinian, when the two Atlantic gateways (Betic and Rifian corridors) closed for a short time, isolating the basin. The cut off resulted in a dramatic drop down and onset of evaporitic precipitation in marginal basins, the event receiving the name of Messinian Salinity Crisis (5.97−5.55). The restriction affected all marine ecosystems, due to changes in salinity and stratification of water column.
The main objectives of this thesis were:
(1) build valid paleo-temperatures records for both basins based on biomarkers;
(2) reconstruct the hydrology for the late Miocene time interval;
(3) identify vegetation composition and changes;
(4) identify paleo-fires in the late Miocene sediment records;
(5) identify the biotic response to the overall climate and tectonic changes.
All the above objectives were attained with results published in specific journals (Chapters 5−7).
Based on Panagia section (Taman Peninsula, Russia) the longest Paratethys temperature record was completed (~5 Myr), covering the interval between 12.7 and 7.65 Ma. A comprehensive SST and MAT records was obtained, as well as soil pH and carbon (δ13C) and hydrogen (δ2H) stable isotopic compositions on n-alkanes and alkenones. The main findings are concentrated around three prolonged periods with severe droughts affecting the late Miocene circum-Paratethys region peaking at 9.65, 9.4 and 7.9 Ma, associated with a transition towards open land vegetation, intensification of fire activity and enhanced evaporation and aridity.
The time intervals with dryer conditions recorded in Panagia coincide with periods of mammal turnover and dispersal in Eurasia indicating that major environmental changes occurred in the circum-Paratethys region and Paratethys fragmentation had a great impact on the terrestrial ecosystems, when periods of prolonged droughts generated biotic crises and animal displacements across the Eurasian continent. The δ13CC29n-alkane values and charcoal morphologies from Panagia indicate an increased contribution of C4 plants adapted to drier conditions at 9.66 Ma. Similarly high δ13CC29n-alkane values continue until 9.4 Ma, when in Western Europe increased seasonality accelerated the demise of the evergreen subtropical woodlands and expansion of grasslands from Anatolia and Middle East to Europe.
As a result of basin fragmentation and climatic stress, the Eastern Paratethys sub-basins progressively lost their marine properties and turned into brackish-fresh water bodies fed primarily by riverine input. The shallower areas became in time emerged, obstructing connections and isolating the biota, inducing rapid adjusting or extinctions. Thus, the Paratethys harbored a highly endemic fauna (Rögl, 1999), such as dwarf whales, dolphins, seals (among mammals), as well as fish and other taxa (mollusks, ostracods, diatoms, foraminifera, algae, etc.).
Collectively the data structured and analyzed in chapter five support a model in which the Eastern Paratethys evolved as a largely (en)closed system, registering paleoenvironmental signals that are governed by interbasinal connectivity (or lack of it) and regional climate changes in the basin catchment. Acting as an important source of humidity for Western and Central Asia, the size and areal extent of the Paratethys water body is likely to have had a major impact on hydroclimate patterns in the Eurasian interior, with the cumulative fluctuations in both hydrology and surface temperature enhancing the aridity and seasonality, with different partition of moisture over the year. Our combined data suggests a decoupling of Paratethys from the global system as isolation advanced, dominated by regional tectonics and ultimately the Paratethys volume and areal extent reduction.
Sowohl die Lebenserwartung als auch die Prävalenz HIV-infizierter Patient*innen ist stetig ansteigend,aufgrund der HAART und durch verbesserte diagnostische Methoden. Nicht-AIDS-definierenden Erkrankungen sind heutzutage die führenden Todesursachen. Durch verzögerte Diagnosestellung und zurückhaltenden Therapien gynäkologischer Malignome ist die Prognose im Vergleich zur Normalbevölkerung schlechter.
In dieser retrospektiven Fall-Kontroll-Studie des Universitätsklinikums Frankfurt am Mains wurden die Therapie und das Outcome gynäkologischer Malignome von 23 HIV-infizierten Patientinnen aus den Jahren 2009-2019 mit einer Kontrollgruppe aus dem gynäkologischen Krebszentrum der Klinik Essen Mitte verglichen, um herauszufinden, inwiefern eine HIV-Infektion das Outcome der Patientinnen beeinflusst.
Das gynäkologische Malignom, dominierend das Zervixkarzinom, trat durchschnittlich ein Jahrzehnt nach der HIV-Diagnose auf. Im Unterschied zu anderen Studien, ist unser Kollektiv überwiegend hellhäutig. Ein bekannter Drogenabusus ist häufig und zusammenhängend mit weiteren Koinfektionen.
Die HIV-Erkrankung ist bei mehr als der Hälfte der Patientinnen bereits fortgeschritten, jedoch ließ sich kein Zusammenhang zwischen dem Auftreten gynäkologischer Malignome und einer CD4-Zellzahl <500 CD4-Zellen/µl nachweisen. Die antiretrovirale Therapie entsprach größtenteils nicht den aktuellen Leitlinien.
Bis auf fünf Frauen wurden alle Frauen leitliniengerecht therapiert. Eine Korrelation zwischen der Therapie und der Tumorentität, der CD4-Zellzahl, dem Alter oder dem Stadium des Malignoms konnte nicht gezeigt werden.
Insgesamt liegt die 5-Jahresüberlebensrate der Kohorte bei 74.8%. Eine nicht leitliniengerechte Therapie ist nicht direkt mit einem schlechteren Outcome verbunden, jedoch mit einem weitaus kürzeren Follow-Up-Zeitraum von durchschnittlich 0.22 Jahren im Vergleich zu 4.85 Jahren bei leitlinienkonform therapierten Patientinnen. Es liegt ein statistisch signifikanter Unterschied zwischen der Kontrollgruppe und unserer Kohorte vor, sodass angenommen werden kann, dass bei Vorliegen einer HIV-Infektion die Therapie des gynäkologischen Malignoms häufiger nicht leitliniengerecht ist.
Bislang existieren nur wenige Studien, die die Therapie und das Outcome gynäkologischer Malignome bei HIV-infizierten Patientinnen untersuchen. Die Interaktion einer ART mit antineoplastischen Medikamenten und die Anwendung von Checkpointinhibitoren und einer „targeted therapy“ sollten Gegenstand weiterer Untersuchungen sein. Dafür sollten HIV-Patientinnen in Therapiestudien inkludiert werden, sodass geeignete Leitlinien erarbeitet werden können.
Attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) is a neurodevelopmental disorder that typically begins in childhood and is associated with the cardinal symptoms of inattentiveness, hyperactivity, and impulsiveness. In a significant number of cases, ADHD persists into adulthood and leads to profound psychosocial impairment and costs to the population. The course of the disorder and the severity of psychosocial impairment are further influenced by the presence of comorbidities. The risk of developing psychiatric comorbidities such as affective disorders, personality disorders and substance use disorders is increased compared to the general population. Studies also indicate that ADHD is associated with a higher burden of somatic disorders such as obesity, diabetes mellitus, asthma and migraine. In the last decades, there has been a growing body of research that identified sex-related differences in ADHD, but there is still insufficient evidence on specific issues. In addition to the sex-ratio, which is more balanced in adulthood compared to childhood, there are also indications that differences exist at the symptom level and that the comorbid disorders that occur more frequently in ADHD also seem to differ in men and women, although the studies are not yet clear on this. Using resting-state analyses of functional magnetic resonance imaging (fMRI), we aimed to address the question of whether we can detect sex differences in ADHD and selected comorbidities (substance use disorder, depression, obesity) based on altered functional connectivity profiles. A central role for the pathogenesis of ADHD is the dysregulation of dopaminergic neurotransmission, specifically altered reward processing, as an expression of impaired impulse control. In the present study, we focused on a neuroanatomical hub, namely, the external part of the globus pallidus (GPe), which we defined as a "region of interest" for the analyses performed. There is growing evidence that the globus pallidus not only plays a role in the extrapyramidal motor system, but also integrates cognitive and reward-related information, functions that are impaired in ADHD. In a first step, we looked for sex differences in ADHD patients (n=137) and separately in healthy controls (HC) (n=45), then we compared a similar group of HC and ADHD patients to compare sex-differences in ADHD patients and HC. In a second step, we investigated whether the neural basis of comorbidity patterns differed between male and female patients. Analysis of the images of 182 participants was performed using the SPM-based CONN toolbox V 18.b. When comparing subjects with ADHD and HC, we observed an interaction between the GPe and the middle left temporal gyrus, with the effect being more pronounced in healthy subjects. When analyzing the large ADHD sample, an interaction between the GPe and the frontal pole/middle right frontal gyrus was observed. The connectivity between the GPe and the frontal and temporal brain areas appeared to be more pronounced in female ADHD patients than in males, with the sex-effect being reversed and more pronounced in healthy subjects. The results suggest that in patients with ADHD there is a loss of sex-specialization in GPe-connectivity. Males with ADHD and depression showed lower functional connectivity between the GPe and parts of the occipital cortex than females with ADHD and depression. To our knowledge, this is the first study to investigate sex-specific functional connectivity networks using a seed-based connectivity analysis of the external globus pallidus in adult ADHD patients with and without comorbidities. The study serves to improve our knowledge of GPe involvement in ADHD and sex-specific recruitment of this network. Taken as a whole, this study contributes to our understanding of the neurobiological correlates of ADHD and suggests possible differences between males and females with ADHD centered on altered connectivity with the GPe, helping to provide a different perspective on current research and new ideas for further studies.
Locomotion, the way animals independently move through space by active muscle contractions, is one of the most apparent animal behaviors. However, in many situations it is more beneficial for animals to actively prevent locomotion, for instance to briefly stop before reorienting with the aim of avoiding predators, or to save energy and recuperate from stress during sleep. The molecular and cellular mechanisms underlying such locomotion inhibition still remain elusive. So, the aim of this study was to utilize the practical genetic model organism Caenorhabditis elegans to efficiently tackle relevant questions on how animals are capable of suppressing locomotion.
Nerve cells, mostly called neurons, are known to control locomotion patterns by activating some and inhibiting other muscle groups in a spatiotemporal manner via local secretion of molecules known as neurotransmitters. This study particularly focuses on whether neuropeptides modulate such neurotransmission to prevent locomotion. Neuropeptides are small protein-like molecules that are secreted by specific neurons and that act in the brain by activating G protein-coupled receptors (GPCRs) expressed in other target neurons. They can act as hormones, neuromodulators or neurotransmitters. DNA sequences coding for neuropeptides and their cognate receptors are similar across diverse species and thus indicate evolutionary conservation of their molecular signaling pathways. This could potentially also imply that regulatory functions of specific neuropeptides are also similar across species and are thus meaningful to unravel more general mechanisms for instance underlying locomotion inhibition.
Specifically, we find that the modulatory interneuron RIS constitutes a dedicated stop neuron of which the activity is sufficient to initiate rapid locomotion arrest in C. elegans while maintaining its body posture. Similar to its known function in larval sleep, RIS requires RFamide neuropeptides encoded by the flp 11 gene for this activity, in addition to GABA. Furthermore, we find that spontaneous calcium activity transients in RIS are compartmentalized and correlated with locomotion stop. These findings illustrate that a single neuron can regulate both stopping and sleeping phenotypes.
Secondly, we show that C. elegans RPamide neuropeptides encoded by nlp-22 and nlp-2 regulate sleep and wakefulness, respectively. We unexpectedly find that these peptides activate gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-like receptors dose dependently and we highlight their sequence resemblance to other bilaterian GnRH-like neuropeptides. In addition, we show that these receptors are expressed in distinct subsets of neurons that are associated with motor behavior. Finally, we show that nlp 22 encoded peptides signal through GNNR 6 receptors to regulate larval sleep and that nlp 2 encoded peptides require both GNRR 3 and GNRR 6 receptors to promote wakefulness.
In sum, we find that locomotion inhibition in C. elegans is regulated by multiple, but evolutionary conserved RFamide and GnRH-like RPamide neuropeptidergic signaling pathways.
The peptide loading complex (PLC) is a central machinery in adaptive immunity ensuring antigen presentation by major histocompatibility complex class I (MHC I) molecules to immune cells. If nucleated cells present foreign antigenic peptides from various origins (e.g., viral infected or cancer cells) on their cell surface they are targeted and eliminated by effector cells of the immune system to protect the organism against the hazard. The antigen presentation process starts with proteasomal degradation. Peptide loading and quality control of most, if not all, MHC I is performed by the PLC. Despite the main components, architecture, and general functions of this labile and multi-subunit assembly have been described, knowledge about the inner mechanics of MHC I loading and quality control in the PLC is limited. Detailed structural insights into the interactions and functions of key elements are lacking. In this PhD thesis, structural and functional aspects of the PLC in peptide loading and quality control of MHC I are unraveled, and the PLC was analyzed from an evolutionary perspective.
First, composition and architecture of native PLC isolated from different mammalian species was analyzed. Comparison of detergent-solubilized PLC from cow and sheep spleens with PLC isolated from human source showed a compositional conservation in mammals, with the central components TAP, ERp57, tapasin, calreticulin, and the MHC I heterodimer were conserved in these species. Negative-stain electron microscopy (EM) analyses revealed an identical overall architecture of PLCs from human, sheep, and cow with two major densities at opposing sides of the plane of the detergent micelle corresponding to endoplasmic reticulum (ER) luminal and cytosolic domains. Interestingly, the glucose-regulated protein 78 (GRP78) was associated only with the PLC from sheep and cow as revealed by mass spectrometry. This ER chaperone is involved in initial folding steps of MHC I but was not co-purified with human PLC, rendering it an interesting target for future functional and in-depth structural studies.
The human PLC was stabilized by reconstitution in membrane mimicking systems that replace the detergent, which is necessary to solubilize the complex. This stabilization allowed detailed structural analysis by single-particle cryogenic electron microscopy (cryo-EM). The structure of the MHC I editing module in the PLC, composed of tapasin, ERp57, calreticulin, MHC I, and β-2-microglobulin (β2m), was solved at an overall resolution of 3.7 Å. Within the structure, two important features were visualized: (i) the editing loop of tapasin, which is directly involved in peptide proofreading of MHC I; (ii) the A-branch of the Asn86 tethered N-linked glycan on MHC I. Both features are crucial elements in the quality control and peptide editing process on MHC I. The editing loop interacts with the peptide binding groove in MHC I. It disturbs the interaction between a cargo peptide C terminus and the F-pocket in the binding groove by displacing Tyr84 and the helices α1 and α2. The helix displacement widens the F-pocket which allows a faster peptide exchange on MHC I. The glycan is bound in its monoglucosylated form (Glc1Man9GlcNAc2) by the lectin domain of calreticulin. The A-branch of this glycan is stretched between MHC I Asn86 and the lectin domain, leading to the hypothesis that the glycan will be released from calreticulin once MHC I is loaded with a favored peptide (pMHC I).
For investigation of the glycan status of MHC I, intact protein liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) was performed under denaturating conditions. An allosteric coupling between peptide loading and removal of the terminal glucose by α-Glucosidase II (GluII) was discovered. In addition, the PLC remained fully intact after peptide loading, which demonstrated GluII action on the PLC once MHC I is loaded.
With establishing GluII as transient interaction partner, this work deepens the knowledge of the molecular sociology of the PLC and how the PLC is involved in the endoplasmic reticulum quality control (ERQC). Further investigation of the ER aminopeptidases ERAP1 and ERAP2 showed that these enzymes neither alone nor together stably interact with the PLC. In contrast, both work independent from the PLC on free peptides in the ER.
LC-MS analysis of the PLC components revealed a very unusual glycosylation pattern of tapasin. Tapasin was observed with N-linked glycans ranging from the full glycan (Man9GlcNAc2) to heavily trimmed glycans, where only a single GlcNAc remained attached to Asn233. In the PLC, tapasin is probably shielded from degradation by ERQC and can remain functional and intact without a full N-linked glycan.
Recent advances in artificial neural networks enabled the quick development of new learning algorithms, which, among other things, pave the way to novel robotic applications. Traditionally, robots are programmed by human experts so as to accomplish pre-defined tasks. Such robots must operate in a controlled environment to guarantee repeatability, are designed to solve one unique task and require costly hours of development. In developmental robotics, researchers try to artificially imitate the way living beings acquire their behavior by learning. Learning algorithms are key to conceive versatile and robust robots that can adapt to their environment and solve multiple tasks efficiently. In particular, Reinforcement Learning (RL) studies the acquisition of skills through teaching via rewards. In this thesis, we will introduce RL and present recent advances in RL applied to robotics. We will review Intrinsically Motivated (IM) learning, a special form of RL, and we will apply in particular the Active Efficient Coding (AEC) principle to the learning of active vision. We also propose an overview of Hierarchical Reinforcement Learning (HRL), an other special form of RL, and apply its principle to a robotic manipulation task.
Ziel: Ziel dieser Studie war es die Verweildauerraten, sowie die komplikationslosen Verweil-dauerraten von rein zahn, rein implantat und kombiniert zahn-implantatgetragenen Galvano-Konusprothesen auf keramischen Primärteilen im Oberkiefer zu untersuchen. Zusätzlich wurden durchgeführte Reparaturen, sowie die Patientenzufriedenheit ausgewertet.
Methode: 83 Patienten, welche im Zeitraum von 1999-2012 am ZZMK eine Galvano-Konusprothese im Oberkiefer erhalten haben wurden retrospektiv nachuntersucht. Die Patientenzufriedenheit wurde anhand eines Fragebogens erhoben, welcher mittels 22 Fragen die Bereiche „Ästhetik“, „Prothesenhalt-bzw. funktion“ und die „Reinigungsmöglichkeit der Prothese“ aus Patientensicht evaluiert. Als Zielereignis der Kaplan-Meier Verweildaueranalyse wurde die erste Reparatur, das Versagen der Prothese, sowie der Pfeiler- bzw. der Implantatverlust definiert. Reparatur- und Nachsorgemaßnahmen wurden deskriptiv erhoben.
Ergebnisse: Es konnten 83 Prothesen und 477 Pfeiler nachuntersucht werden. Der mittlere Beobachtungszeitraum betrug 3,9 Jahre. Die 3- ,5- und 10- Jahres Verweildauerraten der Prothesen lagen bei 98,2%, 95,5% bzw. 70,7%. Die konstruktionsbezogene Pfeilerüberlebensrate bis zum ersten Pfeilerzahnverlust betrug 98,2% nach 3 Jahren, 92,9% nach 5 Jahren und 29,2% nach 10 Jahren. Die häufigste Ursache eines Versagens war der Mehrfachverlust von Pfeilern (n=5). Eine Prothese versagte aufgrund eines Gerüstbruchs (n=1). Es konnte keine signifikanten Unterschiede in der Verweildauerrate bis zum Prothesenverlust, sowie in der komplikationslosen Verweildauerrate zwischen rein zahn, rein implantat und kombiniert zahn-implantagetragenen Prothesen festgestellt werden. Zu den häufigsten Reparaturen zählten Erweiterungen nach Pfeilerverlusten, Verblendreparaturen, Dezementierungen der Primärkronen und Frakturen von Prothesenzähnen. Die häufigste Nachsorgemaßnahme war die Druckstellenentfernung. Die Patientenzufriedenheit mit der Galvano-Konusprothese erwies sich als sehr hoch. Die Ästhetik, der Prothesenhalt und die Reinigungsmöglichkeit des Zahnersatzes wurden unabhängig der Verankerungsart durchgängig positiv bewertet.
Schlussfolgerung: Die Galvano-Konusprothese hat sich als hochwertiger herausnehmbarer Zahnersatz bewährt, welcher hohe Verweildauerraten aufweist und dessen Reparaturanfälligkeit vergleichbar mit anderen Doppelkronenversorgungen ist.
Die akute myeloische Leukämie (AML) ist eine aggressive Erkrankung des Knochenmarks, welche die Hämatopoese beeinträchtigt und zu Knochenmarksversagen führt. Trotz des Fortschritts in der AML-Therapie bleibt die Prognose für die meisten Patienten schlecht, sodass neue Therapieansätze für die Behandlung dringend benötigt werden. Autophagie, ein kataboler Abbauprozess von zellulären Komponenten, ist nachweislich an der Entstehung von AML beteiligt. Als zentraler Regulator von Zellüberleben, Homöostase und Stoffwechsel, dient die Autophagie als Nährstoffquelle durch die Wiederverwertung von Makromolekülen während begrenzter Energieversorgung. AML-Zellen benötigen ein konstantes Nährstoff- und Energieniveau, um ihre Vermehrung aufrechtzuerhalten. Dies wird durch eine Umstellung von Stoffwechselwegen, insbesondere des mitochondrialen Stoffwechsels einschließlich der oxidativen Phosphorylierung (OXPHOS) und des Tricarbonsäurezyklus (TCA), erreicht.
Mehrere Studien haben die Hemmung der Autophagie für die Behandlung von Krebs als vielversprechenden Ansatz vorgestellt. Doch eine Monotherapie mit Autophagie-Inhibitoren erzielte nur eine geringfügige Wirksamkeit. Eine mögliche Erklärung hierfür ist die Entstehung von Kompensationsmechanismen, die zum Ausgleich der Autophagie-Hemmung in Krebszellen entstehen. Bis heute sind diese Kompensationsmechanismen kaum untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es, ein geeignetes Autophagie-Gen zu identifizieren, mit dem sich die Rolle der Autophagie-Hemmung für das Überleben von AML-Zellen untersuchen lässt. Zusätzlich sollen die kompensatorischen Mechanismen, die durch die Autophagie-Hemmung in AML-Zellen entstehen können, untersucht werden, um neue metabolische Angriffspunkte zu identifizieren, die für Kombinationstherapien genutzt werden können.
Zu Beginn der Arbeit wurde ein gezielter CRISPR/Cas9 Screen in zwei humanen AML-Zelllinien durchgeführt, um Autophagie-Gene zu identifizieren, deren Verlust eine Proliferationsstörung in AML-Zellen verursacht, welche überwunden werden kann. Validierungsexperimente zeigten, dass der Verlust von ATG3 das Zellwachstum signifikant verminderte. Außerdem zeigte die Messung des Autophagie-Fluxes, dass der Verlust von ATG3 die Autophagie stark beeinträchtigte. Dies wurde durch eine Western-Blot-Analyse, die eine beeinträchtigte LC3-Lipidierung zeigte, und durch eine Immunfluoreszenzanalyse der Autophagosomen-Bildung mittels konfokaler Mikroskopie, die eine geringere Anzahl von Autophagosomen in ATG3-defizienten Zellen ergab, bestätigt. Deshalb wurde der Knockdown von ATG3 in AML Zellen verwendet, um die Mechanismen, die zum Ausgleichen der Autophagie-Hemmung entstehen, zu untersuchen. Zuerst wurde die Zellproliferation in fünf verschiedenen AML Zelllinien über sieben Tage betrachtet. In allen Zellenlinien führte der Verlust von ATG3 mittels small hairpin RNA zu verminderter Zellproliferation. Diese Ergebnisse zeigen die wichtige Rolle von ATG3 in der Autophagie und dass Autophagie-Hemmung durch ATG3-Verlust das Wachstum von AML-Zellen beeinträchtigt.
Da der Verlust von ATG3 die Proliferation von AML-Zellen beeinträchtigte, wurde eine Zellzyklusanalyse durchgeführt. Eine reduzierte S-Phase bestätigte die verminderte Proliferation in ATG3-depletierten AML-Zellen, doch der Zellzyklus war grundsätzlich nicht gestoppt. Darüber hinaus ergab die Analyse der Apoptose, dass diese unter dem Verlust von ATG3 erhöht war, aber etwa 50% der Zellen blieben vital. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass AML-Zellen trotz des Verlusts der ATG3-abhängigen Autophagie weiter proliferieren können.
Um die Mechanismen zur Kompensation der Autophagie-Hemmung zu untersuchen, wurden die Auswirkungen des ATG3-Verlusts auf die mitochondriale Homöostase untersucht. Die Mitophagie sowie das mitochondriale Membranpotenzial und die Masse unterschieden sich zwischen Kontroll- und ATG3-depletierten AML-Zellen nicht, was darauf hindeutet, dass die mitochondriale Homöostase durch den Verlust von ATG3 nicht beeinträchtigt ist. Als nächstes wurde die mitochondriale Funktion durch Messung des ATP-Spiegels und der OXPHOS untersucht. Die ATP-Level und die OXPHOS waren nach dem Verlust von ATG3 in AML-Zellen erhöht, was auf eine gesteigerte mitochondriale Aktivität bei Autophagie-Defizienz hinweist.
Hintergrund: Asthma ist die häufigste chronische Krankheit bei Kindern und Jugendlichen. Asthma-Exazerbationen sind ein häufiger Grund für Vorstellungen in der Notaufnahme und für Krankenhausaufenthalte. Die routinemäßige Gabe von Antibiotika bei einem akuten schweren Asthma wird von den Leitlinien nicht empfohlen, trotzdem erfolgt sie sowohl im ambulanten als auch im stationären Bereich. Das primäre Ziel dieser Promotion war es, die Häufigkeit der Gabe von Antibiotika während Asthma-Exazerbationen, die eingesetzten Antibiotikaklassen, den Einfluss des CRP Spiegels und die klinischen Kriterien, die zur Antibiotikagabe führten, zu analysieren.
Methoden: Es handelte sich um eine retrospektive Analyse von 660 Kindern und Jugendlichen im Alter von 6 bis 17 Jahren, die während eines Zeitraums von 10 Jahren (2008 - 2018) mit der ICD Diagnose Asthma Bronchiale (J.45) stationär am Universitätsklinik Frankfurt/Main stationär behandelt wurden. Akutes, schweres Asthma wurde definiert als Dyspnoe, Tachypnoe, Sauerstoffbedarf und/oder systemische Steroidtherapie. Antibiotikagabe ohne Indikation wurde definiert als Gabe von Antibiotika bei einem CRP <2 mg/dl, keiner radiologischen Evidenz einer Pneumonie, oder keiner Indikation zur Durchführung eines Röntgenbildes und keinem anderen Grund zur Antibiotikagabe. Analysiert wurden u.a. Alter, Geschlecht, Intensivstationsaufenthalt, Liegedauer, Erstdiagnose oder bekanntes Asthma, Sauerstoffbedarf, Laborparameter, Lungenfunktion, Röntgen, Phänotypen, Therapie und Anzahl der Re-Hospitalisierungen.
Ergebnisse: 350 Aufnahmen erfüllten die Einschlusskriterien. Es erfolgte bei jüngeren Kindern häufig eine Antibiotikagabe (6 - 11 Jahre 57,6% und 12 - 17 Jahre 39,7%). Bei 26% der Aufnahmen wurde ein Antibiotikum ohne Indikation verabreicht, dabei waren Makrolide die häufigste Antibiotikaklasse. Die Gruppe der PatientInnen, die ein Antibiotikum ohne Indikation erhielten, unterschieden sich von der Gruppe, die kein Antibiotikum erhielten in Alter (9 ± 6 Jahre vs. 11 ± 6 Jahre; p-Wert 0,024), Sauerstoffbedarf (46,2% vs. 26,3%; p<0.001) und CRP-Wert (0,79 ± 0,92 mg/dl vs. 0,23 ± 0,46 mg/dl; p<0.001), aber nicht im Vorhandensein von Fieber (14,3% vs. 10,6%; n.s.). 10,3 % der PatientInnen wurden in den 10 Jahren re-hospitalisiert. Es fanden sich klinisch keine Unterschiede zwischen den re-hospitalisierten PatientInnen und den anderen Patienten.
Schlussfolgerung: Antibiotikagabe ohne klare Indikation während einem akuten, schweren Asthma war in unserer Kohorte häufig. Klinische Parameter einer schwereren Erkrankung beeinflussten die Entscheidung zur Antibiotikagabe, obwohl keine Hinweise auf eine bakterielle Infektion vorlagen und nicht zu einem verbesserten Outcome führten. Gründe der Re-Hospitalisierung von PatientInnen sollten weiter untersucht werden, mit besonderem Fokus auf ausreichende Allergiediagnostik und Evaluierung der Compliance.
Die MicroRNA-193b (miR-193b) fungiert in Akuter Myeloischer Leukämie (AML) als Tumorsuppressor und als Biomarker zur Prädiktion der Überlebenswahrscheinlichkeit bei erwachsenen sowie kindlichen AML-Patienten. Die Expression der miR-193b ist in allen AML-Entitäten reduziert, mit Ausnahme der Akuten Promyelozyten Leukämie (APL), bei der das Level an miR-193b erhöht ist. APL ist auch die einzige Form der AML, bei der All-Trans-Retinoinsäure (ATRA) leit-liniengerecht und effektiv zur Therapie angewendet wird.
In Vorarbeiten konnte gezeigt werden, dass der antileukämische irreversible Inhibitor der Lysin-spezifischen Histon Demethylase 1 (LSD1) GSK-LSD1 die Expression von miR-193b induziert. Dadurch wird in murinen Homebox protein A9 (Hoxa9)/Meis Homebox Protein 1 (Meis1) AML-Zellen zumindest ein Teil der tumorsuppressiven Wirkung von GSK-LSD1 über die Hochregulation von miR-193b vermittelt.
Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Gültigkeit des potenziellen GSK-LSD1-Wirkmechanismus über die Induktion von miR-193b in humanen Zellen zu untersuchen. Weitere Ziele waren die Erforschung der Rolle der miR-193b bei dem Behandlungseffekt von ATRA in humaner AML und APL sowie die Untersuchung einer potenziell protoonkogenen Eigenschaft der miR-193b in APL. Der methodische Ansatz dieser Arbeit basierte auf einer Senkung bzw. Erhöhung des intrazellulären miR-193b-Levels mittels Locked nucleic acids (LNA) bzw. lentiviraler miR-193b-Überexpression und anschließender Behandlung der Zellen mit den Wirkstoffen. Es wurden Proliferationskurven erstellt und der Differenzierungsgrad durchflusszytometrisch bestimmt. Eine hohe Aufnahmeeffizienz und Effektivität der LNA und des lentiviralen Überexpressionsvektors wurde durchflusszytometrisch und per quantitativer Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) bestätigt.
Zur Untersuchung der Rolle der miR-193b bei dem Behandlungseffekt von GSK-LSD1 wurden die AML-Linien ML-2 und MOLM-13 sowie die APL-Zelllinie NB-4 mit LNA transfiziert bzw. mit dem Überexpressionsvektor transduziert und mit GSK-LSD1 behandelt. Die Populationen mit reduziertem miR-193b-Level wiesen nach 96 Stunden eine unverändert reduzierte Proliferation und Differenzierung auf. Hingegen zeigten miR-193b-überexprimierende Zellen nach GSK-LSD1-Behandlung einen signifikant stärkeren antiproliferativen Effekt. ML-2 Zellen wiesen zudem eine signifikant gesteigerte Differenzierung auf, gemessen an der Expression des Differenzierungsmarkers CD11b.
Die erhöhten miR-193b-Level in APL-Patienten konnten in der APL-Zelllinie NB-4 mittels qPCR bestätigt werden. NB-4 weist eine über 60-fach höhere miR-193b Expression als ML-2 (AML) auf. Zur Überprüfung einer onkogenen Eigenschaft der miR-193b in APL wurde das zelluläre miR-193b-Level in NB-4-Zellen durch LNA reduziert und anschließend die Proliferationskurve über 12 Tage bestimmt und die Differenzierungsmarker CD11b und CD13 gemessen. Proliferation und Differenzierungsgrad blieben nach Reduktion der miR-193b in NB-4-Zellen unverändert.
Die gleichzeitige Behandlung von NB-4 mit ATRA und miR-193b-LNA zeigte nach 96 Stunden den gleichen antiproliferativen und differenzierungsinduzierenden Effekt wie bei ATRA allein. Auch bei den AML-Zelllinien ML-2 und MOLM-13 wirkte die ATRA-Behandlung bei reduziertem miR-193b-Level unverändert differenzierungsinduzierend und antiproliferativ. Hingegen führte eine ATRA-Behandlung der AML-Zelllinien bei erhöhtem miR-193b-Level zu einer Verstärkung des antiproliferativen Effekts. Bei beiden AML-Zelllinien wurde die Proliferation mehr als doppelt so stark reduziert als bei alleiniger ATRA-Behandlung.
Diese Arbeit konnte zeigen, dass miR-193b kein Protoonkogen in der APL-Zelllinie NB-4 ist. Außerdem weisen die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass die Wirkungseffekte von sowohl GSK-LSD1 als auch von ATRA, weder in APL noch in AML, über die Induktion der miR-193b vermittelt werden. Hingegen zeigt sich bei beiden Wirkstoffen in AML-Zellen ein additiver antileukämischer Effekt bei Behandlung mit gleichzeitiger Erhöhung des miR-193b-Levels. Die molekulare Begründung hierfür ist möglicherweise eine gemeinsame Modulation der Mitogen-aktivierten Protein Kinase (MAPK)-Signaltransduktionskaskade und bedarf weiterer Experimente zur Überprüfung dieser Hypothese. Ausblickend stellen die Ergebnisse dieser Arbeit die miR-193b als einen interessanten Kombinationspartner für die Therapie mit GSK-LSD1 oder ATRA, bzw. generell für den MAPK Signalweg beeinflussende Medikamente, dar, sobald eine sichere und effiziente Einschleusung von MicroRNAs in Patienten möglich ist.
In der vorliegenden Arbeit wurden selbstanordnende Monolagen (SAMs) entwickelt, welche als gassensitive Schichten auf Goldoberflächen mit kanzerogenem Benzol reversibel wechselwirken. Der Fokus lag dabei auf elektronenarmen Systemen und insbesondere auf hochfluorierten Aromaten. Insgesamt wurden 18 neuartige SAM-Präkursoren mit Substituenten, die starke Dipolmomente induzieren, hergestellt, die mit Hilfe von Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen an Goldoberflächen angebunden wurden. Die Charakterisierung dieser Schichten erfolgte mit diversen oberflächenanalytischen Methoden, wie Ellipsometrie und Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS). Für die Erforschung der Selektivität und Sensitivität der präparierten Monolagen wurden Austrittsarbeitsänderungen mit Hilfe einer KELVIN-Sonde gemessen und aus diesen Erkenntnissen systematische Veränderungen an den sensoraktiven Molekülen vorgenommen. So wurden der Fluorierungsgrad des aromatischen Systems, die Kettenlänge des Spacers sowie weitere vielversprechende Strukturmotive untersucht. Insbesondere hochfluoriere Derivate mit CF3-Substituenten zeigten die höchsten Sensitivitäten gegenüber Benzol. Weiterhin wurde ein neues Infrarot-Messprinzip entwickelt und etabliert, welches in situ Messungen während eines Überleitens gasförmiger Analyten ermöglichte. Diese Ergebnisse belegen eine Interaktion zwischen Analyten und Monolage.
Ein weiteres Projekt befasste sich mit elektronenarmen aromatischen Monolagen, die über Cystamin-Einheiten an Goldoberflächen angebunden wurden, sich aber in den dipolaren Kopfgruppen unterschieden. Dieses Vorgehen ermöglicht die Herstellung von SAMs gleicher Packungsdichten, sodass lediglich die unterschiedlichen Substituenten die elektronischen Eigenschaften beeinflussen. Die resultierenden Monolagen wurden mittels mit Rastertunnelmikroskopie, Ellipsometrie, IRRAS sowie Wasserkontaktwinkel-Goniometrie untersucht. Durch eine relativ einfache Veränderung der Kopfgruppe, wobei F3C , F3CS, H3C- sowie NC-Reste eingeführt wurden, war es möglich, die Austrittsarbeit einer Goldoberfläche in einem Bereich von 4.9 bis 5.6 eV einzustellen. Zusätzlich konnte ein gemischtes Disulfid synthetisiert werden, welches eine echte gemischte SAM auf der Goldoberfläche bildete. Dieses Konzept könnte in Zukunft eine noch präzisere Modifizierung der Austrittsarbeit zulassen, was die Entwicklung von effizienteren elektronischen Bauelementen auf Basis von organischen n Typ-Halbleitern ermöglicht.
Abschließend wurden teilfluorierte Benzonitril-Derivate mit Thiolat- bzw. Selenolat-Ankergruppen erforscht, welche als SAMs Informationen über den dynamischen Ladungstransport lieferten. Die Präkursoren unterscheiden sich lediglich im Fluorierungsmuster, welches das Dipolmoment der Gesamtstruktur beeinflusst. Die hergestellten Monolagen wurden mit einer Vielzahl oberflächenanalytischer Methoden (IRRAS, Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronen- sowie Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie) charakterisiert, die alle die Bildung geordneter SAMs belegten und auf eine eher aufrechte Orientierung der Moleküle auf der Oberfläche hindeuteten. Die Bestimmung der Elektronentransfer-Zeiten mit Hilfe der sogenannten core-hole-clock-Methode zeigte überraschenderweise, dass durch eine Änderung des Substitutionsmusters der Fluoratome der Elektronenübergang nicht beeinflusst werden. Dementsprechend hat das Dipolmoment innerhalb des molekularen Gerüsts keinen signifikanten Einfluss auf die Elektronentransfer-Dynamik.
Die CMV-Infektion ist die häufigste opportunistische Infektion nach Nierentransplantation und wird mit einem erhöhten Risiko für Mortalität und Transplantatverlust assoziiert. Das Risiko an einer CMV-Infektion zu erkranken, wird vom Serostatus des Spenders und Empfängers beeinflusst. Dabei sind besonders Patienten mit Hochrisikokonstellation (D+/R–) betroffen. Bei seropositiven Transplantatempfängern (D+/R+, D–/R+) wird ebenfalls ein erhöhtes Risiko durch Reaktivierung des latent vorkommenden Virus oder Sekundärinfektion mit einem exogenen Virusstamm vermutet. Mithilfe von präventiven Maßnahmen wie der präemptiven und prophylaktischen Therapie kann die Rate an Infektionen gesenkt werden.
In dieser Studie wurden 441 Patienten, die in dem Zeitraum von 2006-2013 am Universitätsklinikum Frankfurt eine Nierentransplantation erhielten, retrospektiv untersucht. Ziel der Studie war es, den Einfluss des CMV-Serostatus, der Infektionsprophylaxe sowie der CMV-Infektion auf die Mortalität, das Transplantatüberleben und die Rejektion zu untersuchen. Da CMV-Infektionen meist in den ersten drei Monaten nach Transplantation oder nach Absetzen einer antiviralen Medikation auftreten, wählten wir eine zweijährige Verlaufsbeobachtung. Unsere Hypothese war, dass der Serostatus trotz regelhafter präventiver Maßnahmen mit einer Verschlechterung der Nierenfunktion assoziiert ist. Aufgrund neuer Empfehlungen wurde ab 2010 bei der Mehrheit der Transplantatempfänger eine Prophylaxe mit (Val)Ganciclovir durchgeführt. Folglich wurden die Zeiträume von 2006-2009 sowie von 2010-2013 miteinander verglichen.
In den Jahren von 2010-2013 konnten wir die höchste Infektionsinzidenz für die Hochrisikogruppe, gefolgt von der intermediären Risikogruppe (D+/R+, D–/R+), nachweisen. Beide Gruppen dokumentierten vermehrt CMV-Erkrankungen und Viruslasten im oberen Bereich (> 10.000 Kopien/ml). Diese zeigten jedoch keinen statistisch signifikanten Unterschied zu den anderen Serostatus-Konstellationen auf. Die Infektionsinzidenz in diesem Zeitraum war wiederum mit einem erhöhten Transplantatverlust assoziiert. Durch den prophylaktischen Einsatz von (Val)Ganciclovir konnte das Transplantatüberleben signifikant verlängert werden.
Im Vergleich der Zeiträume vor und nach 2010 stellte sich die D+/R+ Gruppe mit einem verbesserten Transplantatüberleben, die D–/R+ Gruppe mit verbessertem Patientenüberleben dar. Diese Gruppen konnten vermutlich von einer Ausweitung der Prophylaxe profitieren. Bezüglich der Rejektionen empfehlen wir für eine aussagekräftige Auswertung die Beachtung potenzieller Einflussgrößen wie die Immunsuppression und HLA-Merkmale. Rein deskriptiv lag das Auftreten von Rejektionen zeitlich vor den Infektionsereignissen. Die Niedrigrisikogruppe zeigte das geringste Abstoßungsrisiko.
Der Serostatus alleinig erscheint in unserer Studie keinen ausreichenden Hinweis auf das Outcome nach Transplantation zu geben. Allerdings waren CMV-Infektionen in den verschiedenen Zeiträumen maßgeblich mit einem verringerten Transplantat- oder Patientenüberleben assoziiert und sollten deshalb vermieden werden. Die Prophylaxe mit (Val)Ganciclovir stellte sich im gesamten untersuchten Zeitraum als effektive Therapie für ein verbessertes Transplantatüberleben dar.
Ein limitierender Faktor war die Vergleichbarkeit der Gruppen durch die unterschiedliche Patientenanzahl. Daten zur Infektion lagen uns erst ab dem Jahr 2009 vor. Bezüglich der Mortalität schätzen wir die Nachbeobachtungszeit von zwei Jahren zu gering ein, um signifikante Ergebnisse zu erzielen. Hervorzuheben ist, dass durch die Umstellung der Therapiemaßnahmen zwei interessante Patientenkollektive geschaffen wurden, an welchen die Auswirkungen der Prophylaxe dargestellt werden konnten. Mithilfe unserer Daten aus insgesamt acht Jahren mit zweijähriger Verlaufsbeobachtung, schätzen wir das am Universitätsklinikum Frankfurt durchgeführte Therapieregime nach 2010 als wirksame CMV-Prophylaxe ein. Um die Infektionsrate künftig weiterhin zu reduzieren, sind weitere Studien nötig, mit deren Hilfe Risikopatienten identifiziert, die Diagnostik erweitert und Therapien verbessert werden. Ansätze hierfür gibt es beispielsweise beim Einsatz des mTOR-Inhibitors Everolimus, der mit einer niedrigen Rate an CMV-Infektionen assoziiert wird. Auch die Anwendung neuerer Testmethoden, wie z. B. die Messung CMV-spezifischer T-Zellen, sollen dazu beitragen, Patienten mit erhöhtem Infektionsrisiko frühzeitig zu erkennen.
Due to their sessile nature, plants are constantly exposed to an everchanging environment. When these changes exceed certain limits, they can significantly impact plant growth and development, which, in case of crop plants, has consequences on food security. Exposure to high temperatures causes heat stress (HS), one of the most devastating stresses that plants can face. The survival and recovery from HS are dependent on the activation of the HS response (HSR), a collection of molecular mechanisms conferring HS tolerance by maintaining the cellular homeostasis. Stress responses follow a strictly orchestrated network of signal perception and -transduction, ultimately resulting in an adaptive cellular output. Thereby, the massive reshaping of the transcriptome plays a major part, in which heat stress transcription factors (HSFs) play the key role by inducing the expression of HS-responsive genes, including heat shock proteins and other transcription factors. Additionally, alternative splicing (AS), the selective usage of splice sites, contributes to the rapid adjustment of the transcriptome landscape by producing different mRNA variants from a single gene. Consequently, this results in the reduction of translatable transcripts by nonsense-mediated mRNA-decay or nuclear retention, but also enhances the proteome diversity by allowing the synthesis of protein isoforms with distinct functions. AS thereby modulates the activity of important regulatory factors like HSFA2 in Solanum lycopersicum (tomato). HSFA2 is the key factor of acquired thermotolerance (ATT), which enables the ability to survive a potentially lethal HS through pre-exposure to a preceding mild HS. Temperature-dependent AS leads to the synthesis of two HSFA2 protein variants, whereby inhibition of splicing ensures the synthesis of the stable isoform HSFA2-I that is required for ATT.
Transcriptome analysis of several plant species exposed to HS has highlighted the strong impact of high temperatures on the regulation of pre-mRNA splicing. Despite its importance, little is known about the molecular basis of the AS regulation in plants. Particularly for an economically important crop like tomato, understanding the regulation of HS-sensitive AS will contribute to the description of such an important regulatory mechanism but also might offer new insights for increasing HS resilience. Serine/arginine-rich proteins (SR proteins) are central regulators of constitutive and AS by modulating the splice site selection by the spliceosome. This study describes two members of the RS2Z subfamily of SR proteins in tomato, namely RS2Z35 and RS2Z36, which act as core regulators of AS under HS and consequently as central factors for thermotolerance. This study investigates the interaction of the two RS2Z proteins with the HSFA2 pre-mRNA and provides evidence for their function as splicing repressors in this particular AS event. Thereby, RS2Z proteins play an important role in the HSR by modulating the AS of the key factor of the ATT. Furthermore, based on global transcriptome analysis of knockout mutants of single or both RS2Z genes, it is demonstrated that RS2Z proteins are involved in the splicing of pre-mRNAs of almost 2000 genes. Moreover, RS2Z proteins act as splicing regulators and take part in a large portion of HS-induced AS events, thus playing a broader role in AS regulation. Furthermore, the HS-induced RS2Z36 is involved in basal thermotolerance (BTT), highlighting its importance for the basic HS resilience capacity of tomato. In addition, RNA sequencing demonstrates that RS2Z proteins–especially RS2Z36–regulate the expression of proteins involved in plant immunity. The study thereby provides experimental evidence for the important and essential role of SR proteins for plant thermotolerance and suggests the existence of RS2Z-mediated crossroads of different stress responses.
This thesis presents a first-of-its-kind phenomenological framework that formally describes the development of acquired epilepsy and the role of the neuro-immune axis in this development. Formulated as a system of nonlinear differential equations, the model describes the interaction of processes such as neuroinflammation, blood- brain barrier disruption, neuronal death, circuit remodeling, and epileptic seizures. The model allows for the simulation of epilepsy development courses caused by a variety of neurological injuries. The simulation results are in agreement with ex- perimental findings from three distinct animal models of epileptogenesis. Simula- tions capture injury-specific temporal patterns of seizure occurrence, neuroinflam- mation, blood-brain barrier leakage, and progression of neuronal death. In addition, the model provides insights into phenomena related to epileptogenesis such as the emergence of paradoxically long time scales of disease development after injury, the dose-dependence of epileptogenesis features on injury severity, and the variability of clinical outcomes in subjects exposed to identical injury. Moreover, the developed framework allows for the simulation of therapeutic interventions, which provides insights into the injury-specificity of prominent intervention strategies. Thus, the model can be used as an in silico tool for the generation of testable predictions, which may aid pre-clinical research for the development of epilepsy treatments.
Hintergrund: Das Benigne Prostatasyndrom (BPS) stellt die klinische Ausprägung der Benignen Prostatahyperplasie (BPH), eine Volkskrankheit der männlichen Bevölkerung, dar. Die Prostataarterienembolisation (PAE) ist ein junges, minimal-invasives Therapieverfahren, bei dem die Gefäße, welche die Prostata versorgen, mittels Embolisaten blockiert werden. Die Blutversorgung des embolisierten Gewebes wird dadurch unterbunden und nekrotisiert in der Folge. Dieser Infarkt lässt sich über eine Diffusionsminderung in der Magnetresonanztomographie (MRT) nachweisen. Aufgrund des technisch anspruchsvollen Verfahrens und der Komplexität der prostatischen Gefäße findet die Magnetresonanzangiographie (MRA) immer mehr Beachtung zur strahlenfreien Visualisierung des Gefäßverlaufs. Das Ziel dieser Doktorarbeit bestand darin, mögliche prädiktive Faktoren für den Therapierfolg der PAE aufzudecken und dabei die Interventionsplanung, unter Anwendung und Nichtanwendung einer MRA, zu vergleichen.
Material und Methodik: In diese retrospektive Arbeit wurden 259 Patienten, die an dem Institut für Diagnostische und Interventionelle Radiologie der Universitätsklinik Frankfurt am Main eine PAE erhielten, eingeschlossen. Das Kollektiv wurde in zwei Gruppen, abhängig vom Vorhandensein einer präinterventionellen MRA, eingeteilt. Bei 137 Patienten wurde die PAE mit einer präinterventionellen MRA Rekonstruktion ausgeführt (= Gruppe A). Bei 122 Patienten erfolgte die PAE ohne vorangehende MRA Rekonstruktion (= Gruppe B). Mit Hilfe der Fragebögen International Prostate Symptom Score (IPSS), International Index of Erectile Function (IIEF) und Quality of Life (QoL) sowie MRT-Messungen (Diffusionskoeffizient, Prostatavolumen) wurden die Daten vor und nach der PAE evaluiert. Als statistische Methoden wurden die deskriptive Datenanalyse, der gepaarte Wilcoxon-Test, der Wilcoxon-Mann-Whitney-U-Test für nicht-parametrische Variablen sowie die Korrelationsmatrix nach Spearman verwendet.
Ergebnisse: In Gruppe A konnte eine signifikant höhere mediane Prostatavolumenreduktion (rho = 0,1827, p = 0,032448) und eine Reduktion der Strahlendosis (p = 0,000000) im Vergleich zu Gruppe B erreicht werden. In Gruppe A wurde im Verlauf eine signifikant höhere Abnahme des Diffusionskoeffizienten festgestellt als in Gruppe B (p = 0,036303). Ein infarziertes Areal nach der PAE wurde zu 59,3% (n = 67) von Patienten der Gruppe A erreicht, zu 40,7% (n = 46) erreichten dies Patienten der Gruppe B. Innerhalb der Gruppe A korrelierte der initial gemessene Diffusionskoeffizient mit dem präinterventionellen IPSS (rho = 0,3259, p = 0,0213). Weiterhin korrelierten bei Einsatz einer MRA der vor der Behandlung gemessene Diffusionskoeffizient sowie der IPSS mit der Abnahme der Beschwerden (rho = 0,3138, p = 0,0285; rho = 0,6723, p = 0,0000) und der Volumenreduktion (rho = 0,3690, p = 0,0024; rho = 0,4681, p = 0,0020). Die Reduktion des Diffusionskoeffizienten korrelierte mit der Höhe der initialen Symptomatik (rho = 0,3703, p = 0,0127) und mit der Verbesserung der Beschwerden (rho = 0,3830, p = 0,0107).
Schlussfolgerung: In Zusammenschau aller Ergebnisse sind die präinterventionelle Messung des Diffusionskoeffizienten, IPSS Erhebung sowie die Prostatavolumetrie in Verbindung mit der MRA prognostisch sinnvoll. Was die vorliegende Studie leistet, sind erste Erkenntnisse auf einem bisher kaum am Menschen untersuchten Gebiet. Dieser strahlensparende, prognostische Ansatz könnte zu einer besseren Patientenselektion beitragen und weitere Ansätze für den Einsatz von Künstlicher Intelligenz schaffen. Damit könnten Strahlendosis, Kosten und Risiken minimiert werden.
Ob Klimawandel oder Luftverschmutzung: Die chemischen und physikalischen Prozesse in der Atmosphäre haben wichtige Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und Ökosysteme. Dabei ist die Atmosphäre mehr als ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Helium und Kohlenstoffdioxid. Es gibt zahlreiche Spurengase, deren Gesamtanteil am Volumen weniger als 1 % ausmacht. In dieser Arbeit werden Stickstoffoxide, Schwefeldioxid, Kohlenstoffmonoxid und Schwefelsäure näher betrachtet, die im Rahmen der flugzeugbasierten Messkampagne Chemistry of the Atmosphere: field experiment in Europe (CAFE-EU)/BLUESKY gemessen wurden.
Die Stickstoffoxide NO und NO2, als NOx zusammengefasst, besitzen hauptsächlich anthropogene Quellen, allen voran fossile Verbrennung und industrielle Prozesse. Zwischen NO und NO2 besteht ein photochemisches Gleichgewicht, sodass in der Atmosphäre vor allem NO2 in relevanten Konzentrationen vorkommt; dies wirkt aufgrund der Bildung von Salpetersäure, HNO3, in wässriger Lösung beim Einatmen ätzend und ist entsprechend gesundheitsschädlich. Troposphärisches Ozon, O3, wesentlicher Bestandteil von Sommersmog, wird hauptsächlich durch die Reaktion von NO mit Peroxiden (HO2 und RO2) gebildet. In der Stratosphäre entstehen NOx hauptsächlich durch die Photodissoziation von Lachgas, N2O, das aufgrund seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann und dort die wichtigste Stickstoffquelle darstellt. In der Stratosphäre tragen NOx zum katalytischen Abbaumechanismus des Ozons bei (Bliefert, 2002; Seinfeld and Pandis, 2016).
Schwefeldioxid, SO2, ist ein toxisches Gas, dessen atmosphärische Quellen hauptsächlich anthropogen sind, nämlich fossile Verbrennung und industrielle Prozesse; Senken sind trockene und feuchte Deposition, wobei letztere zu saurem Regen führen kann. Seit den 1980ern sinken die globalen SO2-Emissionen. SO2 kann in der Atmosphäre zu Sulfat und Schwefelsäure oxidiert werden, was Hauptbestandteil des Wintersmogs ist. Der wichtigste Mechanismus ist die Oxidation mit dem Hydroxylradikal, OH˙, unter Beteiligung von Wasserdampf. In der Stratosphäre ist Carbonylsulfid, OCS, die wichtigste Schwefelquelle, da es analog zum N2O dank seiner langen Lebenszeit von der Tropo- in die Stratosphäre transportiert werden kann (Bliefert, 2002; Seinfeld und Pandis, 2016). Typische Konzentrationen von Schwefelsäure sind 105 cm–3 nachts und 107 cm–3 tagsüber in der Troposphäre sowie 105 cm–3 tagsüber in der Stratosphäre (Clarke et al., 1999; Weber et al., 1999; Fiedler et al., 2005; Arnold, 2008; Kürten et al., 2016; Berresheim et al., 2000).
Kohlenstoffmonoxid, CO, ist ein toxisches Gas, das zu gleichen Teilen durch direkte Emissionen (v.a. Biomasseverbrennung und fossile Verbrennung) und In-situ-Oxidation (v.a. von Methan, Isopren und industriellen Kohlenwasserstoffen) in die Atmosphäre gelangt. Die Hauptsenke ist die Reaktion mit OH˙ in der Troposphäre. Seit 2000 sinkt die globale CO-Konzentration (Bliefert, 2002).
Doch neben Gasen sind auch Aerosolpartikel fester Bestandteil des Gemisches Luft, welche luftgetragene feste oder flüssige Teilchen sind. Primäre Aerosolpartikel werden direkt als solche in die Atmosphäre emittiert, während sekundäre Aerosolpartikel in der Atmosphäre gebildet werden, indem gasförmige Vorläufersubstanzen mit geringer Flüchtigkeit auf primären Partikeln kondensieren oder durch Zusammenclustern und Anwachsen komplett neue Partikel bilden. Aerosolpartikel ermöglichen als Wolkenkondensationskeime erst die Bildung von Wolken und wirken somit – neben ihrem direkten reflektierenden Effekt – durch Änderung der Wolkenbedeckung und -eigenschaften insgesamt kühlend aufs Klima und beeinflussen die lokalen und globalen Wasserkreisläufe. Doch sie haben auch negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und sind für eine Verkürzung der durchschnittlichen Lebensdauer in Regionen mit hohen Feinstaubbelastungen verantwortlich (Seinfeld und Pandis, 2016; Bellouin et al., 2020; World Health Organization, 2016).
Neben den bisher betrachteten neutralen, also ungeladenen Gasen und Partikeln sind Ionen in der Gasphase sowie geladene Partikel ebenfalls Bestandteil der Atmosphäre. Sie spielen bei vielen atmosphärischen Prozessen eine wichtige Rolle, wie etwa bei Gewittern, Radiowellenübertragung und ionen-induzierter Nukleation von Aerosolpartikeln. Die Hauptquellen für Ionisation in der Tropo- und Stratosphäre ist die galaktische kosmische Strahlung, die entgegen ihrem Namen hauptsächlich aus Protonen und α-Partikeln (primäre Partikel genannt) besteht und in der Erdatmosphäre durch Kollision mit Luftmolekülen Teilchenschauer von sekundären Partikeln (u.a. Myonen, Pionen und Neutrinos) hervorruft. Die primären und sekundären Partikel können die Luftmoleküle ionisieren unter Entstehung von N+, N2+, O+, O2+ und Elektronen. Sauerstoff reagiert rasch mit letzteren zu O– und O2–. Diese Kationen und Anionen reagieren weiter, bis Ionenclustern der Summenformeln (HNO3)n(H2O)mNO3– und H+(H2O)n(B)m gebildet werden, wobei B Basen wie Methanol, Aceton, Ammoniak oder Pyridin sind. Weitere Ionisationsquellen sind der Zerfall des Radioisotops 222Rn in Bodennähe und ionisierende Solarstrahlung oberhalb der Stratosphäre. Atmosphärische Ionen haben zwei wichtige Senken: die Wiedervereinigung, auch Rekombination genannt, bei der sich ein Kation und ein Anion gegenseitig neutralisieren sowie das Anhaften an Aerosolpartikeln. Letztere Senke ist vor allem in der Troposphäre aufgrund der relativ hohen Konzentration an Aerosolpartikeln relevant (Arnold, 2008; Viggiano und Arnold, 1995; Bazilevskaya et al., 2008; Hirsikko et al., 2011).
Die SAFE-KiDS-Studie wurde vom 18. Juni bis zum 10. September 2020 vor dem Hintergrund der Wiedereröffnung von Kindertagesstätten nach der ersten Welle von Infektionen mit SARS-CoV-2 durchgeführt. Es sollten epidemiologische Daten von Kindern und Mitarbeitenden in insgesamt 50 hessischen Kindertagesstätten gesammelt werden, um die Bedeutung dieser Einrichtungen für das Infektionsgeschehen nach Aufnahme des eingeschränkten Regelbetriebs zu beleuchten.
Als zentrale Untersuchungsmethode wurde die Dual-Swab Methode angewandt, um herauszufinden, ob diese für longitudinale Testungen bei Kindern geeignet ist. Für die Dual-Swab Methode wurden ein Wangen- sowie ein Analschleimhautabstrich getestet, um sowohl die respiratorische als auch die gastrointestinale Ausscheidung von SARS-CoV-2 zu erfassen. Alle freiwillig an der Studie teilnehmenden Sorgeberechtigten und Mitarbeitenden wurden gebeten, bei ihren Kindern, bzw. sich selbst, wöchentlich die Abstrichentnahme durchzuführen. Ziel war es, zu quantifizieren, wie häufig es zu inapparenten Infektionen in diesem Setting kommt. Es sollte zudem untersucht werden, ob die eigenständige Abstrichentnahme bzw. Testung durch Sorgeberechtigte eine geeignete Alternative zur Probengewinnung durch medizinisches Personal während der Pandemie darstellt.
859 Kinder im Alter zwischen 3 Monaten und 8 Jahren sowie 376 Mitarbeitende nahmen an der Studie teil. Insgesamt wurden 13.273 Abstriche, davon 7.366 Wangen- und 5.907 Analschleimhautabstriche, untersucht. Es konnte lediglich bei zwei Studienteilnehmenden und in insgesamt 3 Abstrichen eine SARS-CoV- 2 Infektion nachgewiesen werden. Bei beiden Personen handelte es sich um Mitarbeiterinnen. Bei keinem der an der Studie teilnehmenden Kinder konnte eine respiratorische oder gastrointestinale Ausscheidung von SARS-CoV-2 nachgewiesen werden. In einer Befragung am Ende der Studie wurde keine weitere, nicht in der Studie erfasste Infektion mit SARS-CoV-2 angegeben.
Das Ergebnis der Studie spricht dafür, dass Kindertagesstätten in einem Zeitraum mit vergleichsweise niedriger Inzidenz von SARS-CoV-2 in Hessen während der Studiendauer kein relevantes Reservoir für SARS-CoV-2 darstellen und inapparente Infektionen bei Kindern selten vorkamen. Außerdem lässt sich daraus schließen, dass das Risiko für eine Infektion in diesen Einrichtungen unter den während der Studienzeit durchgeführten Maßnahmen bei begrenzter Aktivität in der Bevölkerung als niedrig einzustufen war.
Melting inside earth is a common phenomenon and can be observed in many different regions where melt travels through the mantle and crust to eventually reach the surface where it crystallizes to build large volcanic provinces, whole stratigraphic layers of flood basalts, or even the oceanic crust. Often, melt reaching the surface is a good source of information. It can be used to achieve a better understanding about processes taking place in deeper regions inside the mantle and it is therefore essential to fundamentally understand melting and melt percolation processes. In order to achieve a deeper understanding, the aim of this thesis is to investigate processes that are connected to melting by using numerical models.
The physical model used is a so called two-phase flow model which describes the ability of melt to percolate through a viscously deforming, partially molten matrix. A famous feature of two-phase flow are solitary porosity waves, which are waves of locally higher porosity ascending through a partially molten background, keeping its shape constant, driven by decompaction and compaction of the solid matrix in front and behind the wave.
The viscosity law for shear- and volume viscosity was strongly simplified in most previous studies that modeled solitary waves. Often the porosity dependency is underestimated or its influence on the volume viscosity is even neglected, leading to too high viscosities. In this work more realistic laws are used that strongly decrease for small melt fractions. Those laws are incorporated into a 2D Finite Difference mantle convection code with two-phase flow to study the ascent of solitary porosity waves.
The model results show that an initial Gaussian-shaped wave rapidly evolves into a solitary wave with a certain amplitude, traveling upwards with constant velocity. Even though strongly weaker viscosities are used, the effect on dispersion curves and wave shape are only minor as long as the background porosity is rather small. The results are still in agreement to semi-analytical solutions which neglect shear stresses in the melt segregation equation. Higher background porosities and wave amplitudes lead to significant decrease in phase velocity and wave width, as the viscosity is strongly effected. However, the models show that solitary waves are still a possible mechanism for more realistic matrix viscosities.
While the ascending of porosity waves are mostly described by the movement of fluid melt, partially molten regions inside Earth trigger upwelling of both, solid and fluid phases, which can be called diapirism. While diapirs can have a wide variety of wavelengths, porosity waves are restricted to a few times the compaction length. The size of a melt perturbation in terms of compaction length therefore describes whether material is transported by diapirism or porosity waves. In this thesis we study the transition from diapiric rise to solitary porosity waves by systematically changing the size of a porosity perturbation from 1.8 to 120 times the compaction length. In case of a perturbation of the size of a few times the compaction length a single porosity wave will emerge, either with a positive or negative vertical matrix flux and if melt is not allowed to move relative to the matrix a diapir will emerge. In between these physical end members a regime can be observed where the partially molten perturbation will split up into numerous solitary waves, whose phase velocity is low compared to the Stokes velocity and the swarm of solitary waves will ascend jointly as a diapir, slowly elongating due to a higher amplitude main solitary wave.
Solitary waves will always emerge from a melt perturbation as long as two-phase flow is enabled, but the time for a solitary wave to emerge increases non-linearly with the perturbation radius in terms of compaction length. In nature, in many cases this time might be too long for solitary waves to emerge.
Another important feature when it comes to two-phase flow is the transport of trace elements in melt. Incompatible elements prefer to go into the melt, which eventually enriches the area where it crystallizes again. In order to model this redistribution, the code FDCON was extended to allow for fully consistent transport of elements in melt, including melting, freezing and re-equilibration with time. A 2D model, a simple representation of a volcanic back arc, is set up to investigate the behavior of trace elements. The influence of retention number and re-equilibration time is examined. Lava-lamp like convection can be observed in the lower part of the model, producing melt, that eventually leads to enrichment in trace elements in the upper high-viscous layer. The total enrichment in this layer approaches an asymptotic value and a 0D model is introduced to recreate this behavior.
Purpose: The aim of this work was to retrospectively identify prognostic factors for patients with neuroendocrine liver metastases (NELM) undergoing conventional transarterial chemoembolization (c-TACE), microwave ablation (MWA) or laser interstitial thermal therapy (LITT) and to determine the most effective therapy in terms of volume reduction and survival.
Method: Between 1996 and 2020, 130 patients (82 men, 48 women) were treated with c-TACE, 41 patients were additionally treated with thermoablative procedures.
Survival was retrospectively analyzed by using Kaplan-Meier-method. Prognostic factors were derived by using cox-regression. To find predictive factors for volume reduction due to c-TACE, a mixed-effects model was used.
Results: With c-TACE, an overall median volume reduction of 23.5 % was achieved. An average decrease of tumor volume was shown until the 6th c-TACE treatment, then the effect stopped. So, the median volume reduction off all lesions takes on a negative value from the 7th c-TACE intervention onwards. The mixed-effects model demonstrated that c-TACE interventions were most effective at the beginning of c-TACE therapy, and that treatment breaks longer than 90 days negatively influenced the outcome. For all patients evaluable for survival, Kaplan-Meier analysis showed a 1-year survival rate of 75 % and a 5-year survival rate of 36 %. Significant prognostic factors for survival were number of liver lesions (p = 0.0001) and therapeutical intention (p < 0.0001). Considering the clinical indication, 90.9 % of curative patients and 43.6 % of palliative patients responded to c-TACE therapy and thus could be submitted to a thermoablative procedure. Minor and one major complication occurred in 20.3 % of LITT and only in 8.6 % of MWA interventions. Complete ablation was observed in 95.7 % (LITT) and 93.1 % (MWA) of interventions
Conclusions: C-TACE is an effective treatment for volume reduction of NELM, however efficacy decreases after the 6th intervention and treatment breaks longer than 90 days should be avoided. With thermal ablation, a high rate of complete ablation was achieved and survival improved. Significant factors for survival were found and may be used as prognostic factors in the future.
Slack (sequence like a Ca2+ -activated K + channel; also termed Slo2.2, Kcnt1, or KNa 1.1) is a Na+ -activated K + channel that is highly expressed in the peripheral and central nervous system. Previous studies have shown that Slack is enriched in the isolectin B4binding, non-peptidergic subpopulation of C-fiber sensory neurons and that Slack controls the sensory input in neuropathic pain. Recent single-cell RNA-sequencing studies suggested that Slack is highly co-expressed with transient receptor potential (TRP) ankyrin 1 (TRPA1) in sensory neurons. By using in situ hybridization and immunostaining we confirmed that Slack is highly co-localized with TRPA1 in sensory neurons, but only to a minor extent with TRP vanilloid 1. Mice lacking Slack globally or conditionally in sensory neurons (SNS-Slack─/─ ), but not mice lacking Slack conditionally in neurons of the spinal dorsal horn (Lbx1-Slack─/─ ), displayed increased pain behavior after intraplantar injection of the TRPA1 activator allyl isothiocyanate. Patch-clamp recordings with cultured primary neurons and in a HEK-293 cell line transfected with TRPA1 and Slack revealed that Slack-dependent K + currents are modulated in a TRPA1-dependent manner. Taken together, these findings highlight Slack as a modulator of TRPA1-mediated activation of sensory neurons.
Furthermore, we investigated the contribution of Slack in the spinal dorsal horn to pain processing. Lbx1-Slack ─/─ mice demonstrated normal basal pain sensitivity and Complete Freund’s Adjuvant-induced inflammatory pain. Interestingly, we observed a significantly increased spared nerve injury (SNI)-induced neuropathic pain hypersensitivity in Lbx1-Slack ─/─ mutants compared to control littermates. Moreover, we tested the effects of pharmacological Slack activation in the SNI model. Systemic and intrathecal, but not intraplantar administration of the Slack opener loxapine significantly alleviated SNI-induced hypersensitivity in control mice, but only slightly in Lbx1Slack ─/─ mice, further supporting the inhibitory function of Slack in spinal dorsal horn neurons in neuropathic pain processing.
Altogether, our data suggest that Slack in sensory neurons controls TRPA1-induced pain, whereas Slack in spinal dorsal horn neurons inhibits peripheral nerve injury induced neuropathic pain. These data provide further insights into the molecular mechanisms of pain sensation.
Die Emergenz digitaler Netzwerke ist auf die ständige Entwicklung und Transformation neuer Informationstechnologien zurückzuführen.
Dieser Strukturwandel führt zu äußerst komplexen Systemen in vielen verschiedenen Lebensbereichen.
Es besteht daher verstärkt die Notwendigkeit, die zugrunde liegenden wesentlichen Eigenschaften von realen Netzwerken zu untersuchen und zu verstehen.
In diesem Zusammenhang wird die Netzwerkanalyse als Mittel für die Untersuchung von Netzwerken herangezogen und stellt beobachtete Strukturen mithilfe mathematischer Modelle dar.
Hierbei, werden in der Regel parametrisierbare Zufallsgraphen verwendet, um eine systematische experimentelle Evaluation von Algorithmen und Datenstrukturen zu ermöglichen.
Angesichts der zunehmenden Menge an Informationen, sind viele Aspekte der Netzwerkanalyse datengesteuert und zur Interpretation auf effiziente Algorithmen angewiesen.
Algorithmische Lösungen müssen daher sowohl die strukturellen Eigenschaften der Eingabe als auch die Besonderheiten der zugrunde liegenden Maschinen, die sie ausführen, sorgfältig berücksichtigen.
Die Generierung und Analyse massiver Netzwerke ist dementsprechend eine anspruchsvolle Aufgabe für sich.
Die vorliegende Arbeit bietet daher algorithmische Lösungen für die Generierung und Analyse massiver Graphen.
Zu diesem Zweck entwickeln wir Algorithmen für das Generieren von Graphen mit vorgegebenen Knotengraden, die Berechnung von Zusammenhangskomponenten massiver Graphen und zertifizierende Grapherkennung für Instanzen, die die Größe des Hauptspeichers überschreiten.
Unsere Algorithmen und Implementierungen sind praktisch effizient für verschiedene Maschinenmodelle und bieten sequentielle, Shared-Memory parallele und/oder I/O-effiziente Lösungen.
Epigenetische Subgruppen diffuser Gliome zeichnen sich durch ein differentielles DNA-Methylierungsmuster und genetische Signaturen aus. Sie werden durch ein unterschiedliches Tumormikromilieu und charakteristische Copy Number Variationen gekennzeichnet. Darüber hinaus gewinnt die DNAmethylierungsbasierte Klassifikation zunehmend an Relevanz in der neuropathologischen Diagnostik und molekulare Marker, wie die IDH-Mutation oder der MGMT-Promotor-Methylierungsstatus, sind von wachsendem therapeutischen Interesse. Die prognostische Relevanz DNA-methylierungsbasierter Subgruppen des Glioblastoms, IDH-Wildtyp ist bislang weitgehend unerforscht, was die Grundlage der vorliegenden Arbeit darstellt.
Es wurden epigenetische und genetische Signaturen von n=500 Tumorproben mit klinischen Parametern, wie dem Gesamtüberleben, dem progressionsfreien Überleben oder dem Resektionsausmaß, in Beziehung gesetzt. Globale DNAMethylierungsdaten, die im Zeitraum von Januar 2017 bis Juli 2021 im Rahmen der neuropathologischen Diagnostik durch die 850k-Methylierungsanalyse generiert wurden, wurden bioinformatisch aufgearbeitet und analysiert. Die zelluläre Zusammensetzung der Tumorproben wurde sowohl mithilfe von in silico-Dekonvolutionen als auch anhand von immunhistochemischen Färbungen an FFPEGewebe untersucht.
Die drei etablierten epigenetischen Subgruppen des Glioblastoms RTK 1, RTK 2 und mesenchymal zeigten keinen signifikanten Unterschied hinsichtlich des Gesamtüberlebens. Das Resektionsausmaß war positiv mit dem Überleben assoziiert. Der MGMT-Promotorstatus war in der untersuchten Kohorte insbesondere bei der epigenetischen Subgruppe mesenchymal von prognostischer Relevanz. Es konnte ein Zusammenhang zwischen dem Vorliegen von Copy Number-Variationen und einem differentiellen Tumormikromilieu gezeigt werden. Im Besonderen ging das Auftreten einer EGFR-Amplifikation oder einer PTEN-Deletion mit einem geringeren Anteil an Immunzellen (LUMPs und CD14-positiven Zellen) und einem größeren Anteil an Cancer Cells einher. Darüber hinaus zeigte das Tumormikromilieu eine prognostische Relevanz. Endothelzellen waren in der GBM,-IDH-Wildtyp-Kohorte positiv mit dem Gesamtüberleben assoziiert, während CD14-positive Zellen, CD4-Effektor-Zellen, Fibroblasten und LUMPs negativ mit dem progressionsfreien Überleben assoziiert waren. Innerhalb der Subgruppe RTK 2 konnte ein Überlebensnachteil für Patienten mit einem höheren Anteil an CD14-positiven Zellen beobachtet werden.
Interessanterweise konnten bei den reinen und gemischten epigenetischen Subgruppen Unterschiede hinsichtlich des klinischen Verlaufes, der zellulären Zusammensetzung sowie der Copy Number-Variationen beobachtet werden.
Diesbezüglich wurde sich im Besonderen auf die Besonderheiten der reinen Subgruppen und die Bedeutung der Koexistenz der Subgruppen mesenchymal und RTK 2 fokussiert. Die Analyse der reinen epigenetischen Subgruppen zeigte ein differentielles Gesamtüberleben, allerdings ohne Signifikanz zu erreichen. Bei den gemischten epigenetischen Subgruppen wurde ein positiver prognostischer Effekt der Subgruppe mesenchymal und ein negativer prognostischer Effekt der Subgruppe RTK 2, sowohl auf das Gesamt- als auch auf das progressionsfreie Überleben, beschrieben. Die gemischten Subgruppen wiesen Charakteristika (CNV und zelluläre Zusammensetzung) der beteiligten reinen Subgruppen auf. Insbesondere die Subklassen RTK 2 und mesenchymal traten gehäuft gemeinsam auf, unterschieden sich jedoch deutlich hinsichtlich CNV und Tumormikromilieus. Dies stellt das Bestreben eines genaueren Verständnisses der molekularen Pathogenese des Glioblastoms und seiner epigenetischen Subgruppen in den Fokus.
This work characterizes the post-PKS modifications of AQ-256. Additionally, the second part describes the establishment of an AQ production platform for electrolyte generation that can be utilized in redox-flow-batteries. Lastly, a silent BGC that encodes the genes for terpenoid biosynthesis was described and characterized with regards to product formation and putative ecological function.
The scope of this thesis is to elaborate on the use cases of the EEG in pain research. It has been submitted as a cumulative dissertation, meaning that the main part of this thesis has been previously published in international peer-reviewed journals. The first part of this thesis begins with an introduction which describes the general methodoligcal considerations and theoretical background information that is needed to perform pain research using the EEG. Then, I will give a summary of the results of all three studies and the subsequently published manuscripts. The discussion will give an outlook on two ongoing projects and elaborate how the methodology that has been compiled throughout my time as a PhD student can be further applied to scientific problems in pain research. I will conclude with the possibilities and the limitations of the EEG in pain research. The second part of this thesis consists of three publications that cover three individual studies, of which I am the lead/first author. These publications describe different use cases for the EEG in pain research. The first publication lays out the methodological backbone of this thesis, analyzing the exact EEG parameters that are needed to achieve the results in the following projects. Then, I present two additional studies. The first study describes the usefulness of pain-related evoked signatures after standardized noxious stimulation in the EEG in patients undergoing general anesthesia. The second study outlines differences in the pain processing of elite endurance athletes versus a normally active control group. Furthermore, it outlines how the function of the endogenous pain modulatory system can be measured in the EEG using CPM. All studys are discussed individually as per the journal guidelines.
Antimicrobial resistant infections arise as a consequential response to evolutionary mechanisms within microbes which cause them to be protected from the effects of antimicrobials. The frequent occurrence of resistant infections poses a global public health threat as their control has become challenging despite many efforts. The dynamics of such infections are driven by processes at multiple levels. For a long time, mathematical models have proved valuable for unravelling complex mechanisms in the dynamics of infections. In this thesis, we focus on mathematical approaches to modelling the development and spread of resistant infections at between-host (population-wide) and within-host (individual) levels.
Within an individual host, switching between treatments has been identified as one of the methods that can be employed for the gradual eradication of resistant strains on the long term. With this as motivation, we study the problem using dynamical systems and notions from control theory. We present a model based on deterministic logistic differential equations which capture the general dynamics of microbial resistance inside an individual host. Fundamentally, this model describes the spread of resistant infections whilst accounting for evolutionary mutations observed in resistant pathogens and capturing them in mutation matrices. We extend this model to explore the implications of therapy switching from a control theoretic perspective by using switched systems and developing control strategies with the goal of reducing the appearance of drug resistant pathogens within the host.
At the between-host level, we use compartmental models to describe the transmission of infection between multiple individuals in a population. In particular, we make a case study of the evolution and spread of the novel coronavirus (SARS-CoV-2) pandemic. So far, vaccination remains a critical component in the eventual solution to this public health crisis. However, as with many other pathogens, vaccine resistant variants of the virus have been a major concern in control efforts by governments and all stakeholders. Using network theory, we investigate the spread and transmission of the disease on social networks by compartmentalising and studying the progression of the disease in each compartment, considering both the original virus strain and one of its highly transmissible vaccine-resistant mutant strains. We investigate these dynamics in the presence of vaccinations and other interventions. Although vaccinations are of absolute importance during viral outbreaks, resistant variants coupled with population hesitancy towards vaccination can lead to further spread of the virus.
This cumulative thesis discusses the development of optimized force field parameters for Magnesium and resulting improved simulations of Magnesium-RNA interactions, including the in silico exploration of binding sites. This thesis is based on four publications as well as unpublished data. A fifth publication that was written during the time of the Ph.D. is discussed in the Appendix. This publication analyzes monovalent ion-specific effects at mica surfaces.
Nucleic acids in general and RNA in particular are fundamental to life itself. Especially in the folding and function of RNA, metal cations are crucial to screen the negatively charged nucleic acid backbones to allow for complex functional structures. They stabilize the tertiary structure of RNA and even drive its folding. Furthermore, similarly to proteins, RNAs can catalyze multiple reactions, rather than consisting of the 20 amino acids of a protein, RNA constitues of only four different building blocks. Metal cations play an important role here as additional cofactors. One essential ion is Magnesium (Mg2+), commonly referred to as the most important cofactor for nucleic acids. Mg2+ carries two positive charges. Its comparably small size and high charge result in a high charge density that has strong polarizing effects on its surroundings. Furthermore, Mg2+ forms a sharply defined first hydration shell with an integer number of coordinating water molecules. As a result, an exclusion zone exists around the ion within which no water molecules are observed. Moreover, Mg2+ displays a high solvation free energy and a low exchange rate of waters from its first hydration shell. Finally, it contains a strong preference towards oxygens . Together, this makes Mg2+ a particularly well suited interaction partner for the charged non-bridging phosphate oxygens on nucleic acid backbones and explains its crucial biological role.
The immense number of physiological and technological functions and applications indicates the significant scientific attention Mg2+ received. In experimental studies, however, severe difficulties arise for multiple reasons: Mg2+ is spectroscopically silent and cannot be detected directly by resonance techniques like NMR or EPR. Indirect observation is possible, either by detecting changes in the overall RNA structure with and without bound Mg2+, or by replacing the Mg2+ ion with another spectroscopically visible ion. In the latter, however, it cannot be guaranteed that the altered ion does not also alter the interaction site or even the whole structure. Another detection method is X-ray crystallography, but here challenges arise from Mg2+ being almost indistinguish- able from other ions as well as from water if not for very high resolutions and precise stereochemical considerations.
Alternatively, molecular dynamics (MD) simulations can be performed, with the power of adding atomistic insight to the interplay of metal cations and nucleic acids. MD simulations, however, are only as accurate as their underlying interaction models and the development of accurate models for the description of Mg2+ faces challenges especially in describing three properties:
(i) Polarizability. Commonly used simple models like the 12-6 type Lennard-Jones model typically fail to reproduce simultaneously thermodynamic and structural properties of a single ion in water. Alternative strategies include the use of a 12-6-4 type Lennard-Jones potential as proposed by Li and Merz, where the additional r−4 term explicitly accounts for polarization effects. The resulting Lennard-Jones potential is thereby more attractive and more long-ranged than for typical models of the 12-6 type.
(ii) Kinetics. Most Mg2+ models either fully ignore considerations about the timescales on which water exchanges from the first hydration shell of the ion or use inappropriate methodology to calculate the underlying kinetics. A realistic characterization of the involved timescales is imperative to be able to describe a seemingly simple process like the transition from inner-to-outer sphere binding and vice versa. This transition governs most biochemical reactions involving Mg2+ and therefore subsequent processes can only by as fast as the transition itself. However, already the previous step – the exchange of a water from the first hydration shell of the ion – is described my current Mg2+ models up to four orders of magnitude too slowly, which makes the observation of such events on the timescale of a typical simulation difficult or even impossible. Alln ́er et al. [48] as well as Lemkul and MacKerell explicitly considered the exchange rate into their parameter optimization procedure. To compute the rate, both studies applied Transition State Theory along a single reaction coordinate – the distance towards one of the exchanging waters. However, it could be shown that the water exchange from the first hydration shell requires at least the consideration of both exchanging water molecules in order to be able to realistically record the underlying rate using Transition State Theory. Furthermore, the model of Alln ́er et al. significantly underestimates the free energy of solvation of the ion.
(iii) Interactions between Mg2+ and nucleic acids. Typically, ionic force field parame- terization concentrates on the optimization of solution properties. The trans- ferability of these solution optimized parameters towards interactions with biomolecules, however, often fails.
Stress influences health not only directly, but also indirectly through changes in health-related behaviours, such as diet. Research has shown that stress influences individuals’ eating behaviour in different ways: Some increase, some decrease food intake, while others show no change. Identifying individuals at risk for stress-induced eating is essential for the development of tailored strategies for the prevention and treatment of overweight and obesity. The individual-difference model of stress-induced eating suggests that individual differences in the dietary response to stress are determined by differences in learning history, attitudes, or biology. Even though many studies have tried to identify person-characteristics that explain individual differences in the dietary response to stress, evidence remains inconclusive. Considering that eating is a repeated-occurrence health behaviour which is performed multiple times a day, Ecological Momentary Assessment (EMA) seems particularly promising to study the complex relationship between stress and food intake when and where it naturally occurs. Despite its potential, the number of studies applying EMA to assess the stress and eating relationship is limited. Furthermore, previous EMA studies show two limitations: (1) Actual food intake is not assessed and (2) inappropriate data analysis approaches are applied to semicontinuous outcomes. Therefore, the first aim of the present dissertation was to address the lack of an EMA tool that allows the assessment of stress and actual food intake by developing and evaluating the APPetite-mobile-app. Feasibility and usability of the APPetite-mobile-app as well as validity of the incorporated food record were empirically examined (Paper 1). Given the lack of an appropriate data analysis procedure, the second aim of the present dissertation was the introduction of a sophisticated statistical approach for semicontinuous data (Paper 2): Multilevel two-part modelling allows studying the influence of stress on the occurrence (i.e., whether individuals eat) as well as the amount of food intake (i.e., how much individuals eat) while accounting for the potential dependency between the two. Lastly, the novel EMA tool and the advanced data analysis procedure were integrated in order to gain novel insights into individual differences in the dietary response to stress and thereby identify individuals at risk for stress-induced eating in daily life (Paper 3). Results of Paper 1 showed good feasibility and acceptable usability of the APPetite-mobile-app as well as validity of the incorporated food record. Findings of Paper 2 highlight that multilevel two-part models offer novel and distinct insights in terms of the occurrence and the amount of food intake and are therefore not only methodologically but also conceptually promising. Paper 3 provides first evidence that the dietary response to stress might not be as stable as yet assumed. Time-varying factors might moderate the relationship between stress and actual food intake. Therefore, an expansion of the individual-difference model is proposed which accounts for time-varying factors. Further EMA studies are needed to verify the expanded model and identify time-varying factors which influence the dietary response to stress. Beyond that, improvements in the dietary assessment are required in order to allow prolonged EMA periods as well as larger samples. The present dissertation contributes to the research on the stress and eating relationship as it overcomes limitations of previous EMA studies and yields novel insights into the relationship between stress and actual food intake in daily life. Not only identifying individuals at risk for stress-induced eating, but also the identification of situations with an increased risk for stress-induced eating appears to be important for the development of targeted strategies for the prevention and treatment of overweight and obesity.
Post-translational modifications (PTMs) of cell fate regulating proteins determine their stability, localization and function and control the activation of cell protective signaling pathways. Particularly in aberrantly dividing cancer cells the surveillance of cell cycle progression is essential to control tumorigenicity. In a variety of carcinomas, lymphomas and leukemias, the tumor-suppressive functions of the apoptosis- and senescence-regulating promyelocytic leukemia protein (PML) is controlled by numerous PTMs. PML poly-ubiquitylation and polySUMOylation at several lysine (K) residues induce PML degradation that is correlated to a progressive and invasive cancer phenotype. Besides several known E3 ubiquitin protein ligases that are involved in PML degradation, less is known about PML-specific deubiquitylases (DUBs), the respective DUB-controlled ubiquitin conjugation sites and the functional consequences of PML (de)ubiquitylation. Here, we show that the pro-tumorigenic DUB USP22 critically regulates PML protein stability by modifying PML residue K394 in advanced colon carcinoma cells in vitro and that this modification also impacts the homeostasis and function of the leukemia-associated mutant variant PML-RARα. We found that ablation of USP22 decreases PML mono-ubiquitylation and correlates with a prolonged protein half-live in colon carcinoma and acute promyelocytic leukemia (APL) cell lines. Additionally, silencing of USP22 enhances interferon and interferon-stimulated gene (ISG) expression in APL cells in vitro, which together with prolonged PML-RARα stability increases the APL cell sensitivity towards differentiation treatment. In accordance with the novel roles of USP22 as suppressor of the interferon response in human intestinal epithelial cells (hIECs), our findings imply USP22-dependent surveillance of PML-RARα stability and interferon signaling in human leukemia cells, revealing USP22 as central regulator of leukemia pathogenesis.
Einleitung
Das MUTARS® RS Cup-System der Firma implantcast GmbH (Buxtehude, Deutschland) ergänzt seit 2012 die Implantatgruppe der Abstützschalen mit seitlichen Laschen, die der operativen Versorgung ausgedehnter Acetabulumdefekte dienen. Diese technisch weiterentwickelte Revisionspfanne wird mittels Press-Fit Methode in das Acetabulum eingebracht und im Anschluss mit dem passenden Inlay zementfrei als integriertes System gekoppelt. Somit steht dieses innovative Konzept in Konkurrenz zu dem seit vielen Jahrzehnten angewandten BS-Ring, bei dem das Inlay in die Revisionspfanne einzementiert werden muss. Da Alterungsprozesse die Materialeigenschaften des Zements verändern, kann diese Fixierung im Lauf der Zeit brüchig werden. Lockerungen des Inlays bis hin zum Ausbrechen der Zementfixierung aus der Revisionspfanne sind die komplikationsträchtige Konsequenz. Durch Verwendung der MUTARS® RS Cup als integriertes System lassen sich diese Schnittstelle und die damit verbundenen Nachteile vermeiden. Neben der Möglichkeit, einen Standard-Prothesenkopf zu implantieren, kann das System für luxationsgefährdete Patienten problemlos und ebenfalls zementfrei auf ein tripolares Prothesendesign erweitert werden. Diese Arbeit beschreibt den Einsatz des MUTARS® RS Cup-Systems sowohl in der primären Acetabulumchirurgie als auch im Rahmen aufwendiger Revisionseingriffe nach endoprothetischen Hüftgelenkoperationen und zeigt geeignete Indikationen sowie Anwendungsbeschränkungen auf. Aspekte der präoperativen Planung und der intraoperativen Handhabung des Systems werden ebenso abgebildet wie Komplikationen, die sich im kurz- bis mittelfristigen postoperativen Intervall ergaben.
Material und Methode
In diese retrospektive Studie wurden alle Patienten eingeschlossen, die im Zeitraum von März 2016 bis März 2021 eine Implantation des MUTARS® RS Cup-Systems am Universitätsklinik Frankfurt am Main erhielten.
Ergebnisse
Es wurden 52 Implantationen bei 49 Patienten durchgeführt, wobei sich das Studienkollektiv aus 28 Männern und 21 Frauen mit einem Durchschnittsalter von 76,1 (Spannweite 36,9-94,4) Jahren zusammensetzt. Elf unterschiedliche Ursachen lagen den Acetabulumdefekten zugrunde. Wir implantierten das integrierte System erfolgreich sowohl bei Indikationen, die eine Wechseloperation der Prothesenpfanne notwendig machten, als auch bei Patienten mit schwerwiegenden primären Acetabulumfrakturen sowie instabilen Defekten anderer Genese. In mehr als der Hälfte der Fälle handelte es sich bei dem Indexeingriff um eine Revisionsarthroplastik des betreffenden Hüftgelenks und 80% der Patienten wiesen einen ausgedehnten Substanzdefekt auf (Paprosky-Typ 3A oder höher). Eine arterielle Nachblutung, fünf tiefe Wundinfektionen (10%) sowie sechs Luxationen des Prothesenkopfs (12%) – wobei diese in zwei Fällen mit einer sekundären Dislokation der Revisionspfanne einherging – führten zu Folgeinterventionen. Innerhalb des 5-jährigen Auswertungszeitraums wurden fünf der 52 MUTARS® RS Cup-Systeme explantiert (drei aufgrund septischer und zwei bei aseptisch-mechanischer Ursache), was einer Ausfallrate von 9,6% entspricht.
Schlussfolgerung
Eine älter werdende Gesellschaft und die steigende Zahl an Erstimplantationen einer H-TEP verdeutlichen die Forderung nach innovativen Systemen, wie sie gerade bei chirurgisch komplexen Revisionsarthroplastiken dringend benötigt werden. Entsprechend den Erfahrungen unserer Universitätsklinik und basierend auf den Ergebnissen dieser Studie liefert das MUTARS® RS Cup-System einen wertvollen Beitrag in dieser Fragestellung. Bei korrekter Indikationsstellung lässt sich eine gute Primärstabilität des Systems erzielen, weshalb es aus unserer Sicht ein sicheres Revisionssystem zur Wiederherstellung einer stabilen Gelenksituation bei schwerwiegenden Acetabulumverletzungen darstellt. Das technisch überarbeitete System überzeugt zudem durch seine zuverlässige intraoperative Handhabung und seine hervorragende Modularität, wobei die zahlreichen Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Prothesenkomponenten eine vielseitige Anwendung gewährleisten.
The visual system encompasses about 20% of the cerebral cortex1 and plays a pivotal role in higher-order cognitive processes such as attention and working memory. Cognitive impairments constitute a central role in neuropsychiatric disorders such as schizophrenia (SZ). Impairments are described in visual perceptual processes including contrast, and emotion discrimination as well as in the ability to identify visual irregularities and in higher-order cognition like visual attention and working memory. Furthermore, perceptual and higher-order cognitive processes are part of the Research Domain Criteria (RDoC) project that aims to develop dimensional and transdiagnostic constructs with defined links to specific brain circuits.Therefore, the detailed study of the visual system using functional magnetic resonance imaging (fMRI) is essential to understand the processes in healthy individuals but also in populations with neuropsychiatric disorders. Visual mapping techniques include functional localizer tasks to map functionally defined regions like the fusiform face area (FFA), retinotopic mapping to map specific brain regions that are retinotopically organized in full, and visual-field localizer paradigms to define circumscribed areas within retinotopically organized areas.Thus, the latter allow studying local information processing in early visual areas. Despite advances in neuroimaging techniques, analyses of fMRI data at the group-level are impeded by interindividual macroanatomical variability. This reduces the reliability to accurately define visual areas particularly at the group-level and decreases statistical power. Single-subject based solutions for this problem are not appropriate. Analyses after volume-based alignment (VBA) and primary surface-based analyses without macroanatomical alignment do not increase macroanatomical correspondence sufficiently. Cortex-based alignment (CBA) approaches are recommended as an alternative technique to address this obstacle. However, CBA has not been evaluated for visual-field localizer paradigms. Therefore, we aimed to evaluate potential benefits of CBA for an attention-enhanced visual field localizer paradigm that maps circumscribed regions in retinotopically organized visual areas. Since previous studies solely compared surface-based data before and after CBA, we aimed to compare all three techniques: (1) a volume-based alignment (VBA), (2) a surface-based data set without (SBAV) and (3) a surface- based data set with macroanatomical alignment (CBA). Furthermore, we sought to define regions of interest (ROI) that subsequently can be used for the study of higher-order cognitive processes. Also, we aimed to investigate whether CBA facilitates the study of functional asymmetries in early visual areas as these were described in previous studies. Healthy volunteers (n=50) underwent fMRI in a 3- Tesla Siemens Trio scanner while performing an attention-enhanced visual field localizer paradigm. Our task consisted of a series of flickering, black-and white colored checkerboard stimuli that randomly appeared at one of four locations comprising the participants’ visual quadrants. In 25% of the trials the centrally located squares briefly changed their color to yellow (target trial). Participants had to indicate detection of a target by button press. Data analysis was conducted using Brain Voyager 20.6. Our approach for macroanatomical alignment included a high-resolution, multiscale curvature driven alignment procedure minimizing interindividual macroanatomical variability. Here, each folding pattern was aligned to a dynamically updated group average. Thus, we counteracted a possible confounding effect of a suboptimal selection of an individual target brain with a folding pattern deviating considerably from the cohort average. Group ROIs after CBA showed increased spatial consistency, vertical symmetry, and an increase of size. This was corroborated by an increase in the probability of activation overlap of up to 86%. CBA increased macroanatomical correspondence and thus ameliorated results of multi-subject ROI analyses. Functional differences in the form of a downward bias in visual hemifields were measured with increased reliability. In summary, our findings provide clear evidence for the superiority of CBA for the study of local information processing in early visual cortex at the group-level. This approach is of relevance for the study of visual dysfunction in neuropsychiatric disorders including schizophrenia as they show impaired visual processing that in turn impacts higher-order cognitive processes and in consequence functional outcome. In addition, our attention-enhanced visual field localizer paradigm will be useful for machine learning approaches such as multivariate pattern analysis decoding local information processes and connectivity patterns.
Die Dissertation befasste sich mit der Ausprägung physiologischer Parameter bei Patienten mit Bipolarer Störung in Assoziation mit kognitiver Leistungsfähigkeit. Ziel der Arbeit war es zu überprüfen, ob Symptome einer akuten bipolaren Episode, wie kognitive Störungen und eine reduzierte HRV, sich auch in der Remissionsphase zeigen und miteinander assoziiert sind. Des Weiteren wurde überprüft, ob remittierte bipolare Patienten eine höhere Erregung im ANS, abgeleitet durch physiologische Parameter und der Angst als aktueller Zustand, während der Bearbeitung von kognitiven Aufgaben aufweisen und ob diese Merkmale miteinander und mit residualen manischen oder depressiven Symptomen assoziiert sind. So wurden 26 bipolare Patienten in Remission zu 25 Gesunden rekrutiert und überprüft, ob signifikante Beeinträchtigungen in der HRV und anderen physiologischen Parametern auftreten, ob bipolare Patienten in Remission im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant in den Tests zur kognitiven Leistungsfähigkeit beeinträchtigt sind und ob es Unterschiede zwischen psychopathologischen Auffälligkeiten in den zwei Gruppen gibt. Des Weiteren wurde überprüft, ob die abgeleiteten Parameter miteinander zusammenhängen. Zur Erhebung der kognitiven Fähigkeiten wurden verschiedene testpsychologische Verfahren durchgeführt, wie z. B. der Trail Making Test sowie ein eigens entwickeltes Gedächtnisparadigma mit Lern- und Wiedergabeaufgaben am Computer. Während Letzterem wurden die physiologischen Parameter Fingertemperatur, Hautleitwert, Atem- und Herzfrequenz abgeleitet. Die Parameter der HRV wurden in einer 5-Minuten-Ruhemessung erhoben. Die individuelle Psychopathologie wurde u. a. durch das Beck-Depressions-Inventar und die BechRafaelsen Mania Scale ermittelt. Zur Auswertung der Ergebnisse wurden statistische Analysen berechnet, für die Gruppenvergleiche nichtparametrische Tests und für die Zusammenhangshypothesen Spearman Korrelationen. Die Dissertation konnte zeigen, dass bipolare Patienten in Remission, im Vergleich zu Gesunden, eine reduzierte HRV haben, in exekutiven Funktionen und dem verbalen episodischen Gedächtnis beeinträchtigt sind, höhere depressive Werte und eine höhere durchschnittliche psychische Belastung aufweisen. Die reduzierte HRV in Ruhe spricht dabei für eine anhaltende Dysbalance des ANS in Remission. Kognitive Defizite scheinen die Episoden ebenfalls zu überdauern und nicht nur mit klinischen Zuständen assoziiert zu sein. Die abgeleiteten Parameter waren nicht miteinander assoziiert. Eine Limitation der Dissertation ist, dass zwar viele (z. B. Alter, Geschlecht, Nikotinkonsum), aber nicht alle auf die HRV einflussnehmenden Kovariablen erhoben wurden (wie z.B. der BMI) und die Patienten sich nach DSM-IV Kriterien zwar in Remission befanden, aber nicht symptomfrei waren. Alles in allem können die Ergebnisse helfen, die Ätiologie und Folgen der Bipolaren Störung besser zu verstehen. Bipolare Patienten scheinen auch in Remission eine Dysbalance des ANS und kognitive Defizite zu haben. Eine reduzierte HRV als mögliches Zeichen für eine maladaptive Reaktion auf Stress scheint bei remittierten bipolaren Patienten eine schlechtere Lernleistung nicht weiter zu verschärfen. Remittiere bipolare Patienten zeigen außerdem keine höhere Erregung im ANS während der Bearbeitung von kognitiven Aufgaben als Gesunde.
Kognitive Defizite bestehen über die Episoden hinaus auch bei den remittierten Patienten und stehen nicht mit unterschwelligen depressiven Symptomen oder einer höheren Erregung im ANS in Zusammenhang. In Bezug auf die Behandlung und Rehabilitation sind die reduzierte HRV und die anhaltenden kognitiven Defizite bei remittierten bipolaren Patienten zu berücksichtigen und einzubeziehen. Für zukünftige Studien wäre es sinnvoll die HRV, einhergehend mit neuropsychologischen Beeinträchtigungen, in verschiedenen Episoden (manisch, depressiv, remittiert) zu untersuchen, um etwaige krankheitsübergreifende Veränderungen und Unterschiede zwischen den Episoden und der Remission zu überprüfen.
In order to understand the origin of the elements in the universe, one must understand the nuclear reactions by which atomic nuclei are transformed. There are many different astrophysical environments that fulfill the conditions of different nucleosynthesis processes. Even though great progress has been made in recent decades in understanding the origin of the elements in the universe, some questions remain unanswered. In order to understand the processes, it is necessary to measure cross sections of the involved reactions and constrain theoretical model predictions. A variety of methods have been developed to measure nuclear reaction cross sections relevant for nuclear astrophysics. In this thesis, two different experiments and their results, both using the well-established activation method, are presented.
A measurement of the proton capture cross section on the p-nuclide 96Ru was performed at the Institute of Structure and Nuclear Astrophysics ISNAP - Notre Dame, USA. The main goal of this experiment was to compare the results with those obtained by Mei et al. in a pioneering experiment using the method of inverse kinematics at the GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH - Darmstadt, Germany. Therefore, the activations were taken out at the same center of mass energies of 9 MeV, 10 MeV and 11 MeV. Another activation was taken out at an energy of 3.2 MeV to compare the result to a measurement of Bork et al. who also used the activation method. While the results at 3.2 MeV agree quite well with those of Bork et al., the results at higher energies show significantly smaller cross sections than those measured by Mei et al.. Experimental details, the data analysis and sources of uncertainties are discussed.
The second part of this thesis describes a neutron capture cross section experiment. At the Institut für Kernphysik - Goethe Universtität Frankfurt an experimental setup allows to produce quasi maxwell-distributed neutron fields to measure maxwell-averaged cross sections (MACS) relevant for s-process nucleosynthesis. The setup was upgraded by a fast electric linear guide to transport samples from the activation to the detection site. The cyclic activation of the sample allows to increase the signal-to-noise ratio and to measure neutron captures that lead to nuclei with
half-lives on the order of seconds. In a first campaign, MACS of the reactions 51V(n,γ), 107,109Ag(n,γ) and 103Rh(n,γ) were measured. The new components of the setup aswell as the data analysis framework are described and the results of the measurements are discussed.
Einführung: Eitrige und abszedierende Infektionen sind ein häufiges Problem in der zahnärztlichen, oral- und kieferchirurgischen Praxis. Bei entsprechender Indikation finden Antibiotika zur Therapie von odontogenen Infektionen oder Weichteilinfektionen im Bereich des Kopfes Einsatz. Auch prophylaktische Gaben von Antibiotika sind in diesem Fachgebiet nicht selten. Deswegen sollte die kalkulierte antiinfektive Chemotherapie auf soliden pharmakologischen Daten beruhen.
Material und Methoden: Von 520 Patienten der mund-kiefer-gesichtschirurgischen Praxisklinik Kaufbeuren wurden die 1.182 antibiotischen in vitro Testungen aus dem Zeitraum 22.11.2010 bis 31.12.2016 ausgewertet. Das Durchschnittsalter der 51% weiblichen und 49% männlichen Patienten betrug 49,1 Jahre. Die Patienten wurden stratifiziert nach Diagnosen, Gesundheitszustand und Alter. Es wurden die Ergebnisse der Suszeptibilitätstestungen folgender gängiger Antibiotika ausgewertet: Amoxicillin/Clavulansäure, Ampicillin, Oxacillin, Penicillin G/V, Cefazolin, Cefuroxim, Cefpodoxim, Azithromycin, Clarithromycin, Erythromycin, Ciprofloxacin, Levofloxacin, Moxifloxacin, Ofloxacin, Clindamycin, Gentamycin, Cotrimoxazol, Doxycyclin und Metronidazol.
Ergebnisse: Im Mittel (alle getesteten Keime) liefern Amoxicillin/Clavulansäure (96,6%), Cefpodoxim (95,7%), Cefuroxim (90,1%) und Moxifloxacin (91,0%) durchgängig sehr gute Sensibilitätswerte bei hoher statistischer Signifikanz (p<0,001).
Für Ampicillin (86,3%), Cefazolin (85,5%), Levofloxacin (82,5%), Cotrimoxazol (77,5%), Doxycyclin (75,0%), Penicillin G/V (72,5%), Clindamycin (61,8%), Azithromycin (59,9%), Clarithromycin (59,6%), Oxacillin (54,0%), Erythromycin (51,7%) und Ciprofloxacin (36,2%) lagen die getesteten durchschnittlichen Sensibilitäten deutlich niedriger mit je nach Untergruppe deutlichen Unterschieden.
Konklusion: Die von uns ermittelten in vitro Suszeptibilitäten von Amoxicillin/ Clavulansäure, Cefpodoxim, Cefuroxim und Moxifloxacin unterstützen die Empfehlung zum therapeutischen Einsatz bei odontogenen Infektionen oder Weichteilinfektionen im Kopf-Hals-Bereich sowie deren prophylaktische Verwendung zum Beispiel bei Endokarditis-Risiken in der Zahnmedizin oder Mund-/Kiefer-/Gesichtschirurgie.
In Vorarbeiten wurde gezeigt, dass der Kaliumkanal Slack an der Verarbeitung neuropathischer Schmerzen funktionell beteiligt ist und dass das klassische Neuroleptikum Loxapin Slack-abhängig neuropathisches Schmerzverhalten im Mausmodell lindert (Lu et al. 2015).
Ausgehend von Loxapin als Leitstruktur wurden in der vorliegenden Arbeit im FluxOR™ Kaliumkanal-Assay an Slack-transfizierten HEK-Zellen insgesamt 68 neue Loxapin-Derivate gescreent. Hierbei wurden 23 Substanzen mit Slack-aktivierenden Eigenschaften identifiziert, von denen VHP93, VH408 und VH425 weiter in vivo untersucht wurden. Dabei zeigten Mäuse nach systemischer Gabe von VHP93 ein reduziertes Verhalten in einem Modell für neuropathische Schmerzen. Dem gegenüber wurde durch VH408 das Verhalten im neuropathischen Schmerzmodell nicht beeinflusst.
Des Weiteren konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass durch eine Slack-Aktivierung nicht nur neuropathisches Schmerzverhalten gehemmt wird, sondern auch die Kratzreaktionen im Chloroquin-Modell des Histamin-unabhängigen Juckreizes reduziert werden können.
Neben Slack wurde in dieser Arbeit auch die Gewebsexpression und funktionelle Bedeutung des eng mit Slack verwandten Kaliumkanals Slick charakterisiert. Expressionsanalysen ergaben, dass Slick überwiegend in dünn myelinisierten A-delta-Fasern und inhibitorischen Interneuronen im Dorsalhorn des Rückenmarks lokalisiert ist. Tierexperimentelle Untersuchungen zeigten, dass Slick-Knockout-Mäuse ein erhöhtes Schmerzverhalten nach thermischer Stimulation aufwiesen. Außerdem wurde bei Slick-Knockout-Mäusen in der späten Phase des Capsaicin- und Formalin-Tests ein signifikant erhöhtes Leckverhalten verzeichnet. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern somit Hinweise auf eine funktionelle Beteiligung von Slick bei der Detektion von Hitzeschmerzen und bei der TRPV1- und TRPA1-vermittelten Schmerzantwort. Zusammengefasst zeigen diese Daten, dass Slick vorrangig an der Verarbeitung thermischer und chemischer Noxen beteiligt ist und dabei eine antinozizeptive Funktion ausübt.
Die Entartung von B-Zellen stellt den Ursprung vieler maligner Erkrankungen dar. Bei der Prä-B-Zell-ALL, welche 15 % der malignen Erkrankungen im Kindesalter ausmacht, findet die Entartung auf der Entwicklungsstufe der Prä-B-Zellen statt. In der normalen Hämatopoese fungiert der Prä-BZR als Kontrollpunkt in der Entwicklung der B-Zellen, weshalb der Rezeptor sowie die von ihm ausgehenden Signalwege bereits bei vielen hämatologischen Neoplasien als therapeutische Ansatzpunkte in Betracht gezogen wurden.
Der Prä-BZR selbst stellt einen Tumorsuppressor dar: Etwa 13,5 % der Prä-B-Zell-ALL sind von einem aktiven Prä-BZR-Signal abhängig. In entarteten Zellen findet oftmals eine Imitation der Proliferationssignale eines konstitutiv aktiven BZRs statt. Bei Zellen ohne einen funktionellen Rezeptor führt die Rekonstruktion des Rezeptors jedoch zum Zelltod. Sowohl ein zu hohes als auch ein zu niedriges Aktivitätsniveau des Prä-BZRs haben somit einen negativen Effekt auf das Wachstumsverhalten der Zellen zur Folge.
Wichtige downstream des Prä-BZRs vorkommende Effektormoleküle sind die Histonmethyltransferase DOT1L und der Tumorsuppressor BRD7. DOT1L interagiert mit dem Transkriptionsfaktor AF10, der eine bedeutsame Rolle bei der Entstehung von Mixed-lineage-Leukämien spielt; eine DOT1L-Inhibition zeigt daher auch nur bei MLL-rearrangierten Leukämien therapeutische Effekte.
In dieser Dissertationsarbeit konnte der Tumorsuppressorphänotyp von BRD7 aufgezeigt werden. Außerdem zeigten sich Effekte auf den PI3K- sowie den MEK-Signalweg durch Dephosphorylierung der Kinasen AKT und ERK. Dieser Aspekt kann mithilfe einer hypothetischen Feedback-Schleife zwischen BRD7, dem PI3K-Signalweg sowie dem Prä-BZR erklärt werden. BRD7 und Gene des PI3K-Signalwegs könnten hierbei über Chromatin-Remodellierung miteinander interagieren. Die Analyse der Phosphosite von BRD7 stellt einen essenziellen Aspekt dar, um diese Feedback-Schleife experimentell zu validieren.
Auf der anderen Seite führte auch die Inaktivierung von BRD7 zu negativen Effekten auf das Wachstumsverhalten der Zellen. Ähnlich wie der Transkriptionsfaktor TCF3, der einen oberen Schwellenwert besitzt, könnte BRD7 einen unteren Schwellenwert besitzen, unter welchem
wachstumshemmende Effekte hervorgerufen werden. Außerdem sind auch proapoptotische Wirkungen für eine Überaktivierung des ERK- und des AKT-Signalwegs beschrieben worden, beispielsweise über die Hemmung des AKT-Inhibitors PTEN.
Durch massenspektrometrische Analysen konnte gezeigt werden, dass eine Überexpression von BRD7 die Komplexe der mitochondrialen Atmungskette hochreguliert. Die proliferationshemmenden Effekte des PI3K-Signalwegs überwiegen jedoch vermutlich diese positiven Effekte auf die Energiegewinnung der Tumorzellen. Alternativ könnte es sich in den Tumorzellen lediglich um einen Kompensationsmechanismus bei geschädigter oxidativer Phosphorylierung handeln.
Bei der Analyse der molekularen Hintergründe des Wachstumsnachteils der BRD7-überexprimierenden Zellen konnte festgestellt werden, dass die Prä-B-Zellen RCH-ACV vom PI3K-Signalweg, jedoch nicht vom MEK-Signalweg abhängig sind. Es ist denkbar, dass noch weitere Moleküle reguliert werden müssen, damit die Modifikation des MEK-Signalwegs Effekte auf das Wachstumsverhalten und Überleben der Zellen ausübt.
In dieser Arbeit konnten der Prä-BZR und die von ihm ausgehenden Signalwege als gute Ansatzpunkte bei der Therapie der Prä-B-Zell-ALL identifiziert werden. Zwar zeigten sich bei Überexpression und Inhibition von BRD7 nur Effekte auf die Proliferation der Zellen, jedoch existieren vielfältige Interaktionen mit upstream lokalisierten Signalmolekülen (hypothetische Feedback-Schleife). Die dadurch angestoßenen Signalwege können zur Einleitung der Apoptose beitragen. Prinzipiell könnte der Tumorsuppressor BRD7 therapeutisch durch das Designen von Kinasen eingesetzt werden, welche eine gezielte Phosphorylierung und damit konstitutive Aktivierung von BRD7 bewirken, jedoch stellt der Einsatz von etablierten, weiter upstream ansetzenden Kinase-Inhibitoren einen effektiveren therapeutischen Ansatzpunkt zur Apoptoseeinleitung im Patienten dar.
We thoroughly study the properties of conically stable polynomials and imaginary projections. A multivariate complex polynomial is called stable if its nonzero whenever all coordinates of the respective argument have a positive imaginary part. In this dissertation we consider the generalized notion of K-stability. A multivariate complex polynomial is called K-stable if its non-zero whenever the imaginary part of the respective argument lies in the relative interior of the cone K. We study connections to various other objects, including imaginary projections as well as preservers and combinatorial criteria for conically stable polynomials.
Diabetes mellitus Typ 2 (T2D) ist eine der häufigsten Stoffwechselerkrankungen mit weltweit steigender Inzidenz. Zur Vermeidung von Folgeerkrankungen und Senkung des enormen ökonomischen Drucks steht die Suche nach wirksamen Therapiekonzepten im Fokus aktueller Forschung.
Die Vitamin D (VD) Konzentration (25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3) hat Einfluss auf Bodymaßindex (BMI), Glukosestoffwechsel, Insulinsekretion und -resistenz sowie die β-Zellfunktion. Niedrige VD Konzentrationen wirken sich ungünstig auf den Blutzucker oder den BMI aus und ein VD Mangel (25(OH)D3 < 20 ng/ml) ist mit einem erhöhten Risiko für Diabetes mellitus Typ 2 assoziiert. Während eine VD Einnahme das Risiko für einen VD Mangel reduziert, zeigen sich kaum Einflüsse auf die Glucosehomöostase. Die berichteten Effekte einer VD Einnahme in der Prävention oder Behandlung eines T2D rangieren von einer verbesserten Stoffwechseleinstellung bis zur Verschlechterung der Erkrankung.
Bezüglich des Ansprechens auf eine VD Einnahme zeigt sich eine große individuelle Varianz. In welchem Ausmaß der genetische Hintergrund das individuelle Ansprechen auf eine VD Einnahme bei Patienten mit T2D beeinflusst wurde bislang jedoch kaum erforscht.
In dieser Arbeit wurde der Einfluss genetischer Varianten (SNPs - Single nucleotide polymorphisms) des VD Stoffwechsels auf (1) Anfälligkeit für T2D, (2) 25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3 Plasma Konzentrationen sowie (3) Änderungen in der Stoffwechseleinstellung nicht insulinabhängiger Typ 2 Diabetiker unter VD3 Substitution untersucht. Dafür wurden zwölf SNPs in fünf Genen des VD Stoffwechsels (CYP2R1 (Cytochrom P450 2R1), CYP27B1, DBP (VD Bindeprotein), VDR (VD Rezeptor), CYP24A1 analysiert. 553 Patienten mit T2D und 916 gesunde Kontrollen aus Frankfurt am Main und Umgebung wurden mittels restriction fragment length polymorphism (RFLP) und realtime polymerase chain reaction (rtPCR) genotypisiert. Die VD Plasma-Konzentrationen (25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3) wurden per 125Iod-Radioimmunoassay gemessen.
Ein erhöhtes Risiko an Diabetes mellitus Typ 2 zu erkranken ergab sich für die Allele VDR rs7975232 „G“, rs1544410 „G“ und CYP2R1 rs10741657 „A“.
Diabetiker wiesen im Vergleich zu gesunden Kontrollen erniedrigte 25(OH)D3 und 1,25(OH)2D3 auf. Das Risiko eines T2D bei Vorliegen eines VD Mangels war in unserer Kohorte um das 13,9 fache erhöht.
Eine genotypenabhängige Reduktion der 25(OH)D3 Plasma-Konzentrationen bei Patienten ergab sich für die Genotypen CYP27B1 rs10877012 „CC“, DBP rs4588 „CC“, rs7041 „GG“, CYP24A1 rs2585426 „CG“ und rs2248137 „CG“. Eine verringerte 1,25(OH)2D3 Plasma-Konzentration ergab sich für den Genotyp DBP rs4588 „CC“.
Der genetisch Einfluss auf Änderungen in der Stoffwechseleinstellung nicht insulinabhängiger Typ 2 Diabetiker unter VD3 Substitution wurde im Rahmen einer doppelt-verblindeten randomisierten Studie untersucht. 65 Patienten erhielten über 6 Monate entweder 1904 IU Vitamin D Öl (25(OH)D3) oder ein Placebo-Öl. Alle drei Monate wurden die Vitamin D Konzentrationen, der HbA1c, die Parathormonkonzentration (PTH) und das C-Peptid bis zu einem 6 monatigen Follow-up bestimmt.
Während bei Trägern des Genotyps CPY24A1 rs2296241 „GG“ trotz VD Einnahme keine Änderung der Plasma 25(OH)D3 Werte zu verzeichnen waren, ergaben sich für die Genotypen DBP 4588 „CC“ and VDR rs1544410 „GG“ höhere 25(OH)D3 Konzentrationen bis zum Ende des Nachbeobachtungszeitraums. Eine signifikante Suppression des PTH konnte bei den Genotypen CYP2R1 rs10741657 „AG“, DBP rs4588 „CC“, VDR rs2228570 „TC“ und CYP24A1 ra2248137 „GG“ beobachtet werden.
Diese Studie bestätigt VD Mangel als Risikofaktor für T2D. Sie zeigt deutlich, dass genetische Varianten des VD Systems für T2D prädisponieren und anteilig den VD Stoffwechsel regulieren. Auch die Auswirkungen einer VD3 Einnahme, messbar im Anstieg der 25(OH)D3 Konzentration und der Suppression des PTH, sind durch die Gene des VD Systems beeinflusst.
Cardiovascular disease (CVD) is the leading cause of death in the western world. Aging as the major risk factor for the development of CVD leads to structural changes in the heart and the vasculature. In addition to endothelial cells, mural cells, including smooth muscle cells and pericytes, form the vascular wall. Pericytes are defined as the perivascular cells located in the basement membrane of the capillaries, which are the smallest components of the vascular system and ensure the gas exchange in the tissue. In the different parts of the terminal vascular bed, pericytes receive different phenotypes and organ-specific functions. In addition to the stabilization of the vascular wall, pericytes are relevant for the formation of new vessels. Due to their potential of multipotent stem cells, pericytes can differentiate into different cell types and thus take a position in developmental processes. Pericytes play a crucial role in the development and diseases of the vascular system. Moreover, pericyte coverage is reduced in the aged heart. Nonetheless, the function of pericytes in the heart and their importance during cardiac aging is not completely understood.
To study the pericyte population in the aging heart, we have performed single-nucleus RNA-sequencing analysis comparing hearts from 12-weeks-old (young) and 18-month-old (old) mice. The detailed analysis of 336 differentially expressed genes (DEG) revealed that Rgs5 is downregulated in aged pericytes. Regulator of G-protein signaling 5 (RGS5), an established marker for pericytes, is involved the regulation of the blood pressure and in the formation of various cardiovascular diesases, including cardiac hypertrophy, myocardial infarction and atherosclerosis. We have furthermore confirmed this observation in vivo. Gene ontology (GO) analysis of DEG revealed that aged pericytes are characterized by the downregulation of genes involved in cell adhesion. Further, we have performed cell biology approaches using human brain vascular pericytes (hBVP) to investigate the role of Rgs5 in pericytes in vitro. Efficient knockdown of RGS5, although has no effect on cellular metabolism, viability and endothelial permeability, induces a reduction of pericyte adhesion to both a gelatine matrix and endothelial cells in a 3D matrigel culture. This was associated with the formation of filopodia. The altered phenotype suggested a changing identity of the pericytes. We could confirm that a loss of RGS5 causes a decreased expression of the pericyte markers PDGFRb and NOTCH3 and also leads to an overexpression of COL1A1, a fibroblast marker.
Together, our findings suggest that RGS5 is required for pericyte adhesion to endothelial cells and its downregulation in the aged mural cells could explain the reduction of pericyte coverage in the aged hearts. Further, RGS5 may be the key regulator for pericyte identity, as pericytes show an altered expression profile of cellular markers. The dedifferentiation of pericytes to a more fibroblast-like cell type could explain the increased fibrosis during age-related cardiac remodeling. We believe that RGS5 is a great candidate to explore and study the molecular mechanisms that regulate pericyte function in the heart, both in homeostasis and during aging.
We study the polarization of relativistic fluids using the relativistic density operator at global and local equilibrium. In global equilibrium, a new technique to compute exact expectation values is introduced, which is used to obtain the exact polarization vector for fields of any spin. The same result has been extended to the case of massless fields. Furthermore, it is demonstrated that at local equilibrium not only the thermal vorticity but also the thermal shear contribute to the polarization vector. It is shown that assuming an isothermal local equilibrium, the new term can solve the polarization sign puzzle in heavy ion collisions.
Heart development is a dynamic process modulated by various extracellular and intracellular cues. Cardiac progenitors in vertebrates such as the zebrafish, migrate over to the midline after differentiation from the epiblast (Bakkers, 2011; Rosenthal & Harvey, 2010; Stainier et al., 1996; Trinh & Stainier, 2004). These progenitors form a cardiac disc at the midline which elongates into the linear heart tube. The differentiation and migration of cardiac precursors is modulated by signaling interactions between cardiac precursor cells and their extracellular environment known as the Extracellular Matrix (ECM). Studies have shown that Cell-ECM interactions play a crucial role in sculpting the heart during early morphogenic events (Davis CL, 1924; Männer & Yelbuz, 2019; Rosenthal & Harvey, 2010). One key factor to these processes is the presence of a specialized ECM known as the Basement Membrane (BM). Extracellular basement membrane proteins such as Fibronectin have been shown to modulate these very early migration processes of the cardiomyocyte progenitors (Trinh & Stainier, 2004). As the heart develops further, the linear heart tube is composed of myocardial cells with an inner endothelial cell lining separated by a layer of thick jelly like substance called the cardiac jelly (Barry A, 1948; Davis CL, 1924; Little et al., 1989). The cardiac jelly also called the cardiac basement membrane, has been shown to regulate distinct developmental events during cardiogenesis. This early CJ contains components of the basal lamina such as laminins, fibronectin, hyaluronan as well as non-fibrillar collagens such as Collagen IV (Little et al., 1989). In this study, I aimed to identify ECM molecules of the Basement Membrane in the heart and identify their role in the modulation of cardiac development and regeneration using the zebrafish as my model organism.
I identified genes belonging to the Zebrafish Matrisome expressed during cardiac developmental and regeneration and performed CRISPR/Cas9 sgRNA mediated mutagenesis. I also developed overexpression tools for these genes.
Agrinp168 mutants exhibited no obvious gross morphology defects during cardiac development and were adult viable. Adult mutants exhibited reduced cardiomyocyte proliferation, but no significant difference in cardiomyocyte dedifferentiation post cardiac cryoinjury.
Decorin overexpression through mRNA injections led to increased myocardial wall thickness and DN dcn overexpression through mRNA injections led to loss of cardiac looping during early development.
Mutants for Small Leucine Rich Proteoglycan (SLRP) prelp generated using CRISPR/Cas9 mutagenesis exhibited cardiovascular defects. Close observation of prelp mutant hearts revealed a reduced heart rate and impaired fractional shortening of the ventricle. prelp mutants exhibited an enlarged atrium at 48 hpf and 72 hpf as well as a reduced ventricle size at 72 hpf. Chamber size in the mutant hearts were enlarged irrespective of contractility of the heart. Mutants showed an increased number of Atrial cardiomyocytes, but no change in cell size. On the molecular level, extracellular Laminin localization was disrupted in prelp mutants along with an increase in thickness and volume of the cardiac HA in the CJ suggesting a potential compensatory role, or retention of immaturity of the cardiac jelly in the prelp mutants. Transcriptomics analysis on the prelp mutant hearts revealed downregulation of ECM organization and ECM-Receptor interaction processes in the mutants. Gene Ontology analysis on prelp mutants hearts transcriptome revealed increased MAPK signaling. Interestingly, genes related to degradation of cardiac HA and maturation of cardiac jelly were downregulated, and genes related to epithelial identity of cardiomyocytes were upregulated. Analysis of the mutant hearts at single cell resolution revealed increased number of mutants exhibiting rounded up cardiomyocytes and loss of apical Podocalyxin. Truncated forms of prelp were generated to identify domain specific roles for Prelp, and reintroduction of N-terminal truncated Prelp into the mutants rescued the basal lamina localization and cardiac jelly volume phenotypes. Myocardium specific re-establishment of prelp expression revealed a marked rescue of the mutant cardiovascular phenotype suggesting that tissue specific expression of prelp is not required so long as Prelp is secreted into the CJ. With these data, I’ve elucidated the role of ECM SLRPs in modulation of cardiac chamber morphogenesis process and regeneration of the heart.
Mechanism of the MHC I chaperone TAPBPR and its role in promoting UGGT1-mediated quality control
(2022)
Information about the health status of most nucleated cells is provided through peptides presented on major histocompatibility complex I (pMHC I) on the cell surface. T cell receptors of CD8+ T cells constantly monitor these complexes and allow the immune system to detect and eliminate infected or cancerous cells. Antigenic peptides displayed on MHC I are typically derived from the cellular proteome and are translocated into the lumen of the endoplasmic reticulum (ER) by the ATP-binding cassette (ABC) transporter associated with antigen processing (TAP), which is part of the peptide-loading complex (PLC). In a process called peptide editing, the MHC I-dedicated chaperone tapasin (Tsn) selects peptides for their ability to form stable complexes with MHC I. While initial peptide loading is catalyzed in the confines of the PLC, the second quality control is mediated by TAPBPR, operating in the peptide-depleted cis-Golgi network. TAPBPR was shown to have a more fine-tuning effect on the presented peptide repertoire rather than initial peptide selection. The fundamental mechanism of peptide editing was illuminated by two crystal structures of TAPBPR in complex with peptide-receptive MHC I. Notably, one of these structures reported a structural element that inserted into the peptidebinding pocket. The so-called scoop loop was assumed to be involved in mediating peptide exchange but the underlying mechanism remained undefined. Additionally, latest results suggested that TAPBPR mediates the interaction of the glucosyltransferase UGGT1 with peptide-receptive MHC. To expand the current knowledge of quality control processes in the antigen presentation pathway, the contribution of the scoop loop in peptide editing and the role of TAPBPR in UGGT1-mediated quality control needs to be elucidated. In the first part of this study, TAPBPR proteins with various loop lengths were designed to scrutinize the contribution of the scoop loop in chaperoning peptidereceptive MHC I. In a light-driven approach, the ability of TAPBPR variants to form stable complexes with peptide-free MHC I was tested. These results demonstrated that in a peptide-depleted environment, the scoop loop is of critical importance for TAPBPR to chaperone intrinsically unstable, peptidereceptive MHC I clients. Moreover, fluorescence polarization-based assays allowed the pursuit of peptide exchange in different, native-like environments. Peptide displacement activities of TAPBPR variants illustrated that catalyzed peptide editing is primarily induced by structural elements outside the scoop loop. In a peptide-depleted environment, the scoop loop occupies the position of the peptide C-terminus and acts as an internal peptide surrogate. By combining complex formation and fluorescence polarization experiments, the scoop loop of TAPBPR was shown to be critically important in stabilizing empty MHC I and functions as an internal peptide selector. In the second part of this study, a novel in-vitro glucosylation assay was established to examine the role of TAPBPR in UGGT1-catalyzed re-glucosylation of TAPBPR-bound MHC I clients. Therefore, a peptide-free MHC I-TAPBPR complex with defined glycan species was designed which served as physiological substrate for UGGT1. By subjecting the recombinantly expressed HLA-A*68:02- TAPBPR complex and UGGT1 proteins to the new in-vitro system, UGGT1 was shown to catalyze the transfer of a glucose residue to the N-linked glycan of TAPBPR-bound Man9GlcNAc2-HLA-A*68:02. Moreover, a high-affinity, photocleavable peptide was applied to dissociate the MHC I-chaperone complex. However, in the absence of TAPBPR, no glucosyltransferase activity was observed. Generation of peptide-free MHC I through UV illumination also showed no activity, and only the addition of TAPBPR could restore UGGT1-mediated reglucosylation of the empty MHC I. Independent of the peptide status of HLAA*68:02, the combination of protein glycoengineering and LC-MS analysis implicated that UGGT1 exclusively acts on TAPBPR-chaperoned HLA-A*68:02. The newly established system provided insights into the function of TAPBPR during UGGT1-catalyzed re-glucosylation activity and quality control of MHC I. Taken together, the scoop loop allows TAPBPR to function as MHC I chaperone through stabilizing peptide-receptive MHC I. In a peptide-depleted environment, the loop structure serves as an internal peptide surrogate and can only be dislodged by a high-affinity peptide. Based on these findings, TAPBPR fulfills a dual function in the second level of quality control. On the one hand, TAPBPR functions as peptide editor, shaping the repertoire of presented peptides. On the other hand, TAPBPR mediates peptide-receptive MHC I clients to the folding sensor UGGT1. Here, TAPBPR is essential to promote UGGT1-catalyzed reglucosylation of the N-linked glycan, giving MHC I a second chance to be loaded with an optimal peptide cargo in the peptide loading complex.
Die digitale Revolution stellt viele traditionelle Industrien vor große Herausforderungen. Auf dem Finanzmarkt werden innovative Geschäftsmodelle geschaffen, die die Rahmenbedingungen, unter denen Finanzprodukte und -dienste angeboten werden, drastisch verändern. Infolgedessen entstehen rechtliche Unsicherheiten sowohl für die Marktakteure als auch für die Aufsicht. Diese Unsicherheiten weisen auf die Notwendigkeit hin, den Rechtsrahmen an die technologische und ökonomische Entwicklung anzupassen. Im Rahmen dieser Dissertation werden die Herausforderungen für das Aufsichts- und Wettbewerbsrecht untersucht, die die digitale Transformation des Finanzmarktes verursacht. Der Finanzmarkt wird vor allem durch die Entstehung von FinTechs, durch das Eintreten von BigTechs in den Finanzbereich und durch die Veränderung der Produkte und Dienstleistungen traditioneller Anbieter auf der Grundlage moderner Technologien transformiert. Die Arbeit gibt einen Überblick über die zentralen innovativen Geschäftsmodelle, der mit den zahlreichen praxisrelevanten Beispielen begleitet wird. Anschließend folgt eine Beurteilung des Umfanges und der Effizienz der vorhandenen und vorgeschlagenen aufsichtsrechtlichen Vorschriften. Diese Erkenntnisse dienen als Grundlage für die wettbewerbsrechtliche Analyse des Finanzmarktes mit dem Fokus auf die plattform- und algorithmenbasierten Geschäftsmodelle im zweiten Teil der Dissertation. Da werden wettbewerbsrechtliche Konstellationen betrachtet, die zwischen konkurrierenden innovativen Geschäftsmodellen entstehen. Die Verfasserin befasst sich mit der Problematik der Definition des relevanten Marktes bei den algorithmen- und plattformbasierten Geschäftsmodellen, der Beurteilung ihrer Marktmacht, den möglichen Auswirkungen der Netzwerkeffekte auf die mehrseitigen Plattformen. Ferner werden solche Aspekte wie Datenzugriff als wettbewerbsrechtlicher Faktor und die Rolle der Algorithmen für die Durchführung wettbewerbswidrigen Praktiken analysiert. Infolgedessen wird ein Überblick über mögliche kartellrechtliche Probleme gegeben, die im Rahmen der Digitalisierung im Finanzmarkt auftreten können, sowie die Vorstellungen darüber, wie sich Wettbewerbsfaktoren verändern sollten, wenn die Anwendung der traditionellen Konzepte des Wettbewerbsrechts nicht immer möglich oder sinnvoll ist. Es werden die Bereiche identifiziert, in denen das europäische und deutsche Wettbewerbsrecht derzeit nicht in der Lage ist, die von den innovativen Geschäftsmodellen stammenden Herausforderungen effektiv zu bewältigen. Im dritten Teil der Dissertation wird erörtert, wie sich das Aufsichts- und das Wettbewerbsrecht ergänzen und zusammen ein System der Ex-ante- und Ex-post-Regulierung bilden. Es wird dargestellt, wie die aufsichtsrechtlichen Anforderungen an die Finanzinstitute, FinTechs und BigTechs mit den ausgewählten Wettbewerbsergebnissen im Finanzsektor zusammenhängen. Darüber hinaus erklärt die Verfasserin, inwiefern einige aufsichtsrechtliche Vorschriften wettbewerbsnachteilig oder wettbewerbsfreundlich auswirken können und warum die Koordination zwischen den aufsichts- und wettbewerbsrechtlichen Instrumenten und Ansätzen essenziell ist. Schließlich werden die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Optionen zur Regulierung innovativer Geschäftsmodelle auf dem Finanzmarkt auf einer abstrakteren Ebene erwogen.
People can describe spatial scenes with language and, vice versa, create images based on linguistic descriptions. However, current systems do not even come close to matching the complexity of humans when it comes to reconstructing a scene from a given text. Even the ever-advancing development of better and better Transformer-based models has not been able to achieve this so far. This task, the automatic generation of a 3D scene based on an input text, is called text-to-3D scene generation. The key challenge, and focus of this dissertation, now relate to the following topics:
(a) Analyses of how well current language models understand spatial information, how static embeddings compare, and whether they can be improved by anaphora resolution.
(b) Automated resource generation for context expansion and grounding that can help in the creation of realistic scenes.
(c) Creation of a VR-based text-to-3D scene system that can be used as an annotation and active-learning environment, but can also be easily extended in a modular way with additional features to solve more contexts in the future.
(d) Analyze existing practices and tools for digital and virtual teaching, learning, and collaboration, as well as the conditions and strategies in the context of VR.
In the first part of this work, we could show that static word embeddings do not benefit significantly from pronoun substitution. We explain this result by the loss of contextual information, the reduction in the relative occurrence of rare words, and the absence of pronouns to be substituted. But we were able to we have shown that both static and contextualizing language models appear to encode object knowledge, but require a sophisticated apparatus to retrieve it. The models themselves in combination with the measures differ greatly in terms of the amount of knowledge they allow to extract.
Classifier-based variants perform significantly better than the unsupervised methods from bias research, but this is also due to overfitting. The resources generated for this evaluation are later also an important component of point three.
In the second part, we present AffordanceUPT, a modularization of UPT trained on the HICO-DET dataset, which we have extended with Gibsonien/telic annotations. We then show that AffordanceUPT can effectively make the Gibsonian/telic distinction and that the model learns other correlations in the data to make such distinctions (e.g., the presence of hands in the image) that have important implications for grounding images to language.
The third part first presents a VR project to support spatial annotation respectively IsoSpace. The direct spatial visualization and the immediate interaction with the 3D objects should make the labeling more intuitive and thus easier. The project will later be incorporated as part of the Semantic Scene Builder (SeSB). The project itself in turn relies on the Text2SceneVR presented here for generating spatial hypertext, which in turn is based on the VAnnotatoR. Finally, we introduce Semantic Scene Builder (SeSB), a VR-based text-to-3D scene framework using Semantic Annotation Framework (SemAF) as a scheme for annotating semantic relations. It integrates a wide range of tools and resources by utilizing SemAF and UIMA as a unified data structure to generate 3D scenes from textual descriptions and also supports annotations. When evaluating SeSB against another state-of-the-art tool, it was found that our approach not only performed better, but also allowed us to model a wider variety of scenes. The final part reviews existing practices and tools for digital and virtual teaching, learning, and collaboration, as well as the conditions and strategies needed to make the most of technological opportunities in the future.
Protein biosynthesis is a fundamental process across all domains of life. Polypeptides are produced by translating the genetic information of the messenger RNA (mRNA) into amino acids. This elaborate procedure is divided into the four distinct phases: initiation, elongation, termination, and ribosome recycling. The phases are controlled and regulated by a multitude of translation factors. During initiation, the ribosome assembles on the mRNA. Initiation factors (IFs) bind to the small ribosomal subunit (SSU) and assist the recruitment of mRNA and initiator transfer RNA (tRNA), which delivers the first amino acid methionine. After positioning the SSU at the start codon of the mRNA, additional IFs support the joining of the large ribosomal subunit (LSU). Next, elongation factors (EFs) deliver amino-acylated tRNAs (aa-tRNAs) to the translating ribosome and assist kinetic proofreading and ribosome subunit translocation after the catalytic transfer of the polypeptide onto the aa-tRNA. When a stop codon is reached, translation is terminated by release factors (RFs) that hydrolyze the peptidyl-tRNA to release the nascent protein chain. Afterwards, the ribosome is recycled in Eukaryotes and Archaea by the conserved and essential factor ABCE1, which splits the ribosome into the LSU and SSU. ABCE1 remains bound to the SSU forming the post-splitting complex (post-SC). mRNA translation closes into a cycle by recruitment of IFs to the post-SC and the start of a new round of initiation. The post-SC presents the platform for translation initiation. However, the role of ABCE1 in initiation remains elusive. Therefore, the main goal of my thesis was to unravel the molecular mechanism of ABCE1 on the post-SC and during initiation complex (IC) assembly.
Using a reconstituted system, the high-resolution structure of the archaeal post-SC was solved by cryogenic electron microscopy (cryo-EM) following the native splitting route. It was the first complete model of an archaeal SSU at atomic resolution and revealed a previously undescribed ribosomal protein, which we termed eS21. The hinge 2 region of ABCE1 was identified to be the major interaction interface that anchors to the SSU. Functional characterization of single residue mutations in hinge 2 unraveled essential interactions with the ribosomal RNA backbone of the SSU. Sensing of SSU-binding was found to be allosterically transmitted to the nucleotide-binding sites (NBSs) for integration into the ATPase cycle of ABCE1.
Reconstitution of the archaeal translation apparatus allowed for dissection of IC assembly in the presence of ABCE1. Three different ICs were resolved by cryo-EM. The results were in accordance with recent structural findings of eukaryotic translation initiation and highlighted that the involvement of ABCE1 is conserved.
In a semi-native approach, recombinant ABCE1 was pulled-down from crenarchaeal cell lysates. Mass spectrometric analysis of co-immunoprecipitated ribosomal complexes identified the association of numerous translation factors to the post-SC in a cellular context. The establishment of the genetic toolbox of the acidothermophilic Sulfolobus acidocaldarius allowed the homologous expression of ABCE1. Pull-down of native ABCE1 revealed similar ribosomal complexes as the semi-native and reconstituted approaches. Together, my results gave first physiological relevance of ABCE1 involvement in mRNA translation initiation in Archaea. Native archaeal ABCE1-ICs were vitrified for structural analysis by cryo-EM. Thereby, future structural analysis will allow to analyze the interactions of ABCE1 on native ICs and identify its role in IC assembly.
To address the molecular process of IC assembly, the binding affinity of aIF1 to the SSU was determined by fluorescence polarization. Similar studies will allow for a detailed functional analysis on IF recruitment to the SSU in presence of ABCE1.
mRNA surveillance and ribosome-associated quality control (RQC) mechanisms evolved to ensure cell viability. The pathways overcome ribosome stalling and defective translation components. Stalled ribosomes are terminated by special RFs, which do not hydrolyze the peptidyl-tRNA, but allow dissociation of the ribosome by ABCE1. Faulty messages are degraded via mRNA decay pathways and the LSU is rescued by RQC factors. Recently, the bacterial RQC factor MutS2 was identified to specifically target collided di- and polysomes but its molecular mechanism remains unknown. In this thesis, initial functional analyses showed tri-phosphate specific nucleotide binding of MutS2. While the dissociation of collided disomes by MutS2 could not be observed, the results pave the way for future in vitro studies of bacterial RQC factors acting on specific ribosome populations.
In the future, mRNA translation research must focus on complex quality control processes to comprehensively understand this fundamental cellular process in a holistic context.
Einleitung: Knochenersatzmaterialien gewinnen in der regenerativen Medizin immer weiter an Bedeutung. Polylactid-co-Glycolid (PLGA) wird als etabliertes synthetisches Biomaterial bereits vielseitig in der medizinischen Versorgung eingesetzt, häufig in Form von Mikropartikeln oder Platzhaltern beladen mit Antibiotika oder immunaktiven Zellen zur topischen Antibiotikatherapie und Freisetzung von regenerativen Zellen in einer Defektzone. Ziel dieser Studie war die Charakterisierung einer neuen Darbietungsform von PLGA auf ihre physikalischen Eigenschaften, ihre immunologische Signatur und Zytokompatibilität. Dieses Material soll den Einsatz von PLGA in Form einer porösen Membran zur Abdeckung von großen Knochendefekten ermöglichen.
Material und Methoden: Das PLGA-Gemisch wurde in Form von scheibenförmigen Prüfkörpern und Membranen aufbereitet. Es wurde eine biomechanische Analyse des Materials auf Bruchfestigkeit, Biegesteifigkeit und seine Diffusionskapazität durchgeführt. Die Scaffolds wurden mit Knochenmarkstammzellen (BMC und MSC) besiedelt. Mittels MTT-Tests wurde die Lebensdauer und die Viabilität der Zellen auf der Prüfkörperoberfläche ermittelt. Die Zellen wurden durch PCR-Analyse auf osteogene Differenzierung untersucht. Zur Erfassung der immunologischen Signatur erfolgte ein Vollblutstimulationstest mit anschließender umfassender Auswertung des Sekretoms mittels Proteom Profiler-Analyse.
Ergebnisse: Das Material wies eine geringe mechanische Stabilität auf. Die PLGA-Membran zeigte sich für Proteine bis 11,4 kDa durchlässig. Es konnte eine stetige Degeneration des Materials in wässrigem Milieu festgestellt werden. In der Sekretom-Analyse des Vollblutstimulationstests zeigte sich eine für die PLGAMembran charakteristische immunologische Signatur mit Aktivierung von proinflammatorischen Faktoren. Das Zellüberleben auf der Prüfkörperoberfläche nahm während des Erfassungszeitraums konstant ab, während die Zellviabiliät auf dem Wellboden stieg. Es konnte keine signifikante osteogene Differenzierung der Stammzellen festgestellt werden.
Diskussion: Die schnelle Degeneration des Materials in wässriger Umgebung beeinflusste sowohl die Stabilität der Membran als auch die Zelladhäsion auf den Scaffolds negativ. Das Material wirkte dabei weder toxisch auf die Zellen, noch induzierte es eine osteogene Differenzierung. Die Analyse der Immunsignatur ließ eine frühe und starke Entzündungsreaktion nach Implantation des Materials vermuten.
Schlussfolgerung und Ausblick: Während das vorgelegte PLGA-Gemisch nicht die mechanischen Eigenschaften eines gewichttragenden Knochenersatzstoffes aufweist, so lässt es sich dennoch erfolgreich mit Stammzellen beladen, die nach Implantation gezielt in der Defektzone freigesetzt werden können. Die Anregung einer starken Immunantwort kann gerade in der frühen Heilungsphase hilfreich sein. Weitere in vivo-Untersuchungen am Tiermodell sind notwendig zur Optimierung möglicher therapeutischer Anwendungen.
Das akut-auf-chronische Leberversagen (ACLF) entsteht durch eine akute Dekompensation einer vorbestehenden Leberzirrhose mit begleitendem Multiorganversagen und ist durch eine sehr hohe Kurzzeitmortalität gekennzeichnet. Die Kriterien der European Association for the Study of Chronic Liver Failure (EASL-CLIF) definieren in diesem Zusammenhang ein Lungenversagen als Abfall des Horovitz-Quotienten unter 200mmHg oder als Abfall des Quotienten aus SpO2/FiO2 unter 214. Während Lungenfunktionsstörungen als unabhängiger Risikofaktor für Mortalität bei Patienten mit Leberzirrhose belegt sind, wurde die Bedeutung von mechanischer Beatmung und Lungenversagen bisher nicht isoliert untersucht. Ziel der Studie ist die Rolle von mechanischer Beatmung und Lungenversagen im ACLF zu analysieren und eine mögliche Unterinterpretation in den etablierten prädiktiven Modellen zu evaluieren.
Es wurden Daten aus 775 Hospitalisationen mit intensivmedizinischer Behandlung am Universitätsklinikum Frankfurt von insgesamt 498 Patienten mit Leberzirrhose im Zeitraum März 2015 bis Juli 2019 retrospektiv erfasst und ausgewertet. ACLF und Organversagen wurden gemäß EASL-CLIF Kriterien definiert. Es erfolgte die statistische Analyse verschiedener Kohorten, wobei ACLF-Patienten mittels Propensity Score hinsichtlich CLIF-C ACLF Score und Geschlecht gematcht und anhand der pulmonalen Beeinträchtigung in eine dreiarmige Testkohorte bestehend aus 49 Patienten mit Lungenversagen, 49 Patienten mit Schutzintubation und 49 Patienten ohne pulmonale Beeinträchtigung aufgeteilt wurden.
216 Patienten zeigten ein ACLF bei Aufnahme, 121 wurden mechanisch beatmet und 68 hatten ein Lungenversagen. In der gematchten Kohorte (n=147) konnten Lungenversagen (HR 3,0) und mechanische Beatmung (HR 1,7) als unabhängige Risikofaktoren für eine hohe 28-Tage-Mortalität identifiziert werden. Der CLIF-C ACLF Score konnte als bestes Modell für die Vorhersage der Kurzzeitmortalität bestätigt werden (AUROC 0,81), zeigte allerdingt deutliche Schwächen in der Subkohorte der Patienten mit Lungenversagen (AUROC 0,49) und mechanischer Beatmung (AUROC 0,68). Eine Kalibrierung des CLIF-C ACLF Scores für diese beiden Risikofaktoren liefert auch in der Gesamtkohorte aller zirrhotischer Patienten eine signifikant verbesserte prädiktive Performance (AUROC 0,87; p=0,001).
Mechanische Beatmung und Lungenversagen sind im Rahmen eines ACLF mit einer erhöhten Kurzzeitmortalität assoziiert und nur ungenügend in den etablierten Prädiktionsmodellen abgebildet. Die Kalibrierung des CLIF-C ACLF Scores für diese Risikofaktoren führt zu einer verbesserten Vorhersagegenauigkeit.
Untersuchungen zur Bedeutung selektiver Autophagie für Alterungsprozesse von Podospora anserina
(2022)
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Funktion und die Rolle von Autophagie-assoziierten Proteinen im Alternsmodell Podospora anserina zu untersuchen und einen Einblick in die nicht-selektive Autophagie, die Mitophagie und die Bildung und den Abbau von Autophagosomen im Zusammenhang zur Alterung von P. anserina zu analysieren. Dabei wurden folgende Erkenntnisse erhalten:
1. Die Untersuchungen zu ΔPaAtg8 bestätigen, dass die PaATG8-abhängige Autophagosomenbildung zur Aufrechterhaltung der Lebensspanne benötigt wird. In ΔPaAtg8 kommt es zu einem Verlust der nicht-selektiven Autophagie. Die Mitophagie hingegen ist auch ohne PaATG8 partiell möglich und es liegt ein PaATG8-unabhängiger Abbau von mitochondrialen Proteinen in P. anserina vor.
2. In P. anserina ist PaATG11 an der nicht-selektiven Autophagie beteiligt und auch die Mitophagie erfolgt in Abhängigkeit dieses Gerüstproteins. Während der PaAtg11-Deletionsstamm unter Normalbedingungen keinen zum Wildtyp veränderten Phänotyp zeigt, führt eine Kultivierung auf M2-Medium mit Glycerin als einziger Kohlenstoffquelle zu einer starken Verkürzung der Lebensspanne. Eine mikroskopische Untersuchung der Mitochondrien zeigte, dass im juvenilen Altersstadium von ΔPaAtg11 stark fragmentierte Mitochondrien vorliegen. Während der Alterung normalisiert sich die Mitochondrienmorphologie wieder. Der mitochondriale Funktionsverlust wird möglicherweise von den fragmentierten Mitochondrien ausgelöst, denn eine Kultivierung von älteren ΔPaAtg11-Stämmen auf M2-Medium mit Glycerin führt zu einer Normalisierung der Lebensspanne.
3. Die initialen Untersuchungen zur ΔPaAtg11/ΔPaAtg24-Doppelmutante zeigen, dass es bei der Kultivierung unter Normalbedingungen zu einem additiven Effekt der beiden Genverluste kommt. Bei der Anzucht auf M2-Medium mit Glycerin hingegen kann eine im Vergleich zum ΔPaAtg11-Stamm längere Lebensspanne festgestellt werden. Die Mikroskopie der Mitochondrien in ΔPaAtg11/ΔPaAtg24 zeigt, dass im juvenilen Alter zum Wildtyp vergleichbare filamentöse Mitochondrien vorhanden sind.
4. In P. anserina ist PaATG24 kein Mitophagierezeptorprotein, da im PaAtg24-Deletionsstamm eine Beeinträchtigung der nicht-selektiven Autophagie vorliegt. Auch die Mitophagie ist in diesem Stamm geschädigt. Die mikroskopische Betrachtung der Mitochondrien zeigt keinen Unterschied zum Wildtyp. Bei der Untersuchung zur Mitochondrienfunktion durch M2-Medium mit Glycerin ist wie unter Normalbedingungen eine verkürzte Lebensspanne feststellbar.
5. Der Abbau von GFP::PaATG8 ist in der PaAtg24-Deletionsmutante signifikant verringert und es kommt zu einer Akkumulation von Autophagosomen, somit liegt in diesem Stamm eine Beeinträchtigung des autophagosomalen Flusses vor. Bei der mikroskopischen Untersuchung von PaATG24 zeigt sich, dass dieses Protein in P. anserina im Bereich der Vakuolen lokalisiert ist. Die Analyse der Vakuole-Autophagosomen-Fusion zeigt jedoch, dass dieser Mechanismus unabhängig von PaATG24 ist. Die Vakuolenmorphologie und Vakuolengröße ist in ΔPaAtg24 beeinträchtigt und dadurch kommt es zu dem beobachteten Defekt der nicht-selektiven und selektiven Autophagie.
Mutational analysis of ribosomal DNA and maturation-scheme analysis of ribosomal RNA in A. thaliana
(2022)
Ribosome biogenesis is a fundamental cellular process beginning with long precursor rRNA transcription from multi-copies of repetitive 45S ribosomal DNAs. At the subunit level, the primary pre-rRNA transcript encapsuled in 90S protein-RNA complex undergoes decisive splitting in two chief ways for further maturation into large (LSU) and small (SSU) ribosomal subunit. The usage of specific rDNA copies from defined chromosomes and their selective role during growth and development have been a topic of interest owing to its contribution to specialized ribosome theory which proposes non-monolithic functions for ribosomes and thereby their mRNA translation potential. Dual-guide CRISPR/Cas9 mediated disruption of rDNA regions resulted in stable disruption of up to 2.5% and 5% of all rDNA copies in hetero- and homozygous (ploop KD) conditions, respectively. At the RNA level, the mutation excised a critical structural element, P-loop on the LSU 25S rRNA. Mutation caused a dosage dependent defect with homozygosity leading to severe developmental defects through vegetative and reproductive growth phases which is manifested in their proteome by means of disregulation through both increase and decrease of several gene ontological categories of proteins in mutants. Interestingly, the mutation on chromosome 4 triggered dosage compensation through rRNA expression from chromosome 2 further compounded by ectopic rRNA biogenesis defects. The mutated copies however are not incorporated in the translating ribosomes and as a direct or indirect consequence led to elevated basal autophagic levels in the mutants.
The primary 35S transcript is known to undergo two modes of initial cleavages at the pre-rRNA level that aid in their subsequent maturation. Root cell culture (RCC) studies shows that these cells contain a novel ITS2-first cleaved precursor even under control growth conditions, P-C2 adding a third maturation means for the 35S pre-rRNA. This maturation path is further known to be triggered under elevated growth temperature forming a novel adaptive response in Arabidopsis and two other crop plants, tomato, and rice. Taken together, the pulse-chase labeling analysis of control and stressed tissues uncovers the fine-tuned pre-rRNA schematics with crossovers between multiple maturation paths.
In the human brain, the incoming light to the retina is transformed into meaningful representations that allow us to interact with the world. In a similar vein, the RGB pixel values are transformed by a deep neural network (DNN) into meaningful representations relevant to solving a computer vision task it was trained for. Therefore, in my research, I aim to reveal insights into the visual representations in the human visual cortex and DNNs solving vision tasks.
In the previous decade, DNNs have emerged as the state-of-the-art models for predicting neural responses in the human and monkey visual cortex. Research has shown that training on a task related to a brain region’s function leads to better predictivity than a randomly initialized network. Based on this observation, we proposed that we can use DNNs trained on different computer vision tasks to identify functional mapping of the human visual cortex.
To validate our proposed idea, we first investigate a brain region occipital place area (OPA) using DNNs trained on scene parsing task and scene classification task. From the previous investigations about OPA’s functions, we knew that it encodes navigational affordances that require spatial information about the scene. Therefore, we hypothesized that OPA’s representation should be closer to a scene parsing model than a scene classification model as the scene parsing task explicitly requires spatial information about the scene. Our results showed that scene parsing models had representation closer to OPA than scene classification models thus validating our approach.
We then selected multiple DNNs performing a wide range of computer vision tasks ranging from low-level tasks such as edge detection, 3D tasks such as surface normals, and semantic tasks such as semantic segmentation. We compared the representations of these DNNs with all the regions in the visual cortex, thus revealing the functional representations of different regions of the visual cortex. Our results highly converged with previous investigations of these brain regions validating the feasibility of the proposed approach in finding functional representations of the human brain. Our results also provided new insights into underinvestigated brain regions that can serve as starting hypotheses and promote further investigation into those brain regions.
We applied the same approach to find representational insights about the DNNs. A DNN usually consists of multiple layers with each layer performing a computation leading to the final layer that performs prediction for a given task. Training on different tasks could lead to very different representations. Therefore, we first investigate at which stage does the representation in DNNs trained on different tasks starts to differ. We further investigate if the DNNs trained on similar tasks lead to similar representations and on dissimilar tasks lead to more dissimilar representations. We selected the same set of DNNs used in the previous work that were trained on the Taskonomy dataset on a diverse range of 2D, 3D and semantic tasks. Then, given a DNN trained on a particular task, we compared the representation of multiple layers to corresponding layers in other DNNs. From this analysis, we aimed to reveal where in the network architecture task-specific representation is prominent. We found that task specificity increases as we go deeper into the DNN architecture and similar tasks start to cluster in groups. We found that the grouping we found using representational similarity was highly correlated with grouping based on transfer learning thus creating an interesting application of the approach to model selection in transfer learning.
During previous works, several new measures were introduced to compare DNN representations. So, we identified the commonalities in different measures and unified different measures into a single framework referred to as duality diagram similarity. This work opens up new possibilities for similarity measures to understand DNN representations. While demonstrating a much higher correlation with transfer learning than previous state-of-the-art measures we extend it to understanding layer-wise representations of models trained on the Imagenet and Places dataset using different tasks and demonstrate its applicability to layer selection for transfer learning.
In all the previous works, we used the task-specific DNN representations to understand the representations in the human visual cortex and other DNNs. We were able to interpret our findings in terms of computer vision tasks such as edge detection, semantic segmentation, depth estimation, etc. however we were not able to map the representations to human interpretable concepts. Therefore in our most recent work, we developed a new method that associates individual artificial neurons with human interpretable concepts.
Overall, the works in this thesis revealed new insights into the representation of the visual cortex and DNNs...
Bei Vorliegen eines metastasierten kastrationsresistenten Prostatakarzinoms ist die Radioligandentherapie mit 177Lu-PSMA-617 bzw. 177Lu-PSMA-I&T (hier abgekürzt 177Lu-PSMA) eine mögliche Therapieoption. Sie setzt eine ausreichende Expression von prostataspezifischem Membranantigen (PSMA) auf dem Tumorgewebe des Prostatakarzinoms voraus. Da PSMA auch auf physiologischem Gewebe exprimiert wird, sind bestimmte Organe einer erhöhten Dosis ausgesetzt. Die Niere ist aufgrund der PSMA-Expression und der renalen Eliminierung des Radionuklids eines dieser Risikoorgane.
Eine generelle Leitlinie zur Überwachung der Nierendosis unter Therapie mit 177Lu-PSMA existiert noch nicht, jedoch wird empfohlen, bei Durchführung mehrerer Therapiezyklen eine Dosimetrie der Risikoorgane durchzuführen. Meist erfolgt die Nierendosimetrie mittels SPECT/CT. Dieses Verfahren wird als Goldstandard angesehen, da es eine Korrektur der Schwächung, Streuung und des Hintergrundes zulässt.
Die Dosimetrie durch eine SPECT/CT-Bildgebung ist jedoch nicht immer möglich. Dementsprechend gibt es in Studien mehrere Ansätze der Nierendosimetrie ohne SPECT/CT.
In dieser Arbeit werden zwei unterschiedliche Verfahren zur Nierendosimetrie vorgestellt, die einzig mit konventionellen nuklearmedizinischen Modalitäten durchgeführt werden. Diese werden an einem großen Patientenkollektiv angewendet und anhand bereits in der Literatur bestehenden Studien und Ergebnissen evaluiert und mit diesen verglichen. Die Nierendosis in der Literatur bewegt sich dabei meist zwischen 0,4 und 0,8 Gy pro GBq applizierter Aktivität (Gy/GBq).
Die hier vorgestellte Methode 1 arbeitet mit Messwerten aus der Gammasonde, Ganzkörperszintigraphie und abdominalem SPECT. Messwerte werden an der Gammasonde 0 und 48 Stunden nach Applikation von 177Lu-PSMA erhoben, die Szintigraphie wird 48 Stunden und die SPECT 24, 48 und 72 Stunden post iniectionem angefertigt.
Methode 2 der Nierendosimetrie dagegen benötigt nur die 24, 48 und 72 Stunden nach Applikation durchgeführte SPECT sowie die durch eine CT-Bildgebung messbaren Abstände der Nieren zur Körperoberfläche. Durch zuvor durchgeführte Messungen mit einem Torso-Phantom ist die Bestimmung einer patientenindividuellen Effektivität möglich, die die Bestimmung der Nierendosis in Abhängigkeit zur Lage der Nieren möglich macht.
Die gemittelte Nierendosis von 196 Patienten, die eine Therapie mit 177Lu-PSMA erhielten, betrugt 0,29 ± 0,14 Gy/GBq bei Methode 1 und 0,54 ± 0,2g Gy/GBq bei Methode 2. Im Schnitt wurden 3,54 ± 2,63 Therapiezyklen je Patient durchgeführt.
Da bisher nur Studien mit einer kleinen Patientenkohorte vorliegen, besteht die Notwendigkeit zur Durchführung von Arbeiten mit mehr Patienten. Die vorliegende Arbeit schließt 196 Patienten mit 926 durchgeführten Therapiezyklen ein, wodurch Ergebnisse erzielt wurden, die valide Aussagen treffen lassen.
Nach Vergleich der Ergebnisse mit bereits vorliegenden Studien sollte Methode 1 der Nierendosimetrie angesichts der fehlenden Möglichkeit zur Schwächungskorrektur verworfen werden, da dies die Gefahr der Unterschätzung der Nierendosis mit sich bringt. Stattdessen sollte Methode 2 präferiert werden, deren Ergebnisse sich mit den anderen zum Vergleich herangezogenen Studien decken.
Eine Durchführung mit Methode 2 ist dementsprechend sicher und ist in Betracht zu ziehen, sollte die Nierendosimetrie mit einem SPECT/CT nicht möglich sein.
Oceanic islands only comprise a small amount of the Earth’s land area but harbour a disproportionate amount of global biodiversity. This vast diversity is not only reflected in the taxonomic uniqueness of island biota but also in the remarkable evolution of functional traits. Functional traits, i.e. measurable characteristics that strongly influence the fitness of species, determine how a species responds to its environment and can help to gain more insights into the biogeographical, ecological and evolutionary processes that have shaped island biodiversity. However, research in island biogeography has primarily focused on species richness, and knowledge of functional trait patterns on oceanic islands is scarce. Hence, in this dissertation, I have explored how trait-based approaches can increase our understanding of how biodiversity on oceanic islands assembles and how it is driven by the environment. The Canary Islands (Spain) are a particularly suitable model system to investigate patterns and drivers of biodiversity. The archipelago is characterised by a high variation in environmental heterogeneity and inhabits a unique and well-described native flora. Therefore, I have investigated five principal research questions using the flora (Spermatophytes) of the Canary Islands as a study object. First, I have analysed how climate and biogeography shape the assembly of the Canary Islands flora using a novel trait-based approach. Second, the question of whether rare climates link to functional trait distinctiveness in the native Canary Islands flora was addressed. Third, I have examined how intraspecific trait variation is represented in the native flora of oceanic islands focusing on the succulent scrub of La Palma (Canary Islands). Fourth, this dissertation investigated whether scientific floras can be reliable sources for trait data of plants native to oceanic islands. Finally, I have explored how climate change may impact the native Canary Islands flora by analysing possible climate change-induced shifts in plant species distribution and plant traits.
The results of my dissertation expand the understanding of the importance of biogeography and the environment in determining the functional composition of island floras. I have assessed that traits of endemic plant species did not expand the functional trait space of the Canary Islands but were packed with the ones of non-endemic species. This result hints at a trait convergence in endemic species, possibly driven by non-adaptive speciation processes. Moreover, I have evidenced that humidity is a critical driver of functional diversity in native plant assemblages and particularly leads to a high trait convergence in arid environments via environmental filtering. In contrast, alien species have expanded the Canary Islands flora’s functional trait space. I further have shown that in contrast to native species assemblages, alien species assemblages are characterised by an increasing functional diversity with increasing aridity. This contrasting pattern of functional diversity could pose a potential risk to the native flora of the Canary Islands as a low functional diversity is expected to reduce the resilience of species assemblages to the establishment of more functionally diverse alien plant species. However, in this dissertation, I also have revealed that endemic plant species on the Canary Islands show a high intraspecific variation in arid environments, possibly as an adaptation to environmental stress. Intraspecific variation could help endemic plant species have a competitive advantage over alien species and be more resilient to environmental changes. Furthermore, in this dissertation, I have shown that scientific floras and taxonomic monographs could be used to gain information on quantitative functional traits of plants native to oceanic islands. This finding is particularly relevant for advances in trait-based research, as coverage of trait data for oceanic island floras is extremely poor in global trait databases. Hence, for some of the studies included in this dissertation, trait data were retrieved from scientific floras and taxonomic monographs and used to answer novel scientific research questions. Thus, I have used trait data from the literature to analyse the effect of climate change on the range size of plants native to the Canary Islands. Identifying plant species of particular conservation concern is critical on oceanic islands as many island species have limited distributions and small population sizes, and their niche tracking is impeded by insularity. I have revealed that single-island endemic plants gain less and lose more climatically suitable areas than archipelago endemic and non-endemic native plants due to a climate change-induced decrease in precipitation until 2100...
A promising strategy to reduce the dependency from fossil fuels is to use the yeast Saccharomyces cerevisiae to bioconvert renewable non-food feedstocks or waste streams, like lignocellulosic biomass, into bioethanol and other valuable molecule blocks. Lignocellulosic feedstocks contain glucose and significant fractions of the pentoses xylose and arabinose in varying proportions depending on the biomass type. S. cerevisiae is an efficient glucose consumer, but it cannot metabolize xylose and arabinose naturally. Therefore, extensive research using recombinant DNA techniques has been conducted to introduce and improve the biochemical pathways necessary to utilize these non-physiological substrates. However, any functional pathway capable of metabolizing D xylose and L arabinose in S. cerevisiae requires the transport of these sugars across the plasma membrane. The endogenous sugar transport system of S. cerevisiae can conduct a limited uptake of D-xylose and L-arabinose; this uptake enables only basal growth when the enzymatic pathways are provided. For this reason, the uptake of D xylose and L-arabinose has been recognized as a limiting step for the efficient utilization of these non-physiological substrates.
Gal2, a member of the major facilitator superfamily, is one of the most studied hexose transporters in S. cerevisiae. Although its expression is repressed in the presence of glucose, it also transports this sugar with high affinity when constitutively expressed. Recent efforts to engineer yeast strains for the utilization of plant biomass have unraveled the ability of Gal2 to transport non-physiological substrates like xylose and arabinose, among others. Improving Gal2 kinetic and substrate specificity, particularly for pentoses, has become a crucial target in strain engineering. The main goal of this study is to improve the utilization of xylose and arabinose by increasing the cell permeability of these non physiological substrates through the engineering of the galactose permease Gal2.
GAL2 gene expression depends on galactose, which acts as an inducer; nevertheless, even in the presence of galactose, glucose act as a strict repressor; consequently, GAL2 gene is usually placed under the control of a constitutive promoter. However, the presence of glucose additionally triggers the Gal2 degradation, which is mediated by the covalent attachment of the small 76 amino acid protein ubiquitin (Ub) to the targeted transporter; in a multi-step process called ubiquitination.
Ubiquitination of hexose permeases involves the activation of the Ub molecule by the E1 Ub-activating enzyme using ATP; then, the activated Ub is transferred to a specific Ub-conjugating enzyme E2, which donates the Ub indirectly through a specific HECT E3 enzyme (Rsp5) to a lysine residue of the substrate, with the aid of an adaptor protein which recognizes the target (Rsp5-adaptor). Ubiquitinated permeases are sent by membrane invagination to early endosomes, where they encounter ESCRTs (endosomal sorting complex required for transport). The targeted permeases are sorted in intralumenal vesicles (ILV) inside of the endosome, which after several cycles, turns into a multivesicular body (MVB) that subsequently fuses with the vacuole to expose the protein content of the ILVs to lumenal hydrolases for degradation.
Gal2 contains 30 lysine residues that may accept the ubiquitin molecule, which targets its degradation. It is known that mono-ubiquitination by Rsp5 on multiple lysine residues is necessary to internalize Gal2 (Horak & Wolf, 2001). However, the authors did not identify the specific lysine residues involved in the ubiquitination processes. This study screened several Gal2 variants where lysine residues were mutated or removed from the protein sequence to discover which lysine residues are likely involved in ubiquitination and consequent turnover of the transporter. The results of the screening showed that mutation of the N terminal lysine residues 27, 37, and 44 to arginine (Gal23KR) produced a functional transporter that, when fused with GFP (Gal23KR_GFP), showed an exclusive localization at the plasma membrane in cells growing in galactose or glucose as a sole carbon source (Tamayo Rojas et al., 2021b).
This study furthermore evaluated upstream signals caused by phosphorylation which triggers ubiquitination and consequent turnover of the targeted protein; using similar screening approaches to assess the stabilization of Gal2 by lysine residue modifications, it was possible to identify that N terminal serine residues 32, 35, 39, 48, 53, and 55 are likely involved in the internalization of Gal2, since a Gal2 construct where all these serines were mutated to alanine residues and tagged with GFP (Gal26SA_GFP) exhibited practically complete localization at the plasma membrane in cells growing in galactose or glucose as a sole carbon source (Tamayo Rojas et al., 2021b)...
Einführung: In den letzten Jahren wurden mobile Endgeräte in zunehmenden Maße zur Messung biometrischer Daten wie z.B. Herzfrequenz, Blutdruck, Sauerstoffsättigung und EKG Messungen wie z.B. Rhythmusstörungen verwendet. In den meisten Fällen kann bezüglich eines EKG hierbei nur eine einzige Ableitung gemessen werden. Mit Ausnahme von EKG-Brustgürteln sind Messungen nur in Ruhe möglich. Letztere sind häufig nicht als Medizinprodukte zugelassen. Veränderungen in einem vektoriell, aus einer reduzierten Elektrodenzahl, errechneten EKG unter Belastung, welche mit einem mobilen Endgerät gemessen wurden, sind bisher nicht evaluiert worden. Einige Pathologien werden nur unter Stressbedingungen demaskiert, so dass mit den aktuellen Systemen eine diagnostische Lücke im häuslichen Umfeld existiert. Es wurde ein mit einem mobilen Endgerät (Smartphone/Tablet) vektoriell abgeleitetes 4 Elektroden EKG System mit dem aktuellen Goldstandard 12-Kanal EKG sowohl in Ruhe als auch unter Belastung verglichen.
Methoden und Ergebnisse: 428 Patienten wurden während einer fahrradergometrischen Untersuchung simultan mit beiden EKG Systemen untersucht. Das vektorielle EKG wurde als errechnetes 12-Kanal EKG dargestellt und bezüglich EKG-Qualität und diagnostischer Genauigkeit mit dem Standard EKG verglichen. Alle EKGs wurden unabhängig durch 2 verblindete und in der EKG Interpretation versierten Ärzte untersucht. Die EKG Qualität in beiden Verfahren war gut. In Ruhe gab es eine ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen beiden EKG Technologien in Hinsicht auf Rhythmus (98%), AV-Überleitung (97%), Wellendauer (90%) und elektrischer Achse (88-97%). Während der Belastung gab es eine Übereinstimmung in 90% der Fälle. Der positiv prädiktive Wert lag bei 48.5% und der negativ prädiktive Wert bei 94%. ST-Deviationen >0.2 mV zeigten eine 97% Übereinstimmung während des Stresstests. Rhythmusstörungen und intraventrikuläre Leitungsstörungen (Links- und Rechtsschenkelblock) konnten in jeweils >90% der Fälle übereinstimmend identifiziert werden.
Schlussfolgerung: Ein mobiles Endgerät kann benutzt werden, um vektoriell errechnete 12-Kanal EKGs unter Alltagsbedingungen zuverlässig darzustellen. Die diagnostische Aussagekraft dieser EKGs in Ruhe und unter Belastung ist gut.
Mechanistic and structural insights into the quality control of the MHC I antigen processing pathway
(2022)
The human body is permanently exposed to its environment and thus to viruses and other pathogens, which require a flexible response and defense. Alongside to the innate immune system, the adaptive immune system provides highly specialized protection against these threats. The major histocompatibility complex class I (MHC I) antigen presentation system is a cornerstone of the adaptive immune system and a major constituent of cellular immunity. Pathogens such as viruses that invade a cell will leave traces in the form of proteins and peptides which are degraded and loaded onto MHC I molecules. MHC I peptide loading is performed by peptide loading complex (PLC) in the membrane of the endoplasmic reticulum as part of a multifaceted and comprehensive quality control machinery. Monitored by multiple layers of quality assurance, the MHC I molecules consequently display the immune status of the cell on its surface. In this context, the captured fragment of the virus serves as a call for help issued by the cell, alerting the adaptive immune system to the infection to mount an appropriate immune response.
The three-dimensional structure as well as the mechanistic details of parts of this complex machinery were characterized in the context of this dissertation. Among other tools, light-modulable nanotools were developed in this thesis, which permit external regulation of cellular processes in temporal and spatial resolution. Furthermore, methods and model systems for the biochemical characterization of cellular signaling cascades, proteins, as well as entire cell organelles were developed, which are likely to influence the field of cellular immunity and protein biochemistry in the future.
This cumulative work comprises a total of six publications whose scientific key advances will be briefly outlined in this abstract. In the introduction, the scientific background as well as the current state of research and methodological background knowledge are conveyed. The results section condenses the main aspects of the publications and links them to each other. Further details can be retrieved from the attached original publications.
In “Semisynthetic viral inhibitor for light control of the MHC I peptide loading complex, Winter, Domnick et al., Angew Chem Int Ed 2022” a photocleavable viral inhibitor of the peptide loading complex was produced by semi-synthesis. This nanotool was shown to be suitable for both purifying the PLC from human Raji cells as well as reactivating it in a light-controlled manner. Thus, this tool establishes the isolation of a fully intact and functional peptide loading complex for biochemical characterization. In addition, a novel flow cytometric analysis pipeline for microsomes was developed, allowing cellular vesicles to be characterized with single organelle resolution, similar to cells.
In “Molecular basis of MHC I quality control in the peptide loading complex, Domnick, Winter et al., Nat Commun 2022” the peptide loading complex was reconstituted into large nanodiscs, and a cryo-EM structural model of the editing module at 3.7 Å resolution was generated. By combining the structural model with in vitro glycan editing assays, an allosteric coupling between peptide-MHC I assembly and glycan processing was revealed, extending the known model of MHC I loading and dissociation from the PLC. These mechanisms provide a prototypical example for endoplasmic reticulum quality control.
In a related context, in “Structure of an MHC I–tapasin–ERp57 editing complex defines chaperone promiscuity, Müller, Winter et al., Nat Commun 2022” a recombinantly assembled editing module comprised of MHC I-tapasin-ERp57 was crystallized for X-ray structural biology. The resulting crystal structure at a resolution of 2.7 Å permitted the precise identification of characteristic features of the editing module and particularly of the peptide proofreading mechanism of tapasin. This study provided pivotal insights into the tapasin-mediated peptide editing of different MHC I allomorphs as well as similarities to TAPBPR-based MHC I peptide proofreading.
In “TAPBPR is necessary and sufficient for UGGT1-mediated quality control of MHC I, Sagert, Winter et al. (in preparation)” novel insights concerning the peptide proofreader TAPBPR and its close interplay with the folding sensor and glucosyltransferase UGGT1 were obtained. It was shown that TAPBPR is an integral part of the second level of endoplasmic quality control and is indispensable for effective MHC I coordination by UGGT1.
In “Light-guided intrabodies for on-demand in situ target recognition in human cells, Joest, Winter et al., Chem Sci 2021” intracellular nanobodies were equipped with a photocaged target recognition domain by genetic code expansion via amber suppression. These intrabodies, acting as high-affinity binding partners endowed with a fluorophore, could be used in a light-triggered approach to instantaneously visualize their target molecule...
This work investigated the influence of the CRISPR/Cas9 mediated knockout of 5-lipoxygenase (5-LO) on different adherent tumour cell lines derived from solid tumours. For this, the 5-LO expressing tumour cell lines HCT-116, HT-29, and U-2 OS were transiently transfected using a plasmid carrying the CRISPR/Cas9 complex sequence to the ALOX5 gene. Subsequently, cells were selected using Puromycin and analysed via Western blotting and DNA Sanger sequencing. Cells that were transfected with a control plasmid missing the guide RNA sequence, were used as a control for all experiments.
Differential gene expression analysis, performed after next-generation RNA sequencing, revealed that the expression of various genes was altered after the knockout of 5-LO. In HCT-116 cells, 28 genes were expressed differentially in all 5-LO knockout single-cell clones, while in HT-29 cells the expression of 18 genes and in U-2 OS cells of 234 genes was influenced by the knockout of 5-LO. These findings were validated by real-time qPCR. A lot of the genes that were influenced by the 5-LO knockout are known to be connected to epithelial-mesenchymal-transition (EMT), a process necessary for tumour metastasis. The results from RNA sequencing were the starting point for further investigations. In the following, different aspects of the tumour cell lines were examined. In HT-29, as
well as in U-2 OS cells, it was shown that knockout of the 5-LO resulted in impaired cell proliferation. Also, the formation of three-dimensional tumour spheroids was altered. In HT-29 cells, the knockout of 5-LO increased the number of cells in spheroids. In contrast, in U-2 OS cells, the number of cells per spheroid was decreased, even though the diameter of the spheroids was increased, due to more loosely packed spheroids. The difference between 5-LO positive and negative U-2 OS cells became even more obvious after embedding the spheroids in an artificial extracellular matrix. In that scenario, cells lacking the 5-LO formed smaller spheroids that did not have the same ability to grow into the extracellular matrix as 5-LO positive cells did. Also, directed cell migration was strongly influenced by the knockout of 5-LO. In both, HCT-116 and U-2 OS cells, directed cell migration towards a serum gradient was increased in 5-LO knockout single-cell clones. Pharmacological inhibition of the enzyme was used to investigate, whether canonical or non-canonical functions were responsible for the previously mentioned effects.
Therefore, vector control cells were treated with the 5-LO inhibitors Zileuton and CJ-13610 in different concentrations. Interestingly, only some of the effects mediated by the complete knockout of 5-LO could be reproduced by inhibiting the enzyme, leading to the suggestion, that canonical, as well as non-canonical functions of 5-LO, play a role in these tumour cells.
To conclude, it was shown in this study, that 5-LO affects various cellular functions when expressed in adherent tumour cell lines. These cell line-dependent effects result in altered gene expression, enhanced proliferation, and spheroid formation, as well as impaired cell motility, and can be mediated by enzymatic activity as well as other non-canonical functions.
Der Zusammenhang zwischen kognitiver Emotionsregulation, positivem Aufmerksamkeitsbias und Resilienz
(2022)
Das Verständnis von Faktoren, die die Widerstandsfähigkeit gegen Stress fördern, ist entscheidend für die Entwicklung von Stresspräventionsprogrammen und für die Verbesserung der Behandlung stressbedingter Störungen. Zum einen war es Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit, den Einfluss der kognitiven Emotionsregulation (ER) auf die psychische Gesundheit zu untersuchen und bereits vorhandene Ergebnisse zum Einfluss der Emotionsregulation auf die Resilienz zu replizieren. Es wird zunehmend anerkannt, dass die meisten psychiatrischen Erkrankungen mit Emotionsdysregulation einhergehen und dass klinische Interventionen davon profitieren, wenn sie auf einem empirischen Verständnis der Emotionsprozesse beruhen.
Der Hauptfokus lag zudem darauf, zu untersuchen, ob es einen Zusammenhang zwischen Resilienz und einem Aufmerksamkeitsbias auf positive Informationen, einen Positivitätsbias, gibt.
In der vorliegenden Studie wurde eine Stichprobe psychisch gesunder Teilnehmer (n=229) im Alter von 18 bis 55 Jahren herangezogen, denen Bilder aus dem „International Affective Picture System“ präsentiert wurden. Dabei bekamen sie die Anweisung, negative Emotionen zu Fotos durch kognitives Umbewerten oder Distanzieren herunterzuregulieren. Die Reaktionszeiten sowie die Erregungsbewertungen wurden für die Bedingungen Neubewertung, Distanzieren, negatives passives Betrachten sowie neutrales passives Betrachten erhoben. Zudem wurde die Aufmerksamkeitsverzerrung gegenüber positiven und negativen Reizen mithilfe einer Visual Dot-Probe Aufgabe untersucht. Gemessen wurden die Reaktionszeiten der Studienteilnehmer bei Reaktionen auf einen Stimulus, der auf die Präsentation emotionaler Gesichter folgt, im Vergleich zu Reaktionen auf einen Stimulus, der an die Stelle von neutralen Gesichtern rückt. Hieraus wurden Aufmerksamkeitsverzerrungen abgeleitet.
Die anschließende Datenanalyse und statistische Auswertung konnten zeigen, dass die Neubewertung im Vergleich zum passiven Betrachten der negativen Bilder eine längere Reaktionszeit aufweist, was darauf hinweist, dass die kognitive Emotionsregulation möglicherweise anstrengendere kognitive Kontrollprozesse aktiviert. Hinsichtlich des Zusammenhangs mit der Resilienz konnte eine signifikante positive Korrelation der Reaktionszeitdifferenzen der Emotionsregulationsstrategien Distanzieren und Neubewerten mit dem Resilienz-Score beobachtet werden.
Bei den Erregungsbewertungen der Emotionsregulation zeigte sich weder ein signifikanter Effekt der Bedingung noch ein Zusammenhang mit dem Resilienz-Score.
Die Ergebnisse der Visual Dot-Probe zeigten, dass es keine Unterschiede in den Reaktionszeiten nach der Präsentation des neutralen sowie des emotionalen Stimulus gab. Auch zeigten sich keine Zusammenhänge mit der Resilienz.
Der erwartete Zusammenhang zwischen Resilienz und einem Aufmerksamkeitsbias auf positive Informationen konnte in den Ergebnissen nicht gefunden werden. In den vorliegenden Daten zeigte sich hingegen eine signifikante negative Korrelation der Fähigkeit der kognitiven Neubewertung mit der Höhe des negativen Aufmerksamkeits Bias-Scores.
Somit liefert die vorliegende Arbeit einen Hinweis darauf, dass Personen mit einem hohen Maß an Emotionsregulationskapazitäten eine höhere Aufmerksamkeitslenkung weg von emotional negativen Stimuli aufweisen.
Bezüglich der Anwendung auf klinische Stichproben besteht noch Raum zu
analysieren, ob es sich um ein stabiles Phänomen handelt, das auf diese übertragen werden kann.
Die oxygene Photosynthese bildet den Grundpfeiler des heutigen Ökosystems unseres Planeten. Neben den gut untersuchten Landpflanzen bilden Mikroalgen eine äußerst bedeutende Organismengruppe der phototrophen Lebewesen. Zu den Mikroalgen zählen die Diatomeen, welche sich beispielsweise durch eine Silikatschale und spezielle Lichtsammelkomplexe auszeichnen und für einen Großteil der marinen Primärproduktion verantwortlich sind. Die stoffwechselphysiologischen Grundlagen des ökologischen Erfolgs der Kieselalgen sind bislang noch unzureichend erforscht. Ein Vertreter der zentrischen Diatomeen, Cyclotella, wurde bereits zur Jahrtausendwende zur biochemischen Charakterisierung der Diatomeen Photosynthese verwendet (Eppard und Rhiel, 1998; Eppard und Rhiel, 2000), das Genom des Organismus aber erst vor kurzem sequenziert (Traller et al., 2016). Die Sequenzierung des Genoms konnte einige Gene für Lichtsammelproteine identifizieren, die Homologie zu den LhcSR-Proteinen aus C. reinhardtii aufweisen, welche nachweislich eine photoprotektive Funktion besitzen (Peers et al., 2009). Diese sogenannten Lhcx-Proteine der Diatomeen sind in den zwei Gruppen der Kieselalgen, den zentrischen und pennaten Diatomeen zu finden, unterscheiden sich aber in ihren jeweiligen Lhcx-Kandidaten. So können in der pennaten Diatomee P. tricornutum vier lhcx-Gene ausgemacht werden, während die zentrische Kieselalge T. pseudonana sechs lhcx-Gene besitzt und C. cryptica vier verschiedene lhcx-Kandidaten genomisch aufweist (Armbrust et al., 2004; Bowler et al., 2008; Traller et al., 2016). Die beschriebenen Diatomeen weisen alle eine Homologie im Lhcx1 auf, während sich die übrigen Lhcx-Kandidaten zwischen pennaten und zentrischen Diatomeen unterscheiden. Ein zwischen T. pseudonana und C. cryptica konserviertes Lhcx ist das Lhcx6_1, welches 2011 das erste Mal massenspektrometrisch an Photosystemen von T. pseudonana nachgewiesen wurde (Grouneva et al., 2011) und in weiteren Massenspektrometrie-gestützten Untersuchungen in beiden zentrischen Diatomeen an Photosynthese-Komplexen gefunden werden konnte (Gundermann et al., 2019; Calvaruso et al., 2020). Die Funktion des Lhcx6_1 ist bislang unklar.
Diese Arbeit konnte das Lhcx6_1 aus C. meneghiniana charakterisieren und Antikörper-gestützt genauer lokalisieren, eine nicht dynamische Phosphorylierung der Thylakoidmembran-Proteine der zentrischen Diatomee nachweisen und die molekularbiologische Zugänglichkeit des Organismus optimieren. qRT-PCR gestützte Expressions-Analysen konnten eine unerwartete Expression des lhcx6_1-Gens aufdecken. Dieses weist, im Vergleich zum Lhcx1, keine Starklicht induzierte Expression auf. Die Expression des Gens konnte nach wenigen Stunden Schwachlicht als maximal bestimmt werden, während sie im Starklicht abnimmt. Das Muster der Genexpression glich im Schwachlicht eher der des lhcf1-Gens. Die Sequenzierung des lhcx6_1 aus C. meneghiniana identifizierte eine verlängerte N-terminale Sequenz des Proteins, welche Homologie zu den minoren Antennen aus A. thaliana besitzt und Teil des reifen Proteins ist. Mittels eines C-terminalen Epitops wurde ein Antikörper gegen das Lhcx6_1 entworfen, welcher das Protein in C. meneghiniana spezifisch nachweisen kann. Die Isolation von Thylakoidmembranen der zentrischen Diatomee und weitergehende Aufreinigung mittels Saccharosedichtegradienten und lpBN-PAGE konnten die Lokalisation des Lhcx6_1 eingrenzen. Das Protein zeigt dabei keine Unterschiede in seiner Lokalisation nach Inkubation in Schwach-, Stark- und Fernrot-Licht und ist vorrangig mit Photosystem I assoziiert. In geringerer Menge konnte es zudem an Photosystem II nachgewiesen werden, während der immunologische Nachweis in Lichtsammelkomplexen (FCPs) minimale Mengen erbrachte. Ferner konnte eine Phosphorylierung des Lhcx6_1 an Threonin-Resten nachgewiesen werden, während die meisten anderen Thylakoidmembran-Proteine mittels Phospho-Serin Antikörper detektiert werden konnten. Weder die Phosphorylierung des Lhcx6_1, noch der anderen Thylakoidmembran-Proteine, zeigt eine dynamische Regulation, im Stile einer state-transition ähnlichen Kinase auf. Die Qualität des Umgebungslichts führte zu keinerlei Unterschieden in Phosphorylierungsmustern. Weiterführende Untersuchungen der Lhcx6_1-Phosphorylierung mittels Phos-tag PAGE identifizieren eine unphosphorylierte und eine einfach phosphorylierte Form des Proteins. Dabei kann an PSI ausschließlich die phosphorylierte Version des Lhcx6_1 gefunden werden. Im Zuge der Arbeit konnte zudem erstmalig die Elektroporation und Konjugation für C. meneghiniana als Transformations-Methoden etabliert werden, während das Protokoll für die biolistische Transformation optimiert wurde. Die Elektroporation erbrachte die höchste Transformationseffizienz. Molekularbiologische Unterfangen eines Lhcx6_1-Knockdowns mittels Antisense-RNA erzielten zunächst, aufgrund der starken Gegenregulation der Diatomee, keinen Erfolg...
Integraseinhibitoren sind bereits seit Jahren in der Initialtherapie HIV-positiver Erwachsener empfohlen, in der Schwangerschaft aber bisher aber meist nur unter besonderen Voraussetzungen (z.B. bei hoher maternaler Viruslast kurz vor Entbindung) eingesetzt.
Ziel dieser retrospektiven Studie ist es, die Effektivität und Verträglichkeit integraseinhibitorhaltiger ART bei schwangeren Patientinnen zu untersuchen und diese mit integraseinhibitorfreien Regimen zu vergleichen.
Die quantitative Viruslast bzw. die Suppression der Viruslast zum Zeitpunkt der Entbindung stellte die primäre Zielgröße der Studie dar, Indikationen für einen INSTI als Intensivierung der ART oder Gründe für einen Therapiewechsel sowie unerwünschte Wirkungen bei Mutter und Kind waren sekundäre Zielgrößen.
Hierzu wurden retrospektive Daten aus der Epidem-Datenbank des HIVCENTERs und aus den Patientinnenakten der teilnehmenden Frankfurter Schwerpunktpraxen extrahiert und in die Auswertung einbezogen.
Im Beobachtungzeitraum vom 1. Januar 2008 bis zum 01. Juni 2018 wurden n=274 Schwangerschaften erfasst, diese resultierten in n=281 Kindern (fünf Zwillinge und einmal Drillinge). INSTI-haltige Therapieregime wurden bei 52 (19%) der Schwangerschaften eingesetzt, darunter zumeist Raltegravir (92%).
Die maternale Viruslast zum Zeitpunkt der Geburt unterschied sich in beiden Therapiegruppen nicht signifikant, in beiden Subgruppen konnte eine signifikante Reduktion der Viruslast zum Zeitpunkt der Entbindung erreicht werden.
Ceramide synthase (CerS) is the enzyme responsible for the de novo synthesis of ceramide. In this process, the different CerS isoforms are substrate-specific and produce ceramides of different chain lengths. Ceramides form the backbone for other sphingolipids and are enriched in membrane microdomains called lipid rafts. Lipid rafts are important signaling platforms for many transmembrane proteins, but can also act as bioactive lipids. Depending on the chain length, the effects on signaling pathways can vary. The aim of this work was to further investigate the chain length-specific effects by CerS4 on the progression of inflammatory colon cancer. To understand the tissue-specific effects of CerS4 deficiency on the progression of acute colitis and colitis-associated cancer (CAC), CerS4 knockout models were used. Disease progression of wild-type CerS4 (WT) was compared with that of mice with global CerS4 knockout (CerS4 KO) and mice in which CerS4 deficiency was restricted to T cells (CerS4 LCK/Cre) or intestinal cells (CerS4 Vil/Cre). Acute colitis was induced with sodium dextran sulfate (DSS), whereas azoxymethane (AOM)/DSS combinations were used to induce CAC in mice. The results showed a different disease progression depending on the specific knockout. While CerS4 KO mice were sensitive to DSS. AOM/DSS treatment was lethal for these mice, indicating an important role of CerS4 in other tissues. CerS4 Vil/Cre mice were protected from tumor formation. In contrast, CerS4 LCK/Cre mice experienced increased tumor formation and pan-inflammation. The mechanism behind this is due to the absence of cytotoxic T cells and the increase of regulatory T cells in the CerS4 LCK/Cre mice, demonstrating that CerS4 is critical for T cell function and development. To understand the role of CerS in humans, organoids were prepared from patients and the CerS profile in the different organoids was elucidated. This work provides, for the first time, insights into the CerS profile in human organoids and demonstrates a link between differentiation markers and stem cell markers with CerS. In addition, the role of CerS4 was investigated in vitro using three different colon cell lines-Caco-2 cells, HCT116 cells, and HCT15 cells. Hypoxia induced downregulation of CerS4 in all cell lines. Using the luciferase promoter assay, hypoxia-induced downregulation could already be detected at the promoter. Downregulation of CerS4 and CerS5 in Caco-2 cells and HCT116 cells resulted in different metabolic changes and mitochondrial dynamics after hypoxia. In conclusion, the results show that the role of CerS4 depends on the tissue cell type and stage of colorectal carcinoma, which complicates the consideration of CerS4 as a target in patients.
Astrozyten sind außerordentlich vielseitige Zellen, die im Gefüge des zentralen Nervensystems wichtige Rollen in der synaptischen Signalübertragung, im Neurotransmitterstoffwechsel sowie unter anderem in der Regulation der Energiesubstrataufnahme und der lokalen Durchblutung spielen. Die genannten Prozesse weisen eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokal verfügbaren Energieäquivalenten auf. Astrozyten können als Reaktion auf verstärkte, umliegende synaptische Aktivität nicht nur anaerobe Stoffwechselwege wie z.B. Glykolyse hochregulieren, sondern weisen auch eine enorme oxidative Verstoffwechselungskapazität auf. Die Mechanismen zur Regulation des oxidativen Stoffwechsels sind z.B. in Hepatozyten oder Muskelzellen genauer beschrieben, wie vieles andere jedoch in Glia untererforscht. Einer der Signalwege zur Aktivierung des obligat aeroben Citratzyklus über das Schlüsselenzym Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDC) führt in Hepatozyten über die Proteinkinase Cδ (PKCδ). Diese bewerkstelligt die Aktivierung der PDC über eine Dephosphorylierung der Pyruvatdehydrogenase (PDH) durch die PDH-Phosphatase 1 (PDP1).
Die selbst in peripheren Astrozytenforsätzen zahlreich vorhandenen Mitochondrien sind bislang in ihrer Funktion und Regulation nur unzureichend untersucht worden. Daher stellte sich die Frage, ob ein solcher PKCδ-vermittelter Signalweg auch in Astrozyten (über die Aktivierung der PDH) zur Aktivierung des mitochondrialen Stoffwechsels führen könnte, insbesondere um auf einen höheren Energiebedarf reagieren zu können.
Nach zahlreichen Versuchen zum Nachweis des Vorliegens der beteiligten Enzyme in der postulierten Signalkaskade wurden primäre Astrozyten mit Glutamat stimuliert, wodurch eine erhöhte synaptische Aktivität in unmittelbarer Umgebung simuliert wurde. Mithilfe von anti-PKCδ-, anti-PDC- und phosphospezifischen anti-phospho-PDC-Antikörpern sowie der Nutzung Objekt-orientierter Bildverarbeitungsmethoden konnte eine Glutamat-induzierte, mitochondriale Translokation der PKCδ mit nachfolgender Dephosphorylierung des PDC (und damit dessen Aktivierung) gezeigt werden. Beide Prozesse, PKCδ-Translokation und PDH-Dephosphorylierung, werden durch den metabotropen Glutamatrezeptor 5 (mGluR5) vermittelt, wie sich durch dessen pharmakologische Inhibition zeigen lässt. Die mitochondriale Translokation der PKCδ und ihre Kinaseaktivität tragen dabei maßgeblich zur Aktivierung des PDC bei, sodass durch das Einwirken von Glutamat eine lokale Modulation des glialen oxidativen Stoffwechsels und der damit verbundenen Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) ermöglicht wird. Da Astrozyten (v.a. mit ihren feinen peripheren Fortsätzen) besonders in der Nähe von Synapsen für die Funktionalität von Neuronen essentielle, ATP-verbrauchende Prozesse wie z.B. Glutamattransport aufrechterhalten müssen, ist eine solche Regulation durch Glutamat selbst als Indikator vermehrter synaptischer Aktivität naheliegend. Dabei scheint Glutamat in dualer Funktion sowohl signalgebend die Aktivität des Citratzyklus zu beeinflussen als auch nach Aufnahme in die Zelle selbst als Substrat zum anaplerotischen Einschleusen in den Citratzyklus zur Verfügung zu stehen. Mithilfe von luminometrischen ATP-Assays sowie mGluR- und isoformspezifischen PKC-Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass einem durch Glutamat verursachten Abfall der intrazellulären ATP-Spiegel (aufgrund der damit einhergehenden Mehrbelastung der Zelle für Transportprozesse und z.B. Ionenhomöostase) durch die mGluR5/PKCδ-vermittelte Aktivierung der PDH entgegengewirkt werden könnte.
In Zusammenschau könnte der mGluR5/PKCδ/PDH-vermittelte Signalweg gewissermaßen eine Bereitschaft bieten, um für gliale Stoffwechselprozesse die Deckung des Energiebedarfs in Astrozytenfortsätzen bei Aktivität angrenzender Synapsen (im Rahmen des Modells der dreiteiligen Synapse) zu ermöglichen. Eine mögliche pathophysiologische Rolle dieses Mechanismus bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen (bei denen häufig ein gestörter Energiestoffwechsel und/oder gliale Dysfunktion vermutet wird) müsste in weiterführenden Studien untersucht werden.
Epilepsie gehört weltweit zu den häufigsten neurologischen Erkrankungen. Sie geht mit wiederholten und in unterschiedlichsten Situationen auftretenden epileptischen Anfällen einher, wodurch Betroffene deutlich in ihrer Lebensqualität eingeschränkt sind. Umfassende Patientenaufklärungen und Patientenschulungen zählen demnach zu den zentralen Bestandteilen der Behandlung. Je besser die Patienten über ihre Erkrankung informiert sind, desto höher ist das Selbstmanagement und die Compliance und demnach auch die Lebensqualität. Vor allem im Hinblick auf den plötzlichen Epilepsietod, englische Abkürzung SUDEP, zählt die Anfallsprävention und die Aufklärung zu den wichtigsten Präventionsstrategien. Das Ziel dieser Studie war es, sowohl den Wissensstand als auch die Wissenslücken der Epilepsiepatienten bezüglich Epilepsie-spezifischer Risikofaktoren sowie Morbidität und Mortalität aufzuzeigen.
Volljährigen Patienten mit diagnostizierter Epilepsie, die sich zwischen Februar 2018 und Mai 2020 an den Epilepsiezentren der Universitätskliniken in Frankfurt am Main, Greifswald und Marburg in Behandlung befanden, wurden eingeladen, an der Studie teilzunehmen. Insgesamt nahmen 238 Patienten (52% Frauen) mit einem mittleren Alter von 39,2 Jahren (Spannweite: 18-77 Jahre) an der Studie teil. Anhand von standardisierten Fragebögen und einem persönlichen Gespräch ermittelten wir die den Patienten bekannten Risiken für und durch Anfälle und erhoben den Wissensstand bezüglich frühzeitiger Mortalität. Hinsichtlich Risiken, die mit Anfällen und einer Epilepsie einhergehen, nannte die Mehrheit der Patienten (51,3%) Autofahren und Verkehrsunfälle. 23,9% der Patienten gaben weitere Gründe für einen frühzeitigen Tod an, wie z.B. Ersticken, Ertrinken oder Atem- und Herzstillstand als Folge eines Anfalls. Zudem wurden Stürze (19,7%) und allgemeine Verletzungen (17,6%) als Gründe für erhöhte Morbidität und Mortalität erwähnt. Ein Großteil der Patienten wusste, dass Alkohol (87,4%) und Schlafentzug (86,6%) Anfälle triggern können. Betrachtet man die Sterblichkeit insgesamt, gaben 52,1% der Patienten an, dass Epilepsiepatienten ein höheres Risiko haben, frühzeitig zu versterben, was hingegen von 46,2% der Patienten verneint wurde. Nur 29,4% der Patienten kannten den Status epilepticus, gerade einmal 27,3% der Patienten hatten bereits von SUDEP gehört. Etwa ein Viertel der Patienten (26,9%) gab an, von ihrem behandelnden Arzt nicht über Risikofaktoren oder Ursachen frühzeitiger Sterblichkeit informiert worden zu sein. Zudem beleuchteten wir mittels Vier-Punkt-Likert-Skala die Themenbereiche, die den Epilepsiepatienten Sorgen bereiten und sie im Alltag einschränken. Die meisten Sorgen machten sich die Patienten über die eingeschränkte Fahrtauglichkeit und Arbeitsfähigkeit, die frühzeitige Sterblichkeit dagegen zählte nicht zu den größten Sorgen.
Insgesamt stellten wir fest, dass die Patienten über ein gutes Allgemeinwissen zu ihrer Erkrankung verfügen. Allerdings konnten wir zeigen, dass Epilepsiepatienten in Bezug auf die frühzeitige Sterblichkeit, SUDEP und den Status epilepticus deutliche Wissenslücken aufweisen. Ein Großteil der Patienten gab hierbei an, von ihrem behandelnden Arzt nicht ausreichend informiert worden zu sein und wünschte sich eine bessere Aufklärung.
Regulatory required, classical toxicity studies for environmental hazard assessment are costly, time consuming, and often lack mechanistic insights about the toxic mode of action induced through a compound. In addition, classical toxicological non-human animal tests raise serious ethical concerns and are not well suited for high throughput screening approaches. Molecular biomarker-based screenings could be a suitable alternative for identifying particular hazardous effects (e.g. endocrine disruption, developmental neurotoxicity) in non-target organisms at the molecular level. This, however, requires a better mechanistic understanding of different toxic modes of action (MoA) to describe characteristic molecular key events and respective markers.
Ecotoxicgenomics, which uses modern day omic technologies and systems biology approaches to study toxicological responses at the molecular level, are a promising new way for elucidating
the processes through which chemicals cause adverse effects in environmental organisms. In this context, this PhD study was designated to investigate and describe MoA-characteristic
ecotoxicogenomic signatures in three ecotoxicologically important aquatic model organisms of different trophic levels (Danio rerio, Daphnia magna and Lemna minor).
Applying non-target transcriptomic and proteomic methodologies post chemical exposure, the aim was to identify robust functional profiles and reliable biomarker candidates with potential
predictive properties to allow for a differentiation among different MoA in these organisms. For the sublethal exposure studies in the zebrafish embryo model (96 hpf), the acute fish embryo toxicity test guideline (OECD 236) was used as conceptual framework. As different test compounds with known MoA, the thyroid hormone 3,3′,5-triiodothyronine (T3) and the thyrostatic 6-propyl-2-thiouracil (6-PTU), as well as six nerve- and muscle-targeting insecticides (abamectin, carbaryl, chlorpyrifos, fipronil, imidacloprid and methoxychlor) were evaluated. Furthermore, a novel sublethal immune challenge assay in early zebrafish embryos (48 hpf) was evaluated for its potential to assess immuno-suppressive effects at the gene expression level. Therefore, toxicogenomic profiles after an immune response inducing stimulus with and without prior clobetasol propionate (CP) treatment were compared. For the aquatic invertebrate D. magna, the study was performed with previously determined low effect concentrations (EC5 & EC20) of fipronil and imidacloprid according to the acute immobilization test in water flea (OECD 202). The aim was to compare toxicogenomic signatures of the GABA-gated chloride channel blocker (fipronil) and the nAChR agonist (imidacloprid). With similar low effect concentrations, a shortened 3 day version of the growth inhibition test with L. minor (OECD 221) was conducted to find molecular profiles differentiating between photosynthesis and HMG-CoA reductase inhibitory effects. Here, the biological interpretation of the molecular stress response profiles in L. minor due to the lack of functional annotation of the reference genome was particularly challenging. Therefore, an annotation workflow was developed based on protein sequence homology predicted from the genomic reference sequences.
With this PhD work, it was shown how transcriptomic, proteomic and computational systems biology approaches can be coupled with aquatic toxicological tests, to gain important mechanistic insights into adverse effects at the molecular level. In general, for the different investigated adverse effects for the different organisms, biomarker candidates were identified, which describe a potential functional link between impaired gene expressions and previously reported apical effects. For the assessed chemicals in the zebrafish embryo model, biomarker candidates for thyroid disruption as well as developmental toxicity targeting the heart and central nervous system were described. The biomarkers derived from nerve- and muscletargeting insecticides were associated with three major affected processes: (1) cardiac muscle cell development and functioning, (2) oxygen transport and hypoxic stress and (3) neuronal development and plasticity. To our knowledge, this is the first study linking neurotoxic insecticide exposure and affected expression of important regulatory genes for heart muscle (tcap, actc2) and forebrain (npas4a) development in a vertebrate model. The proposed immunosuppression assay found CP to affect innate immune induction by attenuating the response of genes involved in antigen processing, TLR signalling, NF-КB signalling, and complement activation ...
Zika virus (ZIKV) is a member of the Flaviviridae family that received public attention and scientific interest after the outbreak in French Polynesia (2013-2014) and the epidemic in the Americas (2015-2016). Even though only 20% of infected people exhibit clinical manifestations and they are predominantly flu-like symptoms, these events unveiled neurological complications associated with ZIKV infection, such as the Guillain-Barré syndrome in adults and microcephaly in newborns. Lacking a preventive vaccine and a specific antiviral therapy against ZIKV allied to the fact that this pathogen is a re-emerging virus, uncovering and comprehending novel virus-host interactions is crucial to the identification of new antiviral targets and the development of innovative antiviral approaches. Previous research work uncovered that the Chinese hamster ovary (CHO) cells do not support ZIKV infection.459 As this cell line does not express endogenous epidermal growth factor receptor (EGFR), this study aimed to investigate whether EGFR and EGFR-dependent signaling are relevant for the ZIKV life cycle in vitro.
In the first part of the study, viral infection was investigated in CHO cells and compared to A549 cells, a highly ZIKV permissive cell line. After performing binding and entry assays, ZIKV entry, but not the attachment, was significantly decreased in CHO cells in comparison to A549 cells. Additionally, in A549-EGFR KO cells, ZIKV entry was diminished relatively to the off-target control. These results show the clear impact that the absence of EGFR has on viral entry, implicating EGFR during this process. Even though EGFR overexpression in CHO cells could not render these cells permissive to ZIKV infection, as demonstrated by the lack of viral infection after electroporation with in vitro transcribed capped ZIKV-Renilla luciferase RNA, it was possible to rescue ZIKV entry. These findings suggest that there are additional elements, which are not expressed in CHO cells, required for viral replication.
Furthermore, the impact of ZIKV infection on EGFR mRNA and protein levels as well as on the EGFR subcellular localization and distribution was evaluated. The relative number of EGFR specific transcripts continuously increased with ZIKV infection, whereas the EGFR protein level diminished at later times of infection. Moreover, changes in the subcellular localization of EGFR and its colocalization with the early endosomal marker EEA1 in ZIKV-infected cells revealed that ZIKV triggers EGFR internalization. The relevance of EGFR in the ZIKV entry process was further corroborated by the observation of EGFR internalization at 30 min post-infection (mpi) and to less extent at 60 mpi, which concurs with the expected time of ZIKV entry into the host cells.
In the remaining part of the study, the influence of ZIKV infection in EGFR-dependent signaling as well as the contribution of EGFR and EGFR signaling for viral infection were studied. Activation of EGFR and the MAPK/ERK signaling cascade was detected as early as 5 mpi and ceased within 30 mpi in ZIKV-infected cells. Taking into account that EGFR internalization was observed at 30 mpi in infected cells, the activation of EGFR and ERK and subsequent dephosphorylation within this period go along with this previous observation. Vice-versa, inhibition of the activation of EGFR and the MAPK/ERK pathway declines ZIKV infection. On the one hand, inhibition of EGFR activation by Erlotinib affected ZIKV entry, as a consequence of impaired EGFR internalization. On the other hand, Raf and MEK inhibitors reduced ZIKV infection without disturbing viral replication or viral entry. These data suggest that the activation of the MAPK/ERK signaling cascade is necessary for a step of the viral life cycle before the onset of genome replication and morphogenesis and after viral entry. The importance of EGFR signaling was additionally investigated by the determination of EGFR half-life in ZIKV-infected cells upon EGF stimulation. While the EGFR half-life was similar in uninfected and Uganda-infected cells, a delay in EGFR degradation was observed in French Polynesia-infected cells. This observation might indicate an extended usurpation of the EGFR signaling since EGFR seems to still be active in the endosomes. Moreover, disruption of lipid rafts by MβCD, a cholesterol-depleting agent, hampered ZIKV entry. In uninfected cells, MβCD treatment led to the activation of EGFR, but at the same time prevented EGFR internalization, indicating that EGFR activation exclusively is not sufficient for an efficient ZIKV entry and further supporting the importance of EGFR internalization during the ZIKV entry process.
Taken together, this study uncovers EGFR as a relevant host factor in the early stages of ZIKV infection, providing novel insights into the ZIKV entry process. Since numerous monoclonal antibodies and substances that target EGFR are licensed, repurposing these compounds might be a helpful tool for the establishment of an antiviral therapy in case of ZIKV re-emergence.
In this thesis, we cover two intimately related objects in combinatorics, namely random constraint satisfaction problems and random matrices. First we solve a classic constraint satisfaction problem, 2-SAT using the graph structure and a message passing algorithm called Belief Propagation. We also explore another message passing algorithm called Warning Propagation and prove a useful result that can be employed to analyze various type of random graphs. In particular, we use this Warning Propagation to study a Bernoulli sparse parity matrix and reveal a unique phase transition regarding replica symmetry. Lastly, we use variational methods and a version of local limit theorem to prove a sufficient condition for a general random matrix to be of full rank.
Diseases such as cardiac arrhythmias, CPVT and other issues of the human heart still remain largely unexplored. To contribute to this field of research, it is necessary to create tools to control the spatial and temporal release and reuptake of Ca2+ from the sarcoplasmic/endoplasmic reticulum (SR/ER). Ca2+ release and uptake by the ryanodine receptor (RyR) and Sarcoplasmic/endoplasmic reticulum calcium ATPase (SERCA), respectively, are essential for the function of excitable cells. In this process, the rapid Ca2+ release from the SR/ER and the associated contraction in muscle cells is modulated by RyR. However, diseases due to calcium leakage, such as cardiac arrhythmias, seizures and contractile dysfunction, are also caused by RyR. The resting Ca2+ concentration in the cytosol, which is important for the cell, is kept in balance by Ca2+ release and reuptake into the SR/ER. This reuptake is controlled quite considerably by SERCA. SERCA is important for development and muscle function in both nematodes such as C. elegans and mammals, though there is also a great need for tools that can help study precise function.
To advance towards the goal of developing tools for optogenetic stimulation of intracellular Ca2+ release from the SR/ER, the model organism C. elegans was chosen. Its advantages are the fully sequenced genome and the neural network connectome. In addition, the ease of maintenance, self-fertilisation, transparency and rapid generation cycles, as well as the fact that it is a eutelic animal, are advantages for the application of the optogenetic approach.
So far, tools for light-induced Ca2+ release (LICR) have already been developed, involving the creation of ChR2 versions with higher Ca2+ conductivity based on the "CatCh" variant and further improving their conductivity through several established mutations. In addition, the pharynx of C. elegans was modified to produce an optogenetically stimulated muscle pump that resembles mammalian cardiac muscle cells. In this work, both optoUNC-68 (optically excitable RyR) and SERCA/LOV2 were generated in different variants by CRISPR/Cas9 and plasmid-based genome editing to achieve light-driven manipulation of calcium homeostasis in C. elegans. Here, LICR was triggered by LOV2 domains in an opto-mechanical manipulation of RyR as well as SERCA. This approach was made possible by recently published high-resolution cryoEM structural images. In addition, alternative approaches using Ca2+ conductance-optimised channelrhodopsin variants were tested in C. elegans body wall muscle cells.
By inserting ChR-XXM into C. elegans and subsequent fluorescence microscopy of the co-introduced GFP, an expression in body wall muscle cells could be detected. Furthermore, in contraction assays, ChR-XXM was demonstrated to induce contractions of the animals of up to 16% compared to the original body length in both medium (0.8mW/mm²) and high (1.4mW/mm²) stimulation at 470nm. ChR-XXM was thus identified as an excellent candidate for the development of an optogenetic tool, as it exhibits significantly increased Ca2+ conductivity compared to other ChR2 variants.
The use of CRISPR/Cas9 to insert AsLOV2 domains (L404-L546) into different insertion sites of RyR allowed the generation of a transgenic strain of C. elegans that could be stimulated to elongate during 0.3mW/mm² photostimulation. This demonstrated that RyR can be manipulated by photostimulation, spatiotemporally through conformational changes in the LOV2 domain and the resulting disruption of the pore region.
The CRISPR/Cas9 method was also used to insert LOV2 domains into SERCA. Here it could be demonstrated that a conformational change of the LOV2 domains induced by photostimulation leads to a stop or impairment of Ca2+ ion translocation by SERCA from the cytosol into the SR/ER. In contrast to LOV2 in RyR, this resulted in a contraction of C. elegans body length.
The data presented here indicate that the intracellular Ca2+ cycle involving the SR/ER and cytosol can be successfully manipulated by the introduction of optogenetic tools. It turned out that the manipulation/impairment of individual components of this system, such as RyR or SERCA, is usually insufficient to achieve a clear response. Therefore, simultaneous manipulation of the two main actors RyR and SERCA is arguably the best way to take another step towards creating optogenetic tools for light-stimulated manipulation of Ca2+ release and reuptake from the SR/ER.
Hintergrund und Ziel der Studie: Der größte Nachteil von Plastikstents ist ihre im Vergleich mit Metallstents hohe Verschlussrate. Das übliche Wechselintervall für biliäre Plastikstents beträgt drei Monate. Im Universitätsklinikum Frankfurt wurde das Intervall für den elektiven Austausch von Plastikstents auf sechs bis acht Wochen festgelegt.
In dieser Studie sollte untersucht werden, ob sich ein kürzeres Intervall von sechs bis acht Wochen auf die mediane vorzeitige Wechselrate (mPER) auswirkt. Hierfür wurden sowohl benigne als auch maligne Gallengangsstenosen untersucht.
Methoden: An die Anwendung verschiedener Ein- und Ausschlusskriterien auf alle seit 2007 im Universitätsklinikum Frankfurt durchgeführten ERCPs inklusive der Implantation mindestens eines Plastikstents, schloss sich die retrospektive Analyse der geeigneten Fälle und die Berechnung der jeweiligen mPER an. Hierfür wurden sowohl verschiedene Stentparameter wie die verwendete Stentgröße, -länge und -anzahl als auch patientenbezogene Parameter wie die indikationsgebende Diagnose erfasst.
Ergebnisse: Insgesamt wurden 3979 ERCPs analysiert, welche sich auf 1199 Patienten verteilen. Eine gutartige Stenose lag in 2717 (68,3 %) Fällen vor. In 1262 (31,7 %) Fällen wurde die Indikation einer Stentimplantation aufgrund einer bösartigen Stenose gestellt.
Die mediane Stentliegedauer (mSP) betrug 41 Tage (Spanne: 14–120) bei planmäßigen Stentwechseln, während sie bei vorzeitig gewechselten Stents bei 17 Tagen (Spanne: 1–75) lag.
Die mPER war bei malignen (28,1 %, Spanne: 35–50 %) im Vergleich zu benignen Strikturen (15,2 %, Spanne: 10–28 %) signifikant höher (p < 0,0001).
Das mSP war in Fällen von einem singulären Stent (34 Tage, Spanne: 1–87) im Vergleich mit Fällen multipler Stentimplantation (41 Tage, Spanne: 1–120) signifikant kürzer (p < 0,0001). Eine signifikant kürzere mSP wurde außerdem in Fällen von nur einem 7 Fr Stent (28 Tage, Spanne: 2–79) im Vergleich zu größeren Stents (34 Tage, Spanne: 1–87, p = 0,001) festgestellt.
Entsprechend war die mPER in Fällen mit einem singulären Stent (23 %) verglichen mit Fällen multiplen Stentings (16,2 %) signifikant höher (p < 0,0001). Beim Vergleich der Implantationen eines einzelnen 7-Fr-Stents (31,3 %) mit jenen größerer Stents (22,4 %) wurde ebenfalls eine signifikant erhöhte mPER der 7-Fr-Stents festgestellt (p = 0,007).
Konklusion: Diese Studie liefert erstmals umfassende Daten von Patienten, welche mit Plastikstents und kürzeren Wechselintervallen behandelt wurden.
Im direkten Vergleich der Stentparameter war bei der Implantation größerer oder multipler Stents die Einliegedauer verlängert. Dies lässt auf ein geringeres Komplikationsrisiko bei der Verwendung multipler oder größerer Stents schließen, welches am ehesten auf die dadurch optimierte Überbrückung der Stenosen und daraus resultierende Drainage zurückzuführen ist.
Weiter lassen die Ergebnisse vermuten, dass ein verkürztes Wechselintervall unter drei Monaten bei benignen biliären Stenosen nicht zu einer klinisch relevanten Reduktion der Komplikationsrate führt.
Zudem war die bei malignen Stenosen beobachtete Rate vorzeitiger Stentwechsel deutlich größer als die der benignen Stenosen. Sollte in diesem Setting ein Wechsel von einem Plastikstent auf einen SEMS geplant sein, ist ein verkürztes Wechselintervall von drei bis vier Wochen in Erwägung zu ziehen. Bei fehlender Möglichkeit der Implantation eines SEMS, ist die Verwendung multipler und größerer Stents das Mittel der Wahl.
Abschließend lässt sich Folgendes festhalten. Ein kürzeres Austauschintervall scheint bei benignen und malignen Stenosen nicht zu einer klinisch bedeutsamen Verringerung der mPER zu führen. Sofern es die Untersuchungsbedingungen zulassen, sollten große und multiple Stents für die Behandlung von Gallengangsstenosen bevorzugt werden.
Der Nutzen von DJ-Kathetern ist unverzichtbar für die moderne Urologie. Sie sind essenziell, um bei einer Vielzahl von Erkrankungen einen adäquaten Harnabfluss und dementsprechend eine gute Nierenfunktion gewährleisten zu können. Dabei können sie für eine temporäre oder dauerhafte Schienung genutzt werden. Als einliegende Fremdkörper können sie, insbesondere bei langfristiger Nutzung, leicht durch Bakterien und Pilze kolonisiert werden und beherbergen somit ein erhöhtes Risiko für Harnwegsinfekte.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist folglich, durch das Auffinden von protektiven oder prädisponierenden Faktoren für die Entwicklung von fieberhaften Harnwegsinfekten in der Zukunft Mortalität, Resistenzbildung und Kosten sowohl bei DJ-Katheter-Dauerversorgung als auch generell senken zu können. Zusätzlich soll untersucht werden, ob verschiedene Antibiotika-Regime einen Einfluss auf die Entwicklung postoperativer, fieberhafter Harnwegsinfekte haben.
Um dies feststellen zu können, wurden in dieser Studie 100 Patientinnen und Patienten eingeschlossen, die von 2013 bis 2018 in der Klinik für Urologie des Universitätsklinikums Frankfurt zum DJ-Wechsel bei DJ-Katheter-Dauerversorgung vorstellig wurden. Anschließend wurden verschiedene Faktoren untersucht, die das Risiko für das Auftreten von fieberhaften Harnwegsinfekten oder die Entwicklung von Resistenzen in Krankheitserregern erhöhen oder reduzieren könnten.
Hierzu wurden insgesamt 950 DJ-Katheter-assoziierte Eingriffe (Einlage, Wechsel, Entfernung) analysiert. Der individuelle Beobachtungszeitraum betrug durchschnittlich 2,9 Jahre mit durchschnittlich 7 DJ-Katheter-Wechsel.
Gegenüber der Normalbevölkerung wies die Studienpopulation, am ehesten durch die einliegenden DJ-Katheter, eine deutlich erhöhte Prävalenz von Harnwegsinfekten auf (18,53% vs. 2,5%). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass ein höheres Patientenalter mit einem gering erhöhten Risiko für die Ausbildung von resistenten Keimen im Urin korreliert (p=0,0121; OR 1,0395; KI 1,0096-1,0731 (univariate Analyse), p=0,0030; OR 1,0618 KI 1,0226-1,1077 (multivariate Analyse)). Dies korrelierte jedoch nicht mit einem erhöhten Risiko für fieberhafte Harnwegsinfekte. Darüber hinaus konnte festgestellt werden, dass die operative Manipulation unter empirischer oder testgerechter, antibiotischer Therapie nicht mit einem hohen Risiko für die Entstehung fieberhafter Harnwegsinfekte einhergeht. In den analysierten Daten fanden sich insgesamt zu wenige fieberhafte Infekte (n=72; 7,58%), um das Ziel begünstigender oder protektiver Faktoren für die Entstehung von fieberhaften Harnwegsinfekten adäquat zu untersuchen. Aus dem gleichen Grund konnten aus den Daten auch keine Hinweise für das optimale Antibiotika-Regime abgeleitet werden. In fast 70% der untersuchten Fälle wurde eine periinterventionelle single-shot Antibiose angewendet, weswegen diese als Infektionsprophylaxe einen adäquaten Schutz darzustellen scheint.
Generell kann davon ausgegangen werden, dass die DJ-Katheter-Dauerversorgung, trotz der möglichen mikrobiellen Besiedlung mit eventuellen Komplikationen wie Bakteriurie oder systemischen Infektionen, ein sicheres Verfahren ist. Manipulationen oder operativer Wechsel der DJ-Katheter stellen, trotz Präsenz der Keime, keine riskanten Manöver dar, sofern diese adäquat und unter entsprechender, antibiotischer Therapie durchgeführt werden.
Weitere, noch größere und insbesondere prospektive, randomisierte Studien sind zu empfehlen und könnten die Ergebnisse weiter bestätigen und erweitern, vor allem in Bezug auf die Überlegenheit verschiedener antibiotischer Regime in der Vermeidung einer Resistenzbildung.
Membrane proteins are a diverse group of proteins that serve a multitude of purposes with one of the most important ones being transport. All kinds of substrates are shuffled over biological membranes with the help of dedicated proteins enabling the transport along and against a concentration gradient. Within the group of actively transporting proteins a diverse set of proteins that rely on an electrochemical gradient to facilitate transport of a substrate against its concentration gradient can be found. Those so-called secondary active
transporters are a group on integral membrane proteins ubiquitous to all cells. They allow the transport of all kinds of substrates like nutrients, ions, other metabolites and drugs over the hydrophobic barrier created by the cellular and organellar membrane. The gradients that provide the main driving force for most of the transporters are either sodium ions or protons, although transporters utilizing other ions or organic compounds are found as well. In case of exchangers two very similar substrates are transported in opposing direction over the membrane, one against its electrochemical gradient driven by the other.
Along with a structural diversity of the transporters concerning overall shape, oligomerization and number of transmembrane elements comes a mechanistic variety though still following the principle of alternating access. In humans the malfunction of secondary active transporters can lead to a physiological disorders such as epilepsy, depression or obesity.
The focus of this thesis was the structural and functional characterization of the secondary active transporter SeCitS from Salmonella enterica, a symporter of the 2-hydroxycarboxylate family. The transport of citrate as a bivalent ion is facilitated by the flux of sodium ions that have an inward-facing gradient over the inner membrane of Salmonella enterica. Transport experiments showed that the transport ratio is two sodium ions per citrate molecule, netting in an electroneutral transport. Compared to other members of the family the specificity of the transporter towards its main substrate is very high.
Structural information on the protein was initially obtained through 2D electron crystallography, which allowed the identification of the oval shaped dimer and a first hint towards a significant conformational change that the protein undergoes during its transport cycle. Using 3D crystallography, the X-ray structure of the transporter was solved. The protein crystalizes as a stable, but conformationally asymmetric dimer. As bound citrate can be readily identified in both protomers they can be assigned into an outward- and an inward-facing conformation, with the main citrate binding site in the outward-facing conformation.
One interesting feature of the crystal structure was the large surface available for multimerization, providing a platform for tight dimerization of the two protomers. On the other hand, SeCitS did not show a true cooperativity of transport. With those two aspects taken into account the question arose if any potential crosstalk between the monomers within the dimer takes place and influences transport (negative cooperativity) or the conformational distribution within the dimer (stabilization of the protein within the membrane).
The functional approach in answering this question was the use of mutated variants of the protein for cross-linking within one monomer. Two residues were chosen respectively to lock one of either conformation to be able to test for transport activity in the remaining protomer. The suitability of the residues was derived from the crystal structure (D112 – R205 to lock the inward-facing conformation and L337 – S412 for the outward-facing conformation). After initial promising results the final variants were not stable enough to be analyzed in transport assays.
To analyze the distribution of relative conformations within the dimer the protein was reconstituted into native-like lipid environment such as nanodiscs or saposin nanoparticles to be analyzed by cryo-electron microscopy. The first images were recorded and did yield promising 2D classes where the general features of the transporter were identified. Yet, an improved preparation is required to obtain a high resolution structure.
The key functional aspects of a transporter are its ability to bind and transport its substrates. In a set of experiments those features were investigated by a radioligand transport assay and by isothermal titration calorimetry (ITC). The transport properties of the protein were assessed in a filter assay using a radioactively labeled citrate as a read-out. The protein was reconstituted into proteoliposomes and subjected to different substrate conditions. Different ions were tested in its ability to drive or inhibit transport, but only sodium ions were able to drive transport and also not hindered by the presence of other ions...
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Transporteigenschaften inklusive Ladungsträgerdynamik von quasi-zweidimensionalen organischen Ladungstransfersalzen. Diese Materialien besitzen eine Schichtstruktur und weisen eine hohe Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit auf. Aufgrund der geringen Bandbreite und der niedrigen Ladungsträgerkonzentration gehören die Materialien zu den stark-korrelierten Elektronensystemen, wobei sich die elektronischen Eigenschaften leicht durch chemische Modifikationen oder äußere Parameter beeinflussen lassen. Die starken Korrelationen resultieren in Metall-Isolator-Übergängen, die sich beim Mott-isolierenden Zustand in einer homogenen Verteilung und beim ladungsgeordneten Zustand in einer periodischen Anordnung der lokalisierten Ladungsträger manifestieren.
Mithilfe der Fluktuationsspektroskopie, die sich mit der Analyse der zeitabhängigen Widerstandsfluktuationen befasst, konnten im Rahmen dieser Arbeit neue Erkenntnisse über die Ladungsträgerdynamik in den verschiedenen elektronischen Zuständen gewonnen werden. Die Metall-Isolator-Übergänge in den untersuchten Systemen, die auf den Molekülen BEDT-TTF (kurz: ET) bzw. BEDT-TSF (kurz: BETS) basieren, sind von der Stärke der strukturellen Dimerisierung abhängig und wurden durch die Kühlrate, eine Zugbelastung sowie durch die Ausnutzung des Feldeffekts beeinflusst.
In den Systemen κ-(BETS)₂Mn[N(CN)₂]₃, κ-(ET)₂Hg(SCN)₂Cl und κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Br sind die Donormoleküle als Dimere angeordnet, sodass aufgrund der effektiv halben Bandfüllung bei genügender Korrelationsstärke häufig ein Mott-Übergang auftritt. In κ-(ET)₂Hg(SCN)₂Cl führt eine schwächere Dimerisierung jedoch zu einem Ladungsordnungsübergang, der mit elektronischer Ferroelektrizität einhergeht. Dabei wird die polare Ordnung durch eine Ladungsdisproportionierung innerhalb der Dimere verursacht. Die Widerstandsfluktuationen zeigen am ferroelektrischen Übergang einen starken Anstieg der spektralen Leistungsdichte, eine Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld sowie Zeitabhängigkeiten, die auf räumliche Korrelationen der fluktuierenden Prozesse hindeuten. Diese Eigenschaften wurden ebenfalls für das System κ-(BETS)₂Mn[N(CN)₂]₃ beobachtet. Hierbei wurden mithilfe der dielektrischen Spektroskopie ebenfalls Hinweise auf Ferroelektrizität gefunden, während durch die Analyse der stromabhängigen Widerstandsfluktuationen die Größe der polaren Regionen abgeschätzt werden konnte. Das System κ-(ET)₂Cu[N(CN)₂]Br, das in einer Feldeffekttransistor-Struktur vorliegt, erlaubt neben der Untersuchung des Bandbreiten-getriebenen Mott-Übergangs durch die Zugbelastung eines Substrats auch die Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften durch die Änderung der Bandfüllung mittels elektrostatischer Dotierung. Hierbei wurden starke Abhängigkeiten des Widerstands von der Gatespannung beobachtet und Ähnlichkeiten der Ladungsträgerdynamik zu herkömmlichen Volumenproben gefunden.
Bei den Systemen θ-(ET)₂MM'(SCN)₄ mit MM'=CsCo, RbZn, TlZn tritt ein Ladungsordnungsübergang auf, der eine starke Abhängigkeit von der Kühlrate zeigt. Durch schnelles Abkühlen lässt sich der Phasenübergang erster Ordnung kinetisch vermeiden, wodurch ein Ladungsglaszustand realisiert wird. Dieser metastabile Zustand zeigt neuartige physikalische Eigenschaften mit Ähnlichkeiten zu herkömmlichen Gläsern und wurde als Folge der geometrischen Frustration der Ladung auf einem Dreiecksgitter diskutiert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Ladungsträgerdynamik in den verschiedenen Ladungszuständen von unterschiedlich frustrierten Systemen verglichen werden. Zur Realisierung sehr schneller Abkühlraten wurde dafür eine Heizpulsmethode verwendet und weiterentwickelt. Der Ladungsglaszustand zeigte dabei für verschiedene Systeme ein deutlich niedrigeres Rauschniveau als der ladungsgeordnete Zustand. In Kombination mit Messungen der thermischen Ausdehnung und kühlratenabhängiger Transportmessungen wurde in den Systemen mit der stärksten Frustration die Existenz eines strukturellen Glasübergangs nachgewiesen, der von einer starken Verlangsamung der Ladungsträgerdynamik begleitet wird. Diese Erkenntnisse werfen ein neues Licht auf die bisherige rein elektronische Interpretation des Ladungsglaszustands und heben den Einfluss der strukturellen Freiheitsgrade hervor.
In the last twenty years, there has been splendid progress in energy conversion technologies to have sustainable energy sources. For example, solar cells contribute significantly to energy production as the sun is an enormous source for renewable energy. Currently, the most common commercialized photovoltaic devices are silicon-based. The scientists' main targets are high efficiency, low cost, environmentally friendly, and easy to synthesize new semiconductor materials to replace silicon. Furthermore, understanding the photophysical properties of these materials is very important for designing high efficient photoconversion systems.
This thesis investigates the photophysics of lead-based wide-bandgap perovskites with different dimensionality (2D, 3D) and how they can be optimized for optoelectronic applications. In chapter 1, we present the background and progress in perovskite research. The basic concepts of semiconductor and spectroscopic methods of the applied techniques in this work are discussed in chapter 2.
In the first project (chapter 3.1), we used our time-resolved techniques to study the ultrafast dynamics of energy transfer from the inorganic to the organic layer in a series of three lead-based mixed-halide 2D perovskites containing benzyl ammonium (BA), 1-naphthyl methyl ammonium (NMA), and 1-pyrene methyl ammonium (PMA) thin films.
In the second project (chapter 3.2), we used time-resolved spectroscopic techniques to study the effect of adding 5% of Cs on the dynamics of a mixed-cation wide bandgap bromide-based 3D perovskite.
In another side project (chapter 4), we present the photophysics properties of newly synthesized new Schiff bases containing indole moieties using piperidine as an organic base catalyst and Au@TiO2 as a heterogeneous catalyst. Finally, the results of this work are summarized in Chapter 5 with an outlook and a discussion of open questions for further research.
Im Rahmen der fortschreitenden Digitalisierung der Hochschullehre finden auch verstärkt elektronische Prüfungsformate Eingang in den Alltag von Hochschulen. Insbesondere elektronische Abschlussklausuren (E-Klausuren) bieten hier die Möglichkeit, die Prüfungsbelastung Hochschulehrender durch die Automatisierung weiter Teile der Klausurkonstruktion, -administration und -auswertung zu reduzieren. Die Integration digitaler Technologien in die Prüfungspraxis deutscher Hochschulen ermöglicht dabei nicht nur eine ökonomische Klausurkonstruktion, realitätsnähere Klausuren (z. B. durch die Nutzung fachspezifischer Standardsoftware), und den Einsatz innovativer Testbausteine (z. B. Integration von Multimediadateien in Items), sondern auch die Nutzung aktueller psychometrischer Methoden. Insbesondere die Konstruktion von Hochschulklausuren als kriteriumsorientierte, adaptive Tests (z. B. Spoden & Frey, 2021), hat das Potential Hochschulklausuren individualisierter, messpräzisier und fairer zu machen, sowie die Validität der aus der Klausurbearbeitung abgeleiteten Testwertinterpretationen zu steigern. Um kriteriumsorientierte, adaptive Hochschulklausuren in der Breite nutzbar zu machen, müssen allerdings zuvor einige Herausforderungen gemeistert werden, denen sich diese Arbeit widmet. Die in den vier Einzelarbeiten dieser Dissertation betrachteten Herausforderungen lassen sich auf einer psychometrischen, einer personalen und einer technischen Ebene verorten.
Auf der psychometrischen Ebene ist eine zentrale Herausforderung die ökonomische Kalibrierung des Itempools. Üblicherweise wird bei der Konstruktion adaptiver Tests eine dreistellige Anzahl an Items konstruiert und mittels einer separaten Kalibrierungsstudie im Vorlauf der operationalen Testanwendung mit mehreren hundert Testpersonen kalibriert. Die massierte Konstruktion vieler Items und die Durchführung einer zusätzlichen empirischen Studie lässt sich im Rahmen von Hochschulklausuren nur schwer realisieren. Im ersten Einzelbeitrag wird daher eine neuartige kontinuierliche Kalibrierungsstrategie (KKS) vorgestellt und im Rahmen einer Monte-Carlo-Simulation hinsichtlich ihrer psychometrischen Eigenschaften geprüft. Zusammenfassend ermöglicht die KKS, adaptive Tests während wiederkehrender Testanwendungen bei konstanter Berichtsmetrik, Kontrolle von Itemparameter-Drift und fortlaufender Ergänzung des Itempools zu kalibrieren. Es zeigt sich, dass die KKS selbst für sehr kleine Stichproben eine geeignete Methode darstellt, den Itempool über mehrere Testanwendungen hinweg fortlaufend zu kalibrieren.
Um die Berichtsmetrik dabei über die verschiedenen Testanwendungen hinweg konstant zu halten, und somit Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Testzeitpunkte (z. B. Semester) zu gewährleisten, nutzt die KKS Equating-Methoden (z. B. Kolen & Brennan, 2014) zum Herstellen einer statistischen Verbindung zwischen Klausurdurchläufen. Die Qualität dieser statistischen Verbindung hängt dabei von verschiedenen Parametern ab. Im zweiten Einzelbeitrag werden daher verschiedene Konfigurationen der in die KKS implementierten Equating-Prozedur hinsichtlich ihres Einflusses auf die Qualität der Parameterschätzungen im Rahmen einer Monte-Carlo-Simulation untersucht und auf Basis der Ergebnisse praktische Empfehlungen abgleitet. Hierfür werden unter anderem die Schwierigkeitsverteilung der genutzten Linkitems sowie die verwendete Skalentransformationsmethode variiert. Es zeigt sich, dass die KKS unter verschiedenen Konfigurationen in der Lage ist, die Skala über mehrere Testzyklen hinweg konstant zu halten. Normal- beziehungsweise gleichverteile Schwierigkeitsverteilungen der Linkitems sowie die Stocking-Lord-Skalentransformationsmethode (Stocking & Lord, 1983) erweisen sich hierbei am vorteilhaftesten.
Auf personaler Ebene stellt die Akzeptanz seitens der Hochschullehrenden einen kritischen Erfolgsfaktor für die Implementation neuer E-Learning Systeme in Lehrveranstaltungen dar. Angelehnt an Technologieakzeptanzmodellen (z. B. Technology Acceptance Model; Davis, 1989) wird im dritten Einzelbeitrag ein empirisch prüfbares Modell – das Technology-based Exams Acceptance Model (TEAM) – zur Vorhersage der Intention zur Nutzung von adaptiven und nicht-adaptiven E-Klausursystemen seitens Hochschullehrender vorgeschlagen und anhand der Daten von N = 993 deutschen Hochschullehrenden empirisch geprüft. Das postulierte Modell weist einen guten Modellfit auf. Die Ergebnisse weisen die wahrgenommene Nützlichkeit als Schlüsselprädiktor für die Nutzungsintention aus. Medienbezogene Variablen haben indirekte Effekte auf die wahrgenommene Nützlichkeit, mediiert über vorherige Nutzungserfahrungen mit Bildungstechnologien. Darüber hinaus spielt die subjektive Norm eine wichtige Rolle bei der Erklärung der Akzeptanz von E-Klausuren...
Über zwei Drittel aller Menschen erleben in ihrem Leben mindestens ein traumatisches Ereignis (Kessler et al., 2017). Gerade nach interpersonellen Traumatisierungen ist die Rate der Betroffenen, welche eine posttraumatische Belastungsstörung (PTBS) entwickeln, sehr hoch (z. B. ca. 50% nach sexuellem Missbrauch; Hauffa et al., 2011). In der Vergangenheit wurden Angst- und Ohnmachtsgefühle als zentrale der PTBS zu Grunde liegende Emotionen aufgefasst (Foa & Kozak, 1986). Neuere Forschungsbefunde legen jedoch nahe, dass traumabezogene Schuld- und Schamgefühle auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Aufrechterhaltung der PTBS spielen (z. B. Badour et al., 2017). Dabei leiden besonders Betroffene von interpersonellen Gewalterfahrungen unter diesen Gefühlen (z. B. Badour et al., 2017).
Im Hinblick auf die psychotherapeutische Behandlung der PTBS haben sich traumafokussierte Verfahren als wirksam erwiesen (z. B. Lewis et al., 2020). Hohe Drop-out (z. B. Swift & Greenberg, 2014) und Nonresponse Raten (Fonzo et al., 2020) geben jedoch Hinweise darauf, dass nicht allen PTBS Patient*innen mit diesen Verfahren ausreichend geholfen werden kann, wobei insbesondere Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen weniger gut davon zu profitieren scheinen (z. B. Karatzias et al., 2019). Zudem hat sich gezeigt, dass Schuldgefühle auch nach einer erfolgreichen PTBS Behandlung weiter persistieren (Larsen et al., 2019). Demnach besteht ein Bedarf an alternativen Therapieverfahren für Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen und/oder Schuld- und Schamgefühlen.
Besonders vielversprechend sind hierbei achtsamkeitsbasierte Interventionen, die bereits in der PTBS Behandlung eine zunehmend bedeutsame Rolle spielen (Hopwood & Schutte, 2017). Eine wichtige Voraussetzung für die weitere Erforschung dieser Interventionen sind valide und reliable Verfahren zur Veränderungsmessung von Achtsamkeit (Isbel et al., 2020). So scheinen bisherige Studien jedoch hauptsächlich fragebogenbasierte Maße zur Erfassung von Veränderungen in Trait-Achtsamkeit eingesetzt zu haben, obwohl diese Interventionen eher auf die Steigerung von State-Achtsamkeit abzielen (Goodman et al., 2017). Darüber hinaus kristallisierten sich methodische Kritikpunkte in Bezug auf die Validität von Fragebögen zur Erfassung von Trait-Achtsamkeit heraus (van Dam et al., 2018). Demgegenüber erfassen Experience-Sampling Ansätze (z. B. Mindful-Breathing Exercise, MBE; Burg & Michalak, 2011) eher Aspekte der State-Achtsamkeit, sind jedoch in klinischen Untersuchungsstichproben bisher kaum untersucht worden. Darauf aufbauend fokussierte die erste Forschungsfrage der Dissertation die Untersuchung der MBE im klinischen Kontext. Ein Hauptbefund der Studie zeigte, dass die MBE bei PTBS Patient*innen hinsichtlich ihres Prädiktionswertes für die PTBS Symptome Übererregung und Intrusionen gegenüber fragebogenbasierter Trait-Achtsamkeit überlegen war. Mögliche Wirkmechanismen achtsamkeitsbasierter Interventionen könnten demnach durch den Einsatz der MBE besonders gut abgebildet werden.
Innerhalb der achtsamkeitsbasierten Interventionen kommt in der Behandlung der PTBS am häufigsten die Mindfulness Based Stress Reduction (MBSR; Kabat-Zinn, 2013) als standardisierte Gruppenintervention zum Einsatz (Boyd et al., 2018). Jedoch scheint die MBSR insbesondere für PTBS Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen nicht eins-zu-eins anwendbar zu sein (Müller-Engelmann et al., 2017). Buddhistische Metta-Meditationen (dt.: Liebende Güte; Salzberg, 2002) sind vor diesem Hintergrund eine vielversprechende Ergänzung zu achtsamkeitsbasierten Interventionen. Metta-Meditationen zielen darauf ab, sich selbst sowie allen anderen Lebewesen bedingungsloses Wohlwollen und Freundlichkeit entgegen zu bringen (Bodhi, 2010). Metta-Meditationen sind noch weniger gut in der klinischen Forschung etabliert. Erste Befunde deuten jedoch darauf hin, dass sie bei PTBS Patient*innen zu einer Reduktion der PTBS Symptomatik führen können (z. B. Kearney et al., 2021). Folglich wurde im Rahmen der zweiten Forschungsfrage eine neue Intervention entwickelt und evaluiert, welche sich an den Bedürfnissen von PTBS Patient*innen mit interpersonellen Traumatisierungen orientiert. Sie kombiniert kürzere, PTBS spezifische Achtsamkeitsübungen mit angepassten Übungen aus MBSR sowie Metta-Meditationen (= Trauma-MILOKI). Trauma-MILOKI zeigte sich in einer multiplen Baseline Studie wirksam zur Reduktion der PTBS Symptome sowie zur Steigerung des Wohlbefindens.
Ein Wirkmechanismus von Metta-Meditationen ist die Förderung positiver Emotionen sowie des Gefühls sozialer Verbundenheit (Salzberg, 2002), weswegen sie auch besonders gut geeignet scheinen, traumabezogene Schuld- und Schamgefühle zu reduzieren. Darüber hinaus haben sich unter den etablierten Therapieverfahren v. a. kognitive Ansätze zur Reduktion von Schuldgefühlen als wirksam erwiesen (Resick et al., 2008)...
Ein persistierender Ductus arteriosus (PDA) stellt bei Frühgeborenen mit <1500g Geburtsgewicht einen relevanten Faktor für eine Erhöhung der Morbidität und Mortalität dar. Aufgrund fehlender Evidenz konnte bisher keine allgemeine Therapieempfehlung nach frustranem medikamentösem Verschlussversuch erarbeitet werden, sowohl eine Ligatur im Rahmen eines operativen Eingriffs, als auch eine Katheterintervention sind möglich. In der vorliegenden Arbeit wurde retrospektiv die Auswirkung dieser verschiedenen Therapiemethoden auf die Morbidität und Mortalität bei Frühgeborenen <1500g Geburtsgewicht mit hämodynamisch signifikantem persistierendem Ductus arteriosus untersucht. Insbesondere wurde geprüft, ob eine Katheterintervention das Risiko einer Bronchopulmonalen Dysplasie (BPD) oder des Versterbens der Kinder, sowie andere häufige Folgeerkrankungen des Frühgeborenen erhöht. Analysiert wurden dafür alle 469 stationär behandelten Kinder des Schwerpunktes Neonatologie, die zwischen dem 01.01.2013 und dem 31.12.2019 in der Uniklinik Frankfurt am Main mit einem Geburtsgewicht von <1500g geboren oder innerhalb der ersten 13 Lebenstage aus einem anderen Krankenhaus übernommen wurden. Diese wurden in 4 Gruppen eingeteilt: Kinder ohne hämodynamisch signifikanten PDA (n=341), Kinder die erfolgreich medikamentös therapiert wurden (n=92), solche, die eine Ligatur erhielten (n=16) und zuletzt solche, die interventionell behandelt wurden (n=12). Die Daten der medikamentös behandelten Kinder wurden in dieser Untersuchung nicht berücksichtigt. Es wurden sowohl verschiedene Geburtsparameter um eine Vergleichbarkeit der Gruppen zu untersuchen, als auch relevante Parameter des Outcomes ausgewertet. Es zeigte sich, dass Kinder ohne PDA zum Zeitpunkt der Geburt ein höheres Gestationsalter hatten als solche mit PDA und daraus resultierend eine geringere Intensivmedizinische Betreuung und geringere Morbidität aufwiesen. Im Vergleich der Interventionskinder mit einer Matched-pair Gruppe aus 24 Kindern der Kontrollgruppe ohne PDA (± 8 Schwangerschaftstage bei Geburt und ± 410 g Geburtsgewicht) konnten keine Unterschiede in Mortalität oder Morbidität festgestellt werden. Kinder nach Intervention zeigten kein signifikant schlechteres Outcome (Bronchopulmonale Dysplasie, Intraventrikuläre Hämorrhagie, operativ versorgte nekrotisierende Enterokolitis, therapiebedürftige Retinopathia praematurorum, Periventrikuläre Leukomalazie) im Vergleich zu Kindern nach Ligatur. Eine schwere Bronchopulmonale Dysplasie trat mit einem Relativen Risiko von 2,25 seltener auf. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass die Interventionelle Therapie des hsPDA ein ähnlich gutes Outcome im Vergleich zur Ligatur aufweist und sogar einen Vorteil für die Kinder bringt. Aufgrund der geringen Fallzahlen muss die Relevanz diese Ergebnisse kritisch hinterfragt werden. Eine mögliche randomisierte kontrollierte Studie könnte diese bestätigen.
Lipopolysaccharide (LPS) is a major glycolipid component in the outer leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria and known as endotoxin exhibited by the lipid A moiety, which serves as a membrane anchor. The effective permeability barrier properties of the outer membrane contributed by the presence of LPS in the extracellular layer of the outer membrane confer Gram-negative bacteria a high resistance against hydrophobic compounds such as antibiotics, bile salts and detergents to survive in harsh environments. The biogenesis of LPS is well studied in Escherichia coli (herewith E. coli) and the LPS transport (Lpt) is carried out by a transenvelope complex composed of seven essential proteins (LptABCDEFG), which are located in the three compartments of the cell such as the outer membrane, the inner membrane and the periplasm. The Lpt system also exists in Anabaena sp. PCC 7120 (herewith Anabaena sp.), however, homologues of LptC and LptE are still missing. BLAST search failed to identify a homologue of LptC, in contrast, the secondary structure analysis using the Pfam database based on the existing ecLptC secondary structure identified one open reading frame All0231 as the putative Anabaena sp. homologue of LptC, which is designated anaLptC. Despite the low sequence similarity, the secondary structure alignment between anaLptC and ecLptC using the HHpred server showed that both proteins share high secondary structural similarities. The genotypic analysis of the insertion mutant anaLptC did not identify a fully segregated genome and its phenotypic analysis revealed that it was sensitive against chemicals, suggesting that the analptC gene is essential for the growth of Anabaena sp. and involved in the outer membrane biogenesis. This is further supported by the observation of the small cell phenotype in the anaLptC mutant via transmission electron microscopy. Moreover, physical interactions between the anaLptC periplasmic domain with anaLptA as well as with anaLptF were established, indicating that the anaLptC periplasmic domain is correctly folded and alone functional and that the transmembrane helix is not required for the interaction with anaLptA and anaLptF. Furthermore, the reduction of the O-antigen containing LPS was observed in the insertion mutant anaLptC and the dissociation constant Kd of the anaLptC periplasmic domain for ecLPS was determined.The three-dimensional structure of the periplasmic domain of anaLptC was solved by X-ray crystallography with a resolution of 2.8 Å. The structural superposition between the ecLptC crystal structure (PDB number 3my2) and the crystal structure of anaLptC periplasmic domain obtained by this study showed the similarity in the folding of the two proteins with a Cα r.m.s.d value of about 1 Å and confirmed that the length of anaLptC is more than two times longer than that of ecLptC. The structural comparison also revealed that both structures share the typical β-jellyroll fold and conserved amino acids, which were shown in ecLptC to bind to LPS in vivo and found in anaLptC. Overall, these data strongly suggest that anaLptC is involved in the transport of LPS and support the model whereby the bridge spanning the inner membrane and the outer membrane would be assembled via interactions of the structurally conserved β-jellyroll domains shared by five (LptACDFG) out of seven Lpt proteins.
Die Heparininduzierte Thrombozytopenie (HIT) ist eine lebensbedrohliche Komplikation der Heparintherapie. Diese wird verursacht durch die Bildung von Antikörpern gegen einen Komplex aus Plättchenfaktor 4 (PF4) und Heparin. Orthopädische und herzchirurgische Patienten weisen deutlich höhere Serokonversionsraten auf (15-75 %) als andere Patientenkohorten, z.B. internistische Patienten (<1 %), ohne dabei in allen Fällen mit den klinischen Zeichen einer HIT, d.h. Thrombozytopenie sowie arteriellen und venösen thromboembolischen Komplikationen, einherzugehen. Der Grund für diese Beobachtung ist unklar. Es ist bekannt, dass Glykosaminoglykane und sulfatierte Polysaccaride ein Epitop auf dem Plättchenfaktor 4 induzieren können, gegen das eine Sensibilisierung erfolgen kann. Es wird vermutet, dass Glykosaminoglykane, d.h. Chondroitinsulfate, die bei großen orthopädischen Eingriffen freigesetzt werden, die hohen Serokonversionsraten bei orthopädischen Patienten erklären könnten.
Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die Inzidenz von HIT-Antikörpern bei Patienten mit orthopädischen Eingriffen zu untersuchen, bei denen perioperativ keine Heparinexposition erfolgte. Die Antikoagulation zur Thromboseprophylaxe im untersuchten Patientenkollektiv wurde postoperativ mit dem zur orthopädischen Thromboseprophylaxe zugelassenen, direkten oralen Faktor Xa Inhibitor Rivaroxaban und nicht mit niedermolekularem Heparin durchgeführt, welches eine HIT-Antikörperbildung hätte induzieren können.
Material und Methoden: Zur HIT Diagnostik wurde jeweils präoperativ und mindestens 5 Tage postoperativ ein immunologischer Chemilumineszenztest (HemosIL® AcuStar HIT-IgG(PF4-H)) und ein funktioneller Heparin-induzierter Plättchenaktivierungstest (HIPA) durchgeführt, um eine Serokonversion zu detektieren. Ausschlusskriterium war eine Heparinexposition innerhalb der letzten 3 Monate sowie während und nach der Operation.
Ergebnisse: 107 konsekutive Patienten, 65 (60,7 %) weibliche und 42 (39,3 %) männliche Patienten, bei denen eine operative totale Hüftgelenk- (n= 66; 61,6 %) oder Kniegelenkendoprothese (n= 41; 38,3 %) durchgeführt wurde, wurden in die Studie eingeschlossen. Vor und auch nach der Operation konnte weder im durchgeführten Immunoassay noch im funktionellen HIPA eine Serokonversion mit der Bildung von anti-PF-4/Heparin Antikörpern festgestellt werden.
Diskussion: Große orthopädische Operationen allein nicht auszureichen, um die hohen HIT-Antikörper Serokonversionsraten in Abwesenheit von Heparin bei diesen Patienten zu erklären. Heparin scheint für eine Sensibilisierung unerlässlich zu sein. Aber auch andere Risikofaktoren für die Bildung von HIT-Antikörpern gegen den Komplex aus PF4 und Heparin bzw. Polyanionen, wie z.B. bakterielle Infektionen, Ausmaß des Gewebetraumas, Freisetzung von Nukleinsäuren, könnten eine Rolle spielen. Da das antigene Epitop nur bei optimalen stöchiometrischen Ratios von PF4 und Heparin/Glykosaminoglykanen induziert wird, ist es vorstellbar, dass einige der genannten Faktoren zusammenwirken könnten, um die Immunreaktion zu ermöglichen. Auf der Basis unserer Studie kann zwar das Konzept der ‘‘spontanen’’ HIT nicht erklärt werden. Auf Basis der bestehenden Daten kann es aber auch nicht verworfen werden.
Chemical pollution is one of the main contributors to the degradation of lotic ecosystems and their biodiversity. Among chemicals driving lotic biodiversity decline are anthropogenic organic micropollutants (AOM), which affect the survival and functioning of freshwater organisms. Continuous exposure of freshwater organisms to AOM leads to adverse effects that sometimes cannot be traced with standard toxicity methods such as standard toxicity testing or biodiversity indices. Among these effects of AOM are selective or mutagenic effects that cause impaired species genetic diversity. Thus, the correlation between different levels of AOM and genetic diversity of species is still poorly understood. However, it can be explored by applying population genetics screening.
In Chapter 1 of this thesis, background information on environmental pollution, genetic screening, and the detection of evolutionary-relevant AOM effects in freshwater organisms are described and the thesis goals are identified. The main goal of the thesis is to study whether AOM exposure occurring in European rivers causes a significant evolutionary footprint in freshwater species and leads to a selection of more tolerant geno-and phenotypes. Therefore, population genetics indices together with high-resolution chemical exposure screening of a widespread indicator invertebrate species, Gammarus pulex (Linnaeus, 1758), living in polluted and pristine European rivers were investigated.
In Chapter 2, the development of a genetic screening method for G. pulex (microsatellites) is described. Due to genetic differentiation and the presence of morphologically cryptic lineages, the available sets of target loci do not enable a reliable population genetic characterization of G. pulex from central Germany. Thus, a novel set of microsatellite loci for a high-precision assessment of population genetic diversity was here applied. Eleven loci were first identified and thereafter amplified in G. pulex from three rivers. The new loci reliably amplified and indicated polymorphisms in the studied amphipods. The amplification resulted in the successful identification of genetically distinct populations of G. pulex from the analyzed rivers. Moreover, the microsatellite loci were amplified in other genetic lineages of G. pulex and another Gammarus species, G. fossarum, promising a broader applicability of the loci in related amphipod species.
In Chapter 3, the effects of AOM on species genetic differentiation and sensitivity to toxic chemicals in a typical central European river with pristine and AOM-polluted sections was investigated. The river’s site-specific concentrations of AOM were assessed by chemical analysis of G. pulex tissue and water samples. To test, whether different levels of AOM in the river select for pollution-dependent genotypes, the genetic structure of G. pulex from the river was analyzed. Finally, the toxicokinetics of and sensitivity to the commonly used insecticide imidacloprid were determined for amphipods sampled at pristine and polluted sections to assess whether various levels of AOM in the river influence sensitivity of G. pulex to imidacloprid. The results indicated that different levels of AOM did not drive genetic divergence of G. pulex within the river but led to an increased sensitivity of exposed amphipods to imidacloprid. The amphipods living in polluted river sections were more sensitive to the insecticide due to chronic exposure to toxic levels of AOM.
In Chapter 4, the relationship between site-specific pollution levels of AOM and genetic diversity parameters of G. pulex was analyzed at the regional scale within six rivers in central Germany. The genetic structure of G. pulex in the studied area was tested for relatedness to the waterway distance between sites. Gammarus pulex genetic diversity parameters, including allelic richness and inbreeding rate, were tested against environmental pollution parameters using linear mixed-effect- and structural-equation models. According to the results, G. pulex genetic diversity parameters were significantly associated with the detected AOM levels. At sites with high concentrations of AOM and toxicity potential G. pulex showed reduced genetic diversity and increased rates of inbreeding. These results suggest that AOM play a major role in shaping the genetic diversity of G. pulex in rivers.
According to the findings presented here, the applied microsatellites can be used to successfully detect changes in genetic patterns in freshwater amphipods facing increased levels of AOM. The findings indicate that levels of AOM representative for European rivers do not lead to the separation of genotypes among G. pulex as the connectivity between sites majorly contributes to species’ genetic structure. However, the chronic exposure to increased levels of toxic AOM leads to a reduction of species genetic diversity and increases the sensitivity of G. pulex to the toxic chemical effects.
This work ties in with the investigation of the intermediate valent states and valence fluctuations in certain europium based intermetallic systems. Valence fluctuations are a property of the electronic system of a compound that is possibly accompanied by structural effects, which, in some cases, are quite noticable. By assuming how the changes in the electronic system and in the crystal lattice are connected, valence _uctuations of europium are believed to be a possible probe for the theory of quantum critical elasticity, which is investigated on by the SFB TRR 288 (Frankfurt, Mainz, Karlsruhe, Bochum, Dresden).
Here, the proceedings in growing single crystals of di_erent compounds related to this _eld of research are reported. This includes the ThCr2Si2 (122) type compounds EuPd2Si2 as well as the doping series EuPd2(Si1-xGex)2, the Europium based ternary Phosphides EuFe2P2, EuCo2P2, EuNi2P2 and EuRu2P2, and attempts to grow compounds of a derived 1144 structure by ordered substitution of half the Europium, EuKRu4P4.
The largest part of this work focusses on the EuPd2Si2 system, which exhibits intermediate valent europium and a temperature dependent transition between two di_erent intermediate valent states of europium. Crystals of this system were grown using the Czochralski method with a levitating melt and an europium excess flux after a two step prereaction process. Also, explorations of a PdSi-rich flux and external flux methods are reported. Ten Czochralski grown experiments, in six generations iteratevely seeded by the previous generation, were prepared.
Thermodynamical and structural analyses of the crystals located the transition between the di_erent intermediate valent states of europium between 140K and 165 K, transitioning from a high temperature Eu2.3+ state to a low temperature Eu2.7+ state, and classified it as a second order transition. To this transition a lattice anomaly of the a-parameter collapsing about 2% is connected, while the c-parameter remains largely unaffected. Large differences between individual samples can be explained by combining thermodynamical and structural analyses with compositional analysis, revealing the valence transition temperature as strongly dependent on the sample composition and Pd-Si site interchanges.
Searching to change the character of the valence transition to first order, silicon was substituted by germanium to introduce negative pressure. Germanium substituted samples of EuPd2(Si1-xGex)2 were grown using the Czochralski method with the optimized parameters from the growth experiments for the undoped compound. Samples were prepared with a nominal substitution of x = 0.05, x = 0.10, x = 0.15, x = 0.20 (twice) and x = 0.30. For the EuPd2(Si1-xGex)2 system, a phase diagram for the europium valence states is derived from chemical and thermodynamical characterizations.
n ternary europium phosphides EuT2P2, the position of the compounds in the generalized phase diagram and the question of long range magnetic order or valence transition appear connected to an isostructural transition of the tetragonal crystal structure, drastically decreasing the length of the c-parameter while establishing covalent bonds between phosphorus atoms of different interlayers of the structure, the so called ‚collapse‘. While EuFe2P2, EuT2P2 and EuCo2P2 display both long range magnetic order and a non-collapsed crystal structure, EuNi2P2 shows both a valence transition between two intermediate valent states at a characteristic temperature of 36K - accompanied by a small lattice anomaly of the a-parameter shrinking about 0.2% - and a collapsed crystal structure. Samples of EuFe2P2, EuCo2P2 and EuNi2P2 were grown in tin flux and using solid-solid sintering approaches.
Single crystals of EuFe2P2, EuCo2P2 and EuRu2P2 were investigated at ESRF in Grenoble with single crystal X-ray di_ractometry on a pressure range up to 15GPa and at temperatures down to 15K to investigate the nature of the structural transitions in the compounds. While in EuCo2P2 the structural transition occurs as a transition of first order at all temperatures (e.g. at 2GPa for 15 K), in EuFe2P2 and EuRu2P2 the structural collapse evolves over a broad pressure range up to 8GPa and as a transition of second order troughout the temperature ranges, albeit seeming to sharpen at lower temperatures. From the crystallographic data, elastic constants of the compounds could be derived, revealing EuFe2P2 and EuRu2P2 as unexpectedly elastic materials.
In order to probe the structural collapse at more accessible pressures, crystals with a sturcture derived from the 122 structure, but with ordered 50% substitution of europium and hence altering the symmetry from I4/mmm to P4/mmm in a 1144 structure, were exploratively pursued. Different experiments to obtain EuAT4P4 (with A = K, Rb, Cs and T = Fe, Ru) from binary or ternary prereactants or directly from the elements remained largely unsuccessful.
Hintergrund: Ein adäquates Gerinnungsmanagement ist für antikoagulierte Patient*innen von zentraler Bedeutung. Gleichzeitig stellt dies sowohl für die Hausarztpraxis als auch für die Patient*innen eine große Herausforderung dar. Orale Antikoagulantien (OAK) werden zur Primär- und Sekundärprophylaxe von thromboembolischen Erkrankungen eingesetzt. Häufigste Nebenwirkungen sind Blutungskomplikationen, von einer harmlosen Bagatellblutung bis hin zur gefürchteten vital bedrohlichen intrazerebralen Blutung reichend. Zur Optimierung des Gerinnungsmanagements in der hausärztlichen Versorgung und Reduktion gerinnungsassoziierter Komplikationen bei Betroffenen wurde im Rahmen der PICANT-Studie (Primary Care Management for Optimized Antithrombotic Treatment) ein hausarztpraxisbasiertes Case Management mit einem engmaschigen Monitoring von Patient*innen durch das Praxisteam – bestehend aus Medizinischer Fachangestellten (MFA) und Hausärzt*innen – untersucht. Die stärke Einbindung der MFA in die Betreuung von Patient*innen mit einer Langzeitindikation für eine gerinnungshemmende Medikation stellt eine Weiterentwicklung des Gerinnungsmanagements in der hausärztlichen Versorgung dar. Diese Arbeit beschreibt die Sichtweise und Erfahrungen von MFA in ihrer neuen Rolle als Case Manager*innen (CM) für ein hausärztliches Gerinnungsmanagement. Zudem soll durch die zusätzliche Befragung beteiligter Hausärzt*innen und Patient*innen die Rolle der MFA aus den drei unterschiedlichen Perspektiven beleuchtet und miteinander verglichen werden. Durch die Erfahrungsberichte von MFA, Hausärzt*innen und Patient*innen zum hausarztpraxisbasiertem Case Management soll diese Arbeit einen wertvollen Beitrag zu den Diskussionen um neue Versorgungs- und Delegationskonzepte im Gerinnungsmanagement leisten.
Methoden: Im Anschluss an die cluster-randomisierte PICANT-Studie wurden leitfadengestützte Telefoninterviews mit 15 MFA, 15 Hausärzt*innen und 25 Patient*innen der Interventionsgruppe geführt. Nach Datenerhebung und wörtlicher Transkription erfolgte die Auswertung nach der Methode der inhaltlich strukturierenden Inhaltsanalyse nach Kuckartz mithilfe der Auswertungssoftware MAXQDA 12.
Ergebnisse: Die Mehrheit der MFA empfand die Erweiterung ihres Verantwortungsbereiches und die damit einhergehende stärkere Einbindung in die Patientenbetreuung als persönliche Bereicherung. Sie gaben an, dass sie neben vertieften Kenntnissen zum Gerinnungsmanagement v.a. auch an Selbstsicherheit im Umgang mit antikoagulierten Patient*innen dazugewinnen konnten. In der Rolle der CM betrachteten sie sich als federführende Studienorganisatorinnen, Vertrauenspersonen für Erkrankte, kompetente Ansprechpartnerinnen und Vermittlerinnen zwischen Hausärzt*innen und Patient*innen. Auch die beteiligten Hausärzt*innen sahen die MFA als treibende Kräfte der Studienorganisation und erkannten, dass sie einen Wissenszuwachs erzielen und damit die Rolle einer kompetenten Ansprechpartnerin für Patient*innen einnehmen konnten. Demgegenüber waren die MFA aus Patientensicht vorwiegend für die Studienorganisation verantwortlich und wurden eher weniger als kompetente Ansprechpartnerinnen bei Fragen zum Gerinnungsmanagement gesehen.
Schlussfolgerung: Unter den Befragten zeigte sich ein unterschiedliches Rollenverständnis. Während MFA bereit waren, ihren Kompetenzbereich zu erweitern und eine Aufwertung ihrer beruflichen Funktion beschrieben, wurden die neuen Rollen von der Ärzteschaft und den Patient*innen nur bedingt wahrgenommen. Insbesondere für den Großteil der Erkrankten blieb der Hausarzt / die Hausärztin die einzige Anlaufstelle bei wichtigen medizinischen Themen. Damit besteht weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich teambasierter Interventionen, einschließlich der Frage, wie der Kompetenzgewinn der MFA und die damit verbundene Aufwertung ihrer beruflichen Rolle noch stärker ins Bewusstsein der Ärzteschaft und Patient*innen gelangen kann. Schließlich erfordert die erfolgreiche Implementierung eines Case Managements mit stärkerem Einbezug von MFA die Umgestaltung vorhandener Handlungs- und Rollenmuster und die enge Zusammenarbeit aller Beteiligten.
The development of the designs of the superconducting CH cavities of the HELIAC project from CH0 [27] to CH1 and CH2 [1] has undergone permanent improvements and adaptations based on the learned experiences of each previous cavity. For example, the design of CH1 and CH2 focused on mechanical stabilization and optimization of performance by minimizing peak electric and magnetic fields. As a result, the changes made there were already able to increase stability and performance compared to CH0 by simplifying the design in different ways. The process of designing both cavities was time reasonable, since they are identical in construction and thus only one design had to be developed. However, for both the development and manufacturing of an entire accelerator of individual CH cavities, this type of design would become too time consuming and costly. In order to reduce this time-consuming design process and accelerate the fabrication of superconducting CH cavities, and also reduce costs, a modular cavity design for mass production of superconducting CH cavities was developed as presented in this thesis. In the following section, the conclusions gained in this work and the results already presented will be summarized once again.
So in the first chapters of this thesis the theoretical foundations were laid, which are necessary for the description of superconducting cavities and for their development process, like a theoretical description of superconductivity itself (see chapter 2), the physical basics of RF-acceleration and of the CH cavity (see chapter 3), but also the effects that limit the superconducting cavities in terms of acceleration (see chapter 4) or the properties and laws from structural mechanics needed in later measurements and simulation (see chapter 5). Based on the theoretical foundations given in these sections, all measurements, evaluations and simulations made in the following sections were made.
Mitglieder der ubiquitär verbreiteten Cryptochrom-Photolyase-Familie sind Blaulicht-absorbierende Flavoproteine mit hoher Sequenzhomologie aber diversen Funktionen. Photolyasen katalysieren die Reparatur UV-Licht-induzierter DNA-Schäden. Cryptochrome (CRYs) wirken als lichtunabhängige Transkriptionsrepressoren innerhalb des Kern-Oszillators der circadianen Uhr oder als primäre Photorezeptoren zur Synchronisation dieser mit dem äußeren Tag-Nacht-Rhythmus und steuern durch Regulation der Genexpression Wachstum und Entwicklung. Gemeinsames Strukturmerkmal aller CPF-Vertreter ist die Photolyase- homologe Region (PHR), die das Chromophor Flavinadenindinukleotid (FAD) bindet, das lichtabhängig zwischen den Redoxformen oxidiert (FADox), semireduziert (FAD●- bzw. FADH●) und vollreduziert (FADH-) wechseln kann und damit die CRY-Konformation und -Aktivität beeinflusst. Unterscheidungsmerkmale sind die spezifische C-terminale Erweiterung (CTE) sowie die Komposition der FAD-Bindetasche, die unterschiedliche FAD-Redoxformen stabilisiert. Die Mechanismen der CRY-Photosignaltransduktion sind nicht völlig erforscht.
CryP ist eines von vier CRYs in der Diatomee Phaeodactylum tricornutum und gehört zur bislang nicht charakterisierten Gruppe pflanzenähnlicher CRYs. In vorhergehenden Untersuchungen wurde für CryP eine nukleare Lokalisation und damit verbunden eine blaulicht- sowie dunkelabhängige Regulation der Transkription unterschiedlichster Gene gezeigt. Zudem reguliert CryP das Proteinlevel photosynthetischer Lichtsammelkomplexe. CryP interagiert mit bisher nicht charakterisierten Proteinen aus dem Bereich DNA und Regulation sowie Ribosomen und Translation. Heterolog exprimiertes und isoliertes CryP stabilisiert das Neutralradikal FADH● und das Antennenchromophor Methenyltetrahydrofolat (MTHF).
In vorliegender Dissertation wurde die Bedeutung des FAD-Redoxzustands und der C-terminalen Proteindomäne für Strukturänderungen hinsichtlich der Oligomerisierung und Konformation sowie für das CryP-Interaktionsverhalten untersucht. Hierzu wurden rekombinante CryP-Varianten heterolog isoliert, die Mutationen in für die FAD-Reduzierbarkeit entscheidenden Aminosäuren oder eine Deletion der CTE tragen.
Die Analyse der CryP-Oligomerisierungsstufe und Konformation erfolgte mittels Ko-Präzipitation, nativen und zweidimensionalen PAGEs sowie partieller Proteolyse. Dabei wurde heterolog isoliertes CryP in seinen drei Redoxformen oxidiert (mit FADox), semireduziert (mit FADH●) und vollreduziert (mit FADH-) sowie das um die CTE-verkürzte CryP-PHR verglichen. Für CryP wurde eine redoxunabhängige, PHR-vermittelte Di- und Tetramerisierung über elektrostatische Wechselwirkung der Monomere beobachtet. Die CTE bindet spezifisch und redoxunabhängig an die PHR in einem Bereich um die FAD-Bindetasche. Dies schließt eine großräumige Konformationsänderung zwischen PHR und CTE infolge einer FAD-Photoreduktion wie für pflanzliche und viele tierische CRYs als Aktivierungsmechanismus für CryP aus.
Interaktionsstudien mittels zweidimensionaler PAGE gaben Aufschluss über unterschiedliche Bindeverhalten der beiden betrachteten Interaktionspartner an CryP. Sowohl BolA, ein potentieller redoxregulierter Transkriptionsfaktor, als auch ID42612 mit unbekannter Funktion interagieren mit CryP unabhängig von der FAD-Redoxform. Dabei bindet BolA an die CTE des CryP-Dimers und -Monomers, während ID42612 einen Komplex mit dem CryP-Dimer bildet.
Mittels in vitro Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie wurde die FAD-Redoxchemie von CryP und CryP-PHR verglichen. Die beiden Varianten unterscheiden sich in der FAD-Photoreduzierbarkeit und -Oxidationskinetik. Das Volllängenprotein CryP kann ohne externes Reduktionsmittel zum semireduzierten FADH● phototreduziert werden, das im Gegensatz zu bekannten CRYs über Tage im Dunkeln stabil gegen aerobe Oxidation ist. Eine Belichtung mit Reduktionsmittel führt zur Bildung des vollreduzierten FADH-, das innerhalb von Minuten zu FADH● rückoxidiert. Das um die CTE verkürzte CryP-PHR kann nur mit externem Reduktionsmittel zu FADH● photoreduziert werden, der vollreduzierte Zustand wird nie erreicht. Die Stabilisierung von FADH● gegen aerobe Oxidation im CryP-Holoprotein ist vergleichbar zur FAD-Redoxchemie von Photolyasen. Verglichen mit sonstigen charakterisierten CRYs ist die Wichtigkeit der CTE für eine effiziente FAD-Photoreduktion und FADH●-Stabilisierung eine CryP-spezifische Charakteristik.
Neben der CTE trägt die zu FAD-N5 proximal gelegene Position zur FADH●-Stabilisierung bei, wie Absorptionsmessungen an CryP_N417C zeigten. CryP weist mit Asparagin die gleiche Konservierung an dieser Position wie Photolyasen auf und unterscheidet sich damit ebenfalls von klassischen CRYs.
Analysen zur cryp-Transkription mittels qRT-PCR zeigten eine rhythmische Expression mit maximalen Transkriptmengen in der Nacht und eine rasche photoinduzierte Herunterregulation der Transkription...
Aus Sicht der Pädagogischen Psychologie ist Lernen ein Prozess, bei dem es zu überdauernden Änderungen im Verhaltenspotenzial als Folge von Erfahrungen kommt. Aus konstruktivistischer Perspektive lässt sich Lernen am besten als eine individuelle Konstruktion von Wissen infolge des Entdeckens, Transformierens und Interpretierens komplexer Informationen durch den Lernenden selbst beschreiben. Erkennt der Lernende den Sinn und übernimmt, erweitert oder verändert ihn für sich selbst, so ist der Grundstein für nachhaltiges Lernen gelegt.
Lernen ist ein sehr individueller Prozess. Schule muss also individuelles Lernen auch im Klassenverband ermöglichen und der Lehrende muss zum Lerncoach werden, da sonst kein individuelles und eigenaktives Lernen möglich ist. Das Unterrichtskonzept des forschend-entdeckenden Lernens bietet genau diese Möglichkeit. Es erlaubt die Erfüllung der drei Grundbedürfnisse eines Menschen nach Kompetenz, Autonomie und sozialer Eingebundenheit und ermöglicht damit Motivation, Leistung und Wohlbefinden (Ryan & Deci, 2004).
Forschend-entdeckendes Lernen im Mathematikunterricht ist schrittweise geprägt von folgenden Merkmalen:
- eine problemorientierte Organisation
- selbstständiges, eigenaktives und eigenverantwortliches Lernen der Schülerinnen und Schüler
- individuelle Lernwege und Lernprozesse
- Entwicklung eigener Fragestellungen und Vorgehensweisen der Lernenden
- eigenes Aufstellen von Hypothesen und Vermutungen; Überprüfung der Vermutungen; Dokumentation, Interpretation und Präsentation der Ergebnisse
- eine fördernde Atmosphäre, in der die Lernenden nach und nach forschende Arbeitstechniken vermitteln bekommen
- kooperative Lernformen und damit Förderung von Team- und Kommunikationsfähigkeit
- Unterrichtsinhalte mit hohem Realitäts- und Sinnbezug, gesellschaftlicher Relevanz, Möglichkeiten der Interdisziplinarität
- Stetige Angebote der Unterstützung
Das entdeckende Lernen kann als Vorstufe des forschenden Lernens gesehen werden, da hier der wissenschaftliche Fokus noch nicht so stark ausgeprägt ist. Um alle Phasen auf dem Weg zu annähernd wissenschaftlichen forschenden Lernens anzusprechen, verwenden wir den Begriff des forschend-entdeckenden Lernens.
Voraussetzung ist, dass die Lehrkräfte das forschende Lernen als aktiven, produktiven und selbstbestimmten Lernprozess selbst zuvor erlebt haben müssen. Unter anderem können die Lehrkräfte Unterrichtsprozesse danach besser planen und währenddessen unterstützen, da sie selbst forschend-entdeckendem Lernen „ausgesetzt“ waren und vergleichbare Prozesse durchlebt haben.
Hiermit wird deutlich, dass forschendes Lernen nicht bedeuten kann, dass die Schülerinnen und Schüler auf sich gestellt sind. Die gezielte Unterstützung der Lernenden beim Entdecken und Forschen durch die Lehrkraft ist für einen ertragreichen Lernerfolg unverzichtbar und muss Teil der Vorbereitung und des Prozesses sein.
Internationale Studien zeigen, dass forschend-entdeckende Unterrichtsansätze (inquiry-based learning IBL) im Mathematikunterricht bei geeigneter Umsetzung Lernen verbessern, Lernerfolg und Lernleistung steigern und Freude gegenüber Mathematikunterricht erhöhen können. Die Implementierung dieses Unterrichtsansatzes ist trotz der positiven Ergebnisse nicht alltäglich.
Um neue Unterrichtskonzepte in den Schulalltag zu bringen beziehungsweise um bestehende Unterrichtskonzepte neu in den Schulalltag zu bringen bedarf es Fortbildungen zur Professionalisierung von Lehrerinnen und Lehrern.
High-resolution, compactness, scalability, efficiency – these are the critical requirements which imaging radar systems have to fulfil in applications such as environmental monitoring, cloud mapping, body sensing or autonomous driving. This thesis presents a modular millimetre-wave frequency modulated continuous-wave (FMCW) radar front-end solution intended for such applications. High-resolution is achieved by enlarging the operating frequency band of the radar system. This can be realized at millimetre-wave frequencies due to the large spectrum availability. Furthermore, the size of components decreasing with increasing frequency makes millimetre-wave systems a good candidate for compactness. However, the full integration of radar front-ends is a challenge at millimetre-wave frequencies due to poor signal integrity and spectral purity, which are essential for imaging applications. The proposed radar uses an alternative technique and tackles this limitation by featuring highly-integrable architectures, specifically the Hartley architecture for signal conversion and enhanced push-pull amplifier for harmonic suppression. The resolution of imaging radars can be further improved by increasing the number of transmitters and receivers. This has spurred the investigation of spectrum, time and energy-efficient multiplexing techniques for multi-input multi-output (MIMO) radar systems. The FMCW radar architecture proposed in this thesis is based on code-division technique using intra-pulse, also called intra-chirp modulation. This advanced scalable and non-complex solution, made possible by the latest achievements on direct digital synthesis for signal generation, guarantees signal integrity and compact size implementation. The proposed architecture is investigated by a thorough system analysis. A transmitter module and a receiver module for a 35 GHz imaging radar prototype are designed, fabricated and fully characterized to validate the feasibility of our novel approach for high-resolution highly-integrated MIMO front-ends.
Simulations of conformational changes and enzyme-substrate interactions in protein drug targets
(2022)
Finding new drugs is a difficult, time-consuming, and costly challenge, with only a small success rate along the drug discovery pipeline of far less than 10%. The high failure rate of drug discovery projects motivates the integration of computational tools throughout the whole drug discovery pipeline, from target identification to clinical trials. Target identification is the first step in the process. A biological target, e.g., a protein that plays a role in disease, is identified and its molecular mechanism in the disease is studied. Further, a potential binding site on the target, where therapeutic molecules can bind and modulate the target’s activity, needs to be characterized. Computational tools can contribute to improving the initial molecular target elucidation and assessment.
In this thesis, I use computational, physics-based approaches to characterize binding sites of drug targets and to decipher enzyme-substrate interactions, which play a role in disease mechanisms. Molecular dynamics (MD) simulations were applied to study the dynamics of molecules in solution at high temporal and spatial resolution. The method generates time-resolved trajectories of the particles in a system of interest by integrating Newton’s equations of motion numerically, starting from a set of coordinates and velocities. In MD simulations, all atoms of a chosen system, including solvent, are represented explicitly. Atomistic simulations are especially well-suited to study detailed interactions that depend on intermolecular interactions, such as hydration effects, hydrogen bonding, hydrophobic interactions, or subtle chemical differences. System properties are inferred from the trajectories, provided that the force fields, describing the interactions between the particles in the system, have a high accuracy. The bonded and non-bonded interactions are parametrized on experimental and quantum chemical data. The purpose of MD simulations can be to gain insight into the behavior of complex biological systems at molecular level, which often cannot be observed in experiments at the same resolution. With recent advances in computer hardware and simulation software, molecular systems of increasing size and simulation length can be investigated.
In the first part of the thesis, I investigated the conformational ensemble of various protein drug targets. Proteins are dynamic biomacromolecules that can have diverse and nearly isoenergetic conformational states. Ligand binding can shift the equilibrium of this conformational ensemble and can uncover binding sites, called cryptic sites. Cryptic sites only emerge upon small molecule binding and are often flat and featureless, and thus not easily recognized in crystal structures without bound ligands. If new binding sites including cryptic sites are detected, they can potentially be exploited for binding to ligands and enable a druggable target. Druggability is the ability of a protein to bind small, drug-like molecules, which is the basis for rational drug design. In this thesis, I used state-of-the-art physics-based, computational approaches to investigate the conformational ensembles of binding sites. In all studied systems, it is known from experiment that a specific group of ligands can induce conformational changes. The aim is to sample the conformational space made accessible upon ligand binding, yet without using the specific ligand structures or details about their interactions. We are interested in sampling the
pocket conformational states and identifying the respective pocket opening mechanism. For some cases, I additionally assessed whether the observed flexibility is a feature of the protein family, or specific to the protein under consideration.
The first studied system is factor VIIa (FVIIa). FVIIa is an essential part of the coagulation cascade and hence a potential drug target for thrombotic diseases. In addition, I investigated various other trypsin-like serine proteases from the same protein family. The binding pocket of trypsin-like serine proteases is called S1 pocket. An X-ray crystal structure solved by our collaborators reveals that a b-sheet structure in the S1 pocket is distorted by a bound ligand. I resolved the conformational change with MD simulations, starting from the unbound protein structure solvated in water and ions. I observed multiple spontaneous transition events. In 7 out of 22 simulations with the b-sheet as starting structure, the S1 pocket eventually rearranged into a distorted loop structure. These transitions occurred spontaneously and were mediated by water molecules probing the backbone hydrogen bonds. The conformational change studied here controls the onset of substrate binding and catalysis. Furthermore, I used metadynamics simulation, an enhanced-sampling method, to estimate the free energy barrier of this conformational change..
Patienten mit akuter Dekompensation einer Leberzirrhose (AD) oder einem akut-auf-chronischen-Leberversagen (ACLF) stellen ein vulnerables Kollektiv für den Erhalt eines Erythrozytenkonzentrates (EK) dar. Zu den Ursachen zählen das häufige Auftreten einer gastrointestinalen Blutung, die Koagulopathie oder das Vorliegen einer chronischen Anämie. Während für viele andere Patientenkollektive das richtige Transfusionsmanagement bereits erforscht worden ist, fehlen diese Studien für Patienten mit Leberzirrhose, insbesondere für die neue Entität ACLF. Die vorliegende Studie soll die Auswirkung einer EK-Transfusion auf Morbidität und Mortalität dieser Patienten untersuchen.
Insgesamt wurden 498 Patienten mit der Diagnose einer Leberzirrhose, die zwischen den Jahren 2015 und 2019 auf eine Intensivstation der Universitätsklinik Frankfurt aufgenommen worden sind, retrospektiv analysiert. Für die statistische Auswertung wurde ein Prospensity-Score-Matching nach EK-Transfusion mit Adjustierung für mögliche Konfundierungseffekte durchgeführt. Der Einfluss der Transfusion auf die Mortalität wurde mithilfe von Kaplan-Meier-Kurven und multivariater Cox-Regression untersucht. Für die ACLF-Kohorte wurden ROC-Kurven zum Versuch der Identifizierung eines Transfusionstriggers und eines Zielhämoglobinwertes nach Transfusion angefertigt.
In der Gesamtkohorte wiesen transfundierte Patienten eine signifikant höhere Mortalitätsrate als Nicht-Transfundierte auf (28-Tages-Mortalität: 39,6% vs. 19,5%, p<0,001). Dabei wirkte sich die Transfusion primär bei Patienten mit ACLF negativ auf das Überleben aus. Nach Matching der Patienten nach Erhalt eines EKs und Adjustierung für potentielle Konfundierungseffekte blieb die Kurzzeitmortalität bei transfundierten Patienten mit ACLF weiterhin signifikant erhöht (28-Tages-Mortalität: 72,7% vs. 45,5%, p=0,03). Bei AD Patienten zeigte die Transfusion keinen signifikanten Einfluss auf das Überleben. Die multivariate Cox-Regression identifizierte die EK-Transfusion als unabhängigen Risikofaktor der Kurzzeitmortalität im ACLF (HR: 2,55; 95% KI 1,26 – 5,15, p=0,009). Die Identifizierung eines Transfusionstriggers oder eines Zielhämoglobinwertes war nicht möglich.
Die vorliegende Studie konnte zeigen, dass die EK-Transfusion einen Risikofaktor der Kurzzeitmortalität im ACLF, aber nicht für AD Patienten darstellt. Dieses Ergebnis macht fortführende Untersuchungen zur Ursachenforschung und zur Evaluierung des richtigen Transfusionsmanagements für Patienten mit ACLF notwendig.
Langzeitergebnisse nach 10 Jahren unterstützender Parodontitistherapie: Zahnbezogene Parameter
(2022)
Ziel: Die Einschätzung der Prognose eines parodontal erkrankten Zahnes zu Beginn der unterstützenden Parodontaltherapie (UPT) ist Teil der Behandlungsplanung. Ziel dieser Studie war es, Zahnverlust bei parodontal kompromittierten Patienten über einen Zeitraum von 10 Jahren zu evaluieren und einflussnehmende zahnbezogene Risikofaktoren zu identifizieren.
Material und Methoden: Die Patienten wurden 120 ± 12 Monate nach aktiver Parodontaltherapie nachuntersucht. Zahnverlust während der UPT wurde als Hauptzielkriterium definiert. Zahnbezogene Faktoren [Pfeilerstatus, Furkationsbeteiligung (FB), Lockerungsgrad (LG), mittlere Sondierungstiefe (ST) und Attachmentlevel (AL) zu Beginn der UPT, initialer Knochenabbau (KA)] wurden mittels adjustierter logistischer Multilevel-Regressionsanalyse analysiert.
Ergebnisse: Siebenundneunzig Patienten (51 weiblich, Ø Alter 65,3 ± 11 Jahre) verloren 119 von initial 2323 Zähnen [Gesamtzahnverlust (GZV): 0,12 Zähne/Patient/Jahr] während 10 Jahren UPT, hiervon 40 aus parodontalen Gründen [parodontal bedingter Zahnverlust (PZV); 0,04 Zähne/Patient/Jahr]. Signifikant mehr Zähne wurden aus anderen Gründen extrahiert (p <0,0001). PZV (GZV) trat nur bei 5,9 % (14,7 %) der Zähne mit KA ≥ 80 % auf. Nutzung als Pfeilerzahn, FB III, LG I und II sowie mittlere ST und AL korrelierten positiv mit dem GZV. Bezüglich des PZV konnten ein FB III sowie ein LG III und mittlere AL als zahnbezogene Risikofaktoren identifiziert werden (p <0,05).
Schlussfolgerungen: Nach 10 Jahren UPT konnte ein Großteil (96,4 %) der parodontal vorerkrankten Zähne erhalten werden. Dies unterstreicht den positiven Effekt eines etablierten Behandlungskonzepts. Bereits bekannte zahnbezogene Risikofaktoren für Zahnverlust konnten bestätigt werden.
Die vorliegende Studie wurde durch die Stiftung Carolinum (Frankfurt am Main) finanziell unterstützt.
Focused electron and ion beam induced deposition (FEBID/FIBID) methods have gained significant attention in recent years because of their unique ability for the maskless fabrication of arbitrary three-dimensional shapes. Both techniques enable material deposition down to the nanoscale for applications in materials science and condensed matter physics. However, the number of suitable precursor molecules, especially for high purity deposits, is usually still very limited to date. Additionally, both the FEBID and FIBID process are very complex when assessed in detailed and the development of process-optimize, tailored precursor molecules is not yet possible.
In the first part of this work hexacarbonyl vanadium (V(CO)6) and dimanganese decacarbonyl (Mn2(CO)10) are investigated for their use in FEBID in order to complement the already existing data on transition metal carbonyl precursors. In addition, chemical vapor deposition (CVD) has been carried out to compare compositional differences for electron induced and purely thermal processes. FEBID using V(CO)6 resulted in the formation of a vanadium (oxy)carbide material with a V:C ratio of approx. 0.6-0.9. The material shows a temperature-dependent normalized electrical conductance typical for granular metals in agreement with TEM analysis. Additionally, characterization of the crystalline fractions reveals a cubic VC1-xOx phase in agreement with the phase observed in CVD thin films. Thermal decomposition using CVD yielded material of higher purity with V:C ratios of 1.1-1.3. In contrast, an insulating material with approx. 40 at% Mn is obtained for FEBID using Mn2(CO)10 as precursor with very similar compositions being observed for CVD thin films.
The second part of this work deals with the deposition of defined alloy materials by focused charged particle beam deposition. Three silyl substituted transition metal carbonyl complexes have been synthesized and tested for FEBID, FIBID and CVD. The three precursors investigated were: H3SiMn(CO)5, H3SiCo(CO)4, and H2Si(Co(CO)4)2. FEBID experiments with the manganese derivative show the selective loss of silicon, and metal/metalloid contents of up to 49 at%. Contrary, material derived from both cobalt derivatives did retain the 1:1 and 2:1 Co:Si ratios respectively, resulting in metal/metalloid contents of up to 62 at%. Temperature-dependent normalized electrical conductance measurements of as-grown and post-growth electron beam irradiated samples reveal behavior typical for granular metals except for the as-grown CoSi material which is located on the insulating side of the metal-insulator transition. Ga+-FIBID revealed H2Si(Co(CO)4)2 to be a very suitable precursor, retaining the predefined Co:Si ratio in the deposits, while significant loss of silicon was observed for H3SiCo(CO)4 derived deposits. Contrary to FEBID high metal/metalloid contents of up to 90 at% are obtained. Additionally, temperature dependent electrical properties of dicobalt silicide and the expected ferromagnetic behavior have been observed for the Co2Si-FIBID material. Further analysis enables the proposition of different dominating decomposition channels in FEBID and FIBID based on microstructural features such as bubble formation in FIBID materials.
Hintergrund: Das Vestibularisschwannom ist der dritthäufigste gutartige intrakranielle Tumor. Besonders die Entität des KOOS Grad IV Vestibularisschwannoms stellt auch in der heutigen Zeit eine große Herausforderung für die behandelnden Chirurgen dar. Hierbei gilt es, die Problematik zwischen hochgradiger Tumorresektion und gleichzeitig optimalem Funktionserhalt der beeinträchtigten Nerven zu erkennen und zu bewältigen. Unter diesen Aspekten haben wir in dieser Arbeit versucht, die aktuellen operativen Prinzipien zu bewerten, einzuordnen und eine ideale Grenze für das Resektionsausmaß zu definieren, bei dem sowohl das funktionelle Ergebnis als auch das residuale Tumorwachstum berücksichtigt werden und in einer guten Balance zueinanderstehen.
Methodik: Alle Patienten, die zwischen 2000 und 2019 in der Klinik für Neurochirurgie am Universitätsklinikum Frankfurt mit einem KOOS Grad IV Vestibularisschwannom operativ behandelt wurden, sind in die Studie eingeschlossen worden. Alle Patienten wurden über einen retrosigmoidalen Zugang und unter intraoperativem Neuromonitoring, mit dem Ziel der sub- bis annähernd totalen Tumorresektion und Funktionserhalt des N. facialis, operiert. Die zu untersuchenden Parameter umfassten, neben standardmäßigen Patienten- und Tumormerkmalen, das Resektionsausmaß, das funktionelle Ergebnis des N. facialis, N. trigeminus und der kaudalen Hirnnerven sowie die Hörfunktion. Weiterhin wurden Daten zum operativen Verlauf und zu Komplikationen erhoben und in der Nachsorge wurde regelmäßig das funktionelle Ergebnis anhand klinischer Untersuchungen, sowie das residuale Tumorwachstum durch eine Bildgebung mittels MRT bewertet.
Ergebnisse: In die finale Analyse konnten 58 Patienten eingeschlossen werden. Das mittlere Tumorvolumen betrug 17,1 ± 9,2cm3 und es konnte ein durchschnittliches Resektionsausmaß von 81,6 ± 16,8 % erreicht werden. In die Analyse der Nachsorge konnten aufgrund von fehlenden Daten nur noch 51 Patienten eingeschlossen werden. Die durchschnittliche Nachsorgezeit betrug circa 3 Jahre. In Bezug auf das residuale Tumorwachstum konnte bei 11 Patienten (21,6 %) eine Progression und bei 12 Patienten (23,5 %) eine Regression festgestellt werden. Bei 15 Patienten (29,4 %) wurde postoperativ eine adjuvante Behandlung durchgeführt, entweder durch stereotaktische Bestrahlung oder erneute Operation. Die funktionellen Ergebnisse bei Entlassung zeigten bei 38 Patienten (74,5 %) einen Erhalt der Hörfunktion und bei 34 Patienten (66,7 %) eine gute Funktion des N. facialis. Im Verlauf der Nachsorge verbesserte sich das funktionelle Ergebnis signifikant und stieg bezüglich einer guten Funktion des N. facialis auf 82,4 % an. Außerdem konnte ein ideales Resektionsausmaß von ≤ 87 % (OR 11,1) als unabhängiger Prädiktor für ein residuales Tumorwachstum definiert werden. Dagegen zeigte sich bei einem Resektionsausmaß von > 87 % nur in 7,1 % der Fälle eine Resttumorprogression in der Nachsorge (p = 0,008).
Schlussfolgerung: Die sub- bis annähernd totale Resektion stellt ein angemessenes therapeutisches Verfahren für das KOOS Grad IV Vestibularisschwannom dar und ist besonders bei jeglicher Art von Hirnstammkompressionen die Methode der Wahl. Dieses Verfahren zeigt gute Ergebnisse, vor allem in Bezug auf den Erhalt der Hörfunktion und den Funktionserhalt des N. facialis bei gleichzeitig geringen Raten an Progression des Resttumors. Bei der operativen Versorgung sollte auf ein Resektionsausmaß von > 87 % geachtet werden, um die Wahrscheinlichkeit für einen Tumorprogress möglichst zu reduzieren.
This thesis has two main parts.
The first part is based on our publication [1], where we use perturbation theory to calculate decay rates of magnons in the Kitaev-Heisenberg-Γ (KHΓ) model. This model describes the magnetic properties of the material α-RuCl 3 , which is a candidate for a Kitaev spin liquid. Our motivation is to validate a previous calculation from Ref. [2]. In this thesis, we map out the classical phase diagram of the KHΓ model. We use the Holstein-Primakoff
transformation and the 1/S expansion to describe the low temperature dynamics of the Kitaev-Heisenberg-Γ model in the experimentally relevant zigzag phase by spin waves. By parametrizing the spin waves in terms of hermitian fields, we find a special parameter region within the KHΓ model where the analytical expressions simplify. This enables us to construct the Bogoliubov transformation analytically. For a representative point in the special parameter region, we use these results to numerically calculate the magnon damping, which is to leading order caused by the decay of single magnons into two. We also calculate the dynamical structure factor of the magnons.
The second part of this thesis is based on our publication [3], where we use the functional renormalization group to analyze a discontinuous quantum phase transition towards a non-Fermi liquid phase in the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model. In this thesis, we perform a disorder average over the random interactions in the SYK model. We argue that in the thermodynamic limit, the average renormalization group (RG) flow of the SYK model is identical to the RG flow of an effective disorder averaged model. Using the functional RG, we find a fixed point describing the discontinuous phase transition to the non-Fermi liquid phase at zero temperature. Surprisingly, we find a finite anomalous dimension of the fermions, which indicates critical fluctuations and is unusual for a discontinuous transition. We also determine the RG flow at zero temperature, and relate it to the phase diagram known from the literature.
Redox homeostasis must be kept in balance for an intact redox signaling, which is necessary to control neuronal pathways such as growth cone pathfinding, synaptic plasticity and transmission (Oswald, Garnham, Sweeney, & Landgraf, 2018).
Nucleoredoxin (NXN) is an oxidoreductase and thioredoxin-like protein holding two conserved cysteine residues in its structure (Funato & Miki, 2007), which are essential for its redox-regulating functionality. The function of NXN in neurons is still less well studied. But the expression of NXN in neurons, which was confirmed through analyzing adult NXN-LacZ reporter mice, suggested a dominant functional role in neuronal pathways. Initial experiments revealed calcium-calmodulin-dependent kinase 2 a (Camk2a) as a potential interaction partner through a Yeast-2-Hybrid screen (not shown) which is the major protein to induce synaptic plasticity during neuronal activity. Therefore, neuronal expression of NXN and the potential interaction with Camk2a prompted us to investigate deeper into the neuronal pathway. The goal of this work was to confirm the interaction of Camk2a and NXN with further experiments and to characterize behavior of mice carrying a neuronal NXN deletion. To achieve a pan-neuronal depletion of NXN expression in our mouse model, we used the Cre/loxP system with a NestinCre driver. We did not achieve the expected complete deletion of NXN due to unknown compensatory mechanisms. Nevertheless, the partial deletion of NXN in our transgenic mouse model prevented embryonic lethality as occurring in complete NXN knockout mice (Funato et al., 2010). The interaction of Camk2a and NXN was confirmed through proximity ligation assay (PLA) and immunofluorescence staining of primary cortical neurons.
Investigations of the functional interaction revealed a lower redox-sensitivity of Camk2a activity in NXN-deficient brain samples. Additionally, the respiratory activity was significantly reduced in mitochondria of NXN deficient mouse brain pointing to possible dysfunctional mitochondria which is also observed in various neurodegenerative diseases, e.g.: Alzheimer, Parkinson, and Huntington disease (Norat et al., 2020). Unexpectedly, behavioral studies revealed only a subtle effect of the pan-neuronal NXN-deficiency. Significant differences between genotypes were found at the reduction of exploratory behavior and a reduced motivation for the voluntary wheel running in NesNXN-/- mice, which is normally seen as a joyful and rewarding activity. The observed behavior of NesNXN-/- mice potentially results from interaction mechanisms of NXN with Camk2a, as well as decreased oxidation of
Camk2a and further unidentified target proteins of NXN.
Conclusively, function of NXN was revealed as a non-essential redox modulator of Camk2a in neurons. The behavioral phenotype of NesNXN-/- mice is probably compensated through unknown mechanisms. Redox signaling of Camk2a in neurons is regulated through various components such as TXN or GSH, which can backup each other (Branco et al., 2017; Ren et al., 2017). NXN is an additional but not essential regulator.
Patients harboring mutations in the gene DEPDC5 often display variations of neurological diseases including epilepsy, autism spectrum disorders (ASD) and other neuro-architectural alterations. DEPDC5 protein has been identified as an amino acid sensor responsible for negatively regulating the mechanistic target of rapamycin (mTOR), a central regulator in cell growth and cell homeostasis. Often, mutations of the DEPDC5 protein result in mTOR hyperactivity leading to abnormal neuronal phenotypes and the generation of excitatory/inhibitory imbalances in animal models. Complete knockout (KO) of DEPDC5 results in death shortly after birth, while inhibition of mTOR activity recovers postnatal death (Marsan et al. 2016). However, heterozygous DEPDC5-KOs in animals have been variable in their disease phenotypes during adulthood indicating developmental differences between subspecies and early development mechanisms which could be impactful on the outcome of the diseases.
To understand the mechanisms underlying DEPDC5 mutations during early development, a novel primary human neural progenitor cell line extracted from fetal tissue was characterized during proliferation and differentiation. CRISPR-Cas9 induced mutations of the DEPDC5 gene resulted in hyperphosphorylation of mTOR signaling processes and rapid expansion of the neuronal population during differentiation. Analysis of transcriptome data identified deregulation amongst p53 signaling, ribosome biogenesis, nucleotide and lipid synthesis as well as protein degradation pathways due to loss of DEPDC5. Disease gene datasets identified a correlation between Tuberous Sclerosis mutations as being more closely associated with DEPDC5 mutations while also finding overlap with some ASD and epilepsy genes. By using the mTOR inhibitor rapamycin, a substantial amount of the deregulated gene network was recovered while also reversing rapid neuronal differentiation caused by loss of DEPDC5. Though we saw increased dendritic arborization and subsequent decreases in dendrite lengths and soma sizes, rapamycin failed to recover these effects suggesting mTOR independent processes produced by DEPDC5-KO. This study provides new insights on the relationship between mutations in DEPDC5 and the functional, genomic and deregulatory networks it intertwines in humans and highlights that the DEPDC5 associated pathomechanisms are not fully related to mTOR hyperactivation, but include independent processes. This also sheds light on the question why rapamycin treatment only partially restores DEPDC5 related phenotypes and gives insight on treatments for DEPDC5 patients.
Hintergrund. Patienten mit Gliomen, die das Corpus callosum miteinbeziehen, befinden sich häufig in einem schlechten neurologischen Zustand und werden aufgrund der Antizipation postoperativer neurologischer und neurokognitiver Defizite nur selten einer Tumorresektion unterzogen.
Ziel der Arbeit. Zielsetzung dieser Arbeit war die Untersuchung eines möglichen Vorteils der Resektion von Gliomen im Corpus callosum, unter der Annahme, dass neurokognitive Defizite vor allem durch den Tumor selbst verursacht werden.
Material & Methoden. In diese prospektive Studie wurden zwischen 01/2017 und 01/2020 21 Patienten eingeschlossen, die eine Gliomresektion im Corpus callosum erfuhren. Klinische Routinedaten als auch die neurokognitiven Funktionen der Patienten wurden prä- und postoperative sowie nach 6 Monaten erhoben.
Ergebnisse. In 15 Patienten konnte eine Komplettresektion, in 6 Patienten eine subtotale Resektion mit einem Resektionsausmaß von 97,7% erzielt werden. Während der medianen Beobachtungszeit von 12,6 (2,0 – 30,9) Monaten starben 8 Patienten mit einem Glioblastom ZNS WHO Grad 4 und 1 Patient mit einem Astrozytom ZNS WHO Grad 4 nach im Median von 17 (3,8 – 20,6) Monaten, während 12 Patienten nach im Median 9,4 (2,0 – 30,9) Monaten noch am Leben waren.
Präoperativ wiesen bis zu zwei Drittel aller Patienten Beeinträchtigungen in allen kognitiven Domänen auf, trotz eines medianen Karnofsky Performance Scores von 100% (Spanne 60-100%). Postoperativ wurde in allen neurokognitiven Domänen ein zunehmender Anteil an Patienten mit Einschränkungen beobachtet. Nach 6 Monaten zeigte sich jedoch, dass signifikant weniger Patienten Beeinträchtigungen in den Domänen Aufmerksamkeit, Exekutivfunktionen, Gedächtnis und Depression aufwiesen – Funktionen, die für den Alltag der Patienten von höchster Bedeutung sind.
Fazit. Die Resultate dieser Studie unterstützen unsere Hypothese, dass für Patienten mit Gliomen, die das Corpus callosum miteinbeziehen, der Vorteil einer Tumorresektion das Risiko neuer Defizite überwiegt.
Die Niere ist das in Deutschland am häufigsten transplantierte Organ. Patienten nach Nierentransplantation haben aufgrund der notwendigen Immunsuppression ein erhöhtes Risiko für Infektionen. Die häufigste Infektion nach einer Nierentransplantation ist die Harnwegsinfektion, eine lebensbedrohliche Verlaufsform mit Entwicklung von Organdysfunktionen bezeichnet man als Urosepsis. Durch die Immunsuppression kann die Erkennung des septischen Krankheitsbildes erheblich erschwert sein, da typische körperliche Reaktionen auf eine Infektion unter Immunsuppression (z.B. Fieber, Tachykardie) verändert ablaufen.
Im Rahmen einer Sepsis laufen parallel pro- und antiinflammatorische Prozesse ab. Ein Überwiegen der antiinflammatorischen Prozesse kann zur Entwicklung einer „Sepsis-induzierten Immunsuppression“ führen, welche ein deutliches Mortalitätsrisiko darstellt, da sie zur fehlenden Sanierung des Infektionsfokus sowie zur Entwicklung sekundärer (z.T. opportunistischer) Infektionen führen kann. Ein zentraler antiinflammatorischer Prozess ist die Apoptose von CD4 und CD8 Lymphozyten. Die Möglichkeit der therapeutischen Beeinflussung dieses immunsupprimierten Zustandes ist aktuell Gegenstand zahlreicher Studien. Ziele der vorliegenden Arbeit waren die Überprüfung, ob sich der Abfall der Lymphoyztenzahl/eine Lymphopenie im Rahmen einer Infektionsepsiode auch in der immunsupprimierten Patientenklientel nach Nierentranplantation darstel-len lässt. Des Weiteren sollte diskutiert werden, ob der Nachweis einer reduzierten CD4/8 Lymphozytenzahl geeignet sein kann, diagnostisch die Infektionssituation einzuschätzen und ggf. die immunsuppressive Therapie anzupassen.
In dieser retrospektiven Kohortenanalyse wurden die Daten von nierentransplantierten Patienten ausgewertet, welche in den Jahren 2010 und 2011 im Universitätsklinikum der Goethe-Universität Frankfurt am Main aufgrund einer Harnwegsinfektion (n=47) oder Urosepsis (n=75) behandelt wurden. Es erfolgte ein Ver-gleich der CD4/CD8 Lymphozytenzahl vor, während und nach einer Infektions-episode. Ergänzend wurden die Häufigkeit einer CMV-Reaktivierung/-Infektion sowie das ursächliche bakterielle Erregerspektrum mit zugehörigem Antibiotika-resistenzmuster erhoben.
Sowohl Patienten mit Urosepsis als auch mit Harnwegsinfektion zeigten einen signifikanten Abfall der CD4 Lymphozyten im Rahmen der Infektionsepisode (p<0,01; p<0,05). Patienten mit Urosepsis zeigten zudem einen signifikanten Abfall der CD8 Lymphozyten (p<0,01). Patienten mit Erregernachweis in der Blutkultur zeigten signifikant niedrigere CD4/8 Lymphozyten während der Infek-tionsepisode (p<0,05) als Patienten mit negativer Blutkultur. Eine niedrige CD4/8 Lymphozytenzahl korrelierte besser mit einem Erregernachweis mittels Blutkultur als das Erfüllen der SIRS Kriterien. Mit Behandlung der Infektionsepi-sode zeigte sich ein Wiederanstieg der CD4/8 Lymphozytenzahlen. Unter Re-duktion/Pausieren der immunsuppressiven Therapie kam es zu keiner Abstoßungsreaktion/keinem Versterben eines Patienten im Rahmen der Infektionsepisode. Zu einem CMV-DNA Nachweis kam es bei 15 Patienten (20%) der Gruppe Urosepsis sowie 8 Patienten (17%) der Gruppe Harnwegsinfektion während der Infektionsepisode. Sowohl in Urin- als auch Blutkulturen waren E.coli gefolgt von Enterokokken die häufigsten nachgewiesenen Erreger. E.coli fanden sich signifikant häufiger in Urin- und Blutkulturen bei Urosepsis, Enterokokken signifikant häufiger in Urinkulturen bei Harnwegsinfektionen. Es zeigten sich hohe Antibiotikaresistenzraten insbesondere gegenüber Cotrimoxazol (59% der E.coli) und Fluorchinolonen (45% der E.coli, 82% der Enterokokken). 11% der E.coli und 62% der Klebsiellen waren als 3MRGN Erreger zu klassifizieren, 15% der Klebsiellen als 4MRGN mit Carbapenemresistenz.
Zusammenfassend lässt sich auch bei immunsupprimier-ten/nierentransplantierten Patienten im Rahmen einer Infektionsepisode ein signifikanter Abfall der CD4/8 Lymphozyten nachweisen. Das Reduzieren/Pausieren der immunsupressiven Therapie erscheint anhand der vorgelegten Daten sinnvoll, ein Monitoring der CD4/8 Lymphozytenzahl könnte zur Therapiesteuerung geeignet sein. Im Rahmen weiterer prospektiver Studien könnte eine Erarbeitung eines festen Schemas der Anpassung der immunsuppressiven Therapie an eine bestimmte CD4/8 Lymphozytenzahl sinnvoll sein. Passend zur Vergleichsliteratur waren E.coli und Enterokokken die am häufigsten nachgewiesenen Erreger. Die hohen Antibiotikaresistenzmuster unterstreichen die Notwendigkeit, das lokale Erregermilieu zu kennen, um möglichst passend kalkuliert antibiotisch behandeln zu können.
Many countries have restricted public life during the SARS-CoV2 pandemic. As related measures limited the access to sports facilities, this dissertation aimed (1) to examine changes in physical activity (PA) and well-being in affected countries, and (2) to determine the effectiveness of a digital home exercise program in this context.
Part 1 (PA/well-being) of the dissertation was a digital survey administered in 14 countries. Participants reported a 41 - 42% reduction of PA (NPAQ-SF) during restrictions (n=13,503 valid responses). Compliance with international PA guidelines decreased by nearly 19%. Mental well-being declined substantially (n=14,975 responses; 68.1 to 51.9 points on the WHO5 index) and the proportion of individuals at risk of depression tripled (14.2% to 45.2%). Physical well-being (SF-36 Pain) decreased slightly (85.8% to 81.3%). About two thirds (68.1%) of the respondents reported being interested in digital home exercise.
For Part 2 (digital home exercise) of the dissertation, an international multicenter randomized, controlled trial was performed allocating healthy adults (n=763; 33±12 years) to an intervention (IG) or control (CG) group. In contrast to the CG, the IG was offered live-streamed home exercise for four weeks. Subsequently, both groups had access to pre-recorded workouts for another four weeks. Outcomes were measured weekly using validated questionnaires. Mixed-models data analyses revealed an up to 1.65-fold (95% CI: 1.4-1.94; week 1) increase of PA relative to the CG. Moreover, small improvements in exercise motivation (SKK scale), psychological well-being (WHO-5 index), sleep quality (MOS Sleep Scale), and anxiety symptoms (GAD-7 Scale) were observed for IG.
The results of this dissertation suggest that public life restrictions associated with the pandemic had significant adverse effects on movement behavior and well-being. Digital home exercise can help to maintain and/or increase health- beneficial PA and well-being and may hence represent a supportive element of viral containment efforts.
As one of the most widespread infectious diseases in the world, it is currently estimated that approximately 296 million people globally are chronically infected with Hepatitis B virus (HBV), the consequences of HBV infection cause more than 620,000 deaths each year. Although safe and effective HBV vaccines have reduced the incidence of new HBV infections in most countries, there are still around 1.5 million new infections each year. HBV remains a major health problem because there is no large-scale effective vaccination strategy in many countries with a high burden of disease, many people with chronic HBV infection are not receiving effective and timely treatment, and a complete cure for chronic infection is still far from being achieved.
Since its discovery, HBV has been identified as an enveloped DNA virus with a diameter of 42 nm. For efficient egress from host cells, HBV is thought to acquire the viral envelope by budding into multivesicular bodies (MVBs) and escape from infected cells via the exosome release pathway. It is clear that HBV hijacks the host vesicle system to complete self-assembly and propagation by interacting with factors that mediate exosome formation. Consequently, the overlap with exosome biogenesis, using MVBs as the release platform, raises the possibility for the release of exosomal HBV particles. Currently, virus containing exosomal vesicles have been described for several viruses. In light of this, this study explored whether intact HBV-virions wrapped in exosomes are released by HBV-producing cells.
First, this study established a robust method for efficient separation of exosomes from HBV virions by a combination of differential ultracentrifugation and iodixanol density gradient centrifugation. Fractionation of the density gradient revealed that two populations of infectious viral particles can be separated from the culture fluids of HBV-producing cells. The population present in the low-density peak co-migrates with the exosome markers. Whereas the population that appeared in the high-density fractions was the classical HBV virions, which are rcDNA-containing nucleocapsids encapsulated by the HBV envelope.
Subsequently, the characterization of this low-density population was performed, namely the highly purified exosome fraction was systematically investigated. Relying on the detergent sensitivity of the exosome membrane and the outer envelope of the HBV virus, disruption of the exosome structure by treatment with limited detergent revealed the presence of HBsAg in the exosomes. At the same time, mild and limited NP-40 treatment of highly purified exosomes and a further combination of density gradient centrifugation resulted in the stepwise release of intact HBV virions and naked capsids from the exosomes generated by HBV-producing cells. This implies the presence of intact HBV particles encapsulated by the host membrane.
The presence of exosome-encapsulated HBV particles was consequently also verified by suppressing the morphogenesis of MVBs or exosomes. Impairment of MVB- or exosome-generation with small molecule inhibitors has significantly inhibited the release of host membrane-encapsulated HBV particles as well. Likewise, silencing of exosome-related proteins caused a diminution of exosome output, which compromised the budding efficiency of wrapped HBV.
Moreover, electron microscopy images of ultra-thin sections combined with immunogold staining visualized the hidden virus in the exosomal structure. Additionally, the presence of LHBs on the surface of exosomes derived from HBV-expressing cells was also observed.
As expected, these exosomal membrane-wrapped HBV particles can spread productive infection in differentiated HepaRG cells. In HBV-susceptible cells, as LHBs on the membrane surface, this type of exosomal HBV appeared to be uptaken in an NTCP receptor-dependent manner.
Taken together these data indicate that a fraction of intact HBV virions can be released as exosomes. This reveals a so far not described release pathway for HBV. Exosomes hijacked by HBV act as a transporter impacting the dissemination of the virus.
The majority of B-cell precursor acute leukemias in infants are associated with the chromosomal translocation t(4;11)(q21;q23), resulting in the fusion of the mixed-lineage leukemia (MLL) and ALL1-fused gene of chromosome 4 (AF4) genes. While the fusion protein MLL-AF4 is expressed in all t(4;11) patients and essential for leukemia progression, the distinct role of the reciprocal fusion protein AF4-MLL, that is expressed in only 50-80% of t(4;11) leukemia patients (Meyer et al., 2018), remains unclear. In addition, t(4;11) leukemia could so far exclusively be generated in vivo in the presence of AF4-MLL and independent of the co-expression of MLL-AF4 (Bursen et al., 2010).
In a multifactorial approach inhibiting histone deacetylases (HDACs) and expressing the dominant negative mutation of Taspase1 (dnTASP1), both MLL fusion proteins were targeted simultaneously to evaluate a possible cooperative effect between MLL-AF4 and AF4-MLL during the progression of leukemia. Of note, neither HDACi nor dnTASP1 expression negatively affect endogenous MLL, but rather endorse its function hampered by the MLL fusion proteins (Ahmad et al., 2014; Bursen et al., 2004; Zhao et al., 2019). The mere expression of dnTASP1 failed to induce apoptosis, whereas dnTASP1 could elevate apoptosis levels significantly in HDACi-treated t(4;11) cells underlining the therapeutic potential of co-inhibiting both MLL fusion proteins.
Next, the impact of inhibiting either MLL-AF4 or AF4-MLL in vivo was resolved using whole transcriptome analysis. In PDX cells obtained by the Jeremias Laboratory (Völse, 2020) that co-expressed both t(4;11) fusion proteins, the knock-down of MLL-AF4 revealed the down-regulation of pivotal hemato-malignant factors. The expression of dnTASP1 led to massive deregulation of cell-cycle genes in vivo. Considering that the inhibition of particularly MLL-AF4 but not AF4-MLL impaired leukemic cell growth in vivo (Völse, 2020), the results of this work suggest a cooperative effect between both fusion proteins, while the loss of AF4-MLL during leukemia progression appears not essential.
Thereafter, a possible short-term role of AF4-MLL during the establishment of t(4;11) leukemia was analyzed. For this purpose, an in vitro t(4;11) model was constructed to investigate the transforming potential of transiently expressed AF4-MLL in cells constitutively expressing MLL-AF4, putatively reflecting the situation in vivo. Due to the lack of a leukemic background of the applied cell line, the aim was to investigate the long-term potential of AF4-MLL to significantly alter the epigenome rather than mimicking the development of leukemia. Strikingly, short-term-expressed AF4-MLL in cooperation with MLL-AF4 exerted durable epigenetic effects on gene transcription and chromatin accessibility. The here obtained in vitro data suggest a clonal evolutionary process initiated by AF4-MLL in a cooperative manner with MLL-AF4. Importantly, no long-term changes in chromatin accessibility could be observed by the transient expression of either MLL-AF4 or AF4-MLL alone.
All in all, considering endogenous MLL, MLL-AF4 and AF4-MLL in a targeted treatment is a promising approach for a more tailored therapy against t(4;11) leukemia, and AF4-MLL is suggested to act in a cooperative manner with MLL-AF4 especially during the development of a t(4;11) leukemia.
The health status of every nucleated cell in the human body is monitored through peptides presented by major histocompatibility complex class I (MHC I) to T-cell receptors of CD8+ T-cells. Thereby, the adaptive immune system ensures the recognition and elimination of infected or cancerous cells. MHC I molecules comprise the polymorphic heavy chain (hc) and the light chain β2-microglobulin (β2m). More than 13,000 allomorphs of the MHC I hc have been identified. All MHC I hcs associate with β2m but differ in their binding preferences for peptides, ensuring the presentation of a large peptide pool. After maturation of MHC I hc/β2m heterodimers in the endoplasmic reticulum (ER), most of the peptide-deficient MHC I molecules are recruited to the peptide-loading complex (PLC). There, they go through peptide loading and editing before they are released as stable peptide-MHC I (pMHC I) complexes and traffic to the cell surface for antigen presentation.
During the stringent quality control of MHC I peptide loading and editing within the PLC, the chaperone tapasin in conjunction with the oxidoreductase ERp57 stabilizes peptide-receptive MHC I molecules and alters the peptide cargo for high immunogenicity by catalyzing peptide-exchange. The tapasin-homologue TAP-binding protein related (TAPBPR) is involved in downstream quality control, editing the peptide repertoire of MHC I molecules that slipped through peptide proofreading by tapasin. Both chaperones were shown to adopt similar binding-modes for MHC I, suggesting related mechanisms of peptide editing. Nevertheless, the MHC I specific chaperones operate in different subcellular locations with differing assistance. While TAPBPR mediates peptide-exchange solely in the peptide-poor environment of the cis-Golgi and ER-Golgi intermediate compartment (ERGIC), tapasin functions mainly within the PLC together with ERp57 and the lectin-like chaperone calreticulin. Calreticulin with its lectin-, arm- and C-terminal domain contacts the MHC I heterodimer, ERp57 and the C-terminal domain of tapasin, respectively. Notably, the interaction site between calreticulin and tapasin has not yet been elucidated experimentally at molecular detail. The depletion of tapasin leads to a compromised immune response and a change in the pool of peptide cargo. The numerous MHC I allomorphs vary in their plasticity and their dependence on tapasin for the loading of optimal peptides. Moreover, the conformational plasticity of MHC I correlates with their dependence on tapasin. However, the molecular basis on how tapasin edits the various MHC I allomorphs and the structural features that are essential for peptide exchange catalysis at atomic resolution remained elusive.
In the first part of this thesis, the trimeric complex of tapasin–ERp57/calreticulin was analyzed. To this end, laser induced liquid bead ionization mass spectrometry (LILBID-MS) was performed as part of a collaboration and revealed the trimeric assembly for tapasin–ERp57 and calreticulin. Furthermore, additional to a wildtype construct of calreticulin, a second construct, lacking the acidic helix of calreticulin that was found to come to close contact with tapasin, was utilized for isothermal titration calorimetry (ITC). A micromolar affinity of wildtype calreticulin to tapasin–ERp57 was determined. Previous biochemical and NMR studies utilizing the P-domain of calreticulin and solely ERp57 provided a micromolar affinity for the complex of calreticulin and ERp57. In this study, no interaction of calreticulin lacking the acidic helix with tapasin–ERp57 could be measured by ITC. However, these results undergo with findings that calreticulin lacking the acidic helix impairs the function of the PLC. Most likely, the negatively charged acidic helix is located in a groove of tapasin, carrying a more positive charge. Taken together, the functional data demonstrates the importance of the acidic helix of calreticulin for assembly of the trimeric subunit of calreticulin/tapasin–ERp57.
In the main part of this study an MHC I–tapasin–ERp57 complex was structurally analyzed. Therefore, a photo-triggered approach was chosen to assemble the transient complex of MHC I–tapasin–ERp57. Various allomorphs were screened for complex formation with the tapasin–ERp57 heterodimer after photocleavage by size exclusion chromatography (SEC), resulting in mouse MHC I H2-Db as the suited allomorph. Microseed matrix screening was performed. Crystals diffracting X-rays to a resolution of 2.7 Å were obtained showing one tetrameric tapasin–ERp57–MHC I complex per asymmetric unit.
The MHC I-chaperone structure shows molecular rearrangements upon MHC I engagement and unveils structural features of tapasin, involved in peptide-exchange catalysis...