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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.
Ausgangspunkt der Forschungsarbeit ist der Gebrauch von Gesten in mathematischen Interaktionen von Lernenden. Es wird untersucht, inwiefern Gesten Teil des mathematischen Aushandlungsprozesses sind. Damit ist die Rekonstruktion einer potentiell fachlichen Bedeutung des Gestengebrauchs beim Mathematiklernen das zentrale Forschungsanliegen.
Theoretisch gerahmt wird die Arbeit von Erkenntnissen aus der psychologisch-linguistischen Gestenforschung zur systematischen Beschreibung von Gestik im Zusammenspiel mit der gleichzeitig geäußerten Lautsprache (McNeill, 1992; Kendon, 2004). Es werden ebenso ausgewählte Forschungen zur Gestik beim Mathematiklernen beleuchtet (Arzarello, 2006; Wille, 2020; Kiesow, 2016). Die mathematikdidaktische Interaktionstheorie begründet den sozial-konstruktivistischen Lernbegriff (Krummheuer, 1992). Ausgewählte Aspekte der Semiotik nach C. S. Peirce bieten eine theoretische Fundierung des Zeichenbegriffs und des Kerns mathematischen Agierens, verstanden als diagrammatisches Arbeiten (Peirce, 1931, CP 1.54 u. 1932, CP 2.228).
Von besonderer Bedeutung für die vorliegende Forschungsarbeit ist der linguistische Ansatz der Code-Integration und -Manifestation von redebegleitenden Gesten im Sprachsystem nach Fricke (2007, 2012) in Verbindung mit dem Peirce’schen Diagrammbegriff. Diese Perspektive ermöglicht eine theoretische Fundierung der zunächst empirisch beobachtbaren Multimodalität der Ausdrucksweisen von Lernenden beim gemeinsamen Mathematiktreiben. Der Peirce’sche Diagrammbegriff dient hierbei zur Rekonstruktion einer systemischen Relevanz von Gesten für das Betreiben von Mathematik: Bestimmte Gesten sind semiotisch als mathematische Zeichen beschreibbar und haben potentiell konstituierende Funktion für das diagrammatische Arbeiten der Lernenden. Der übergeordnete Forschungsfokus lautet: Wie nutzen Grundschüler*innen Gestik und Lautsprache, insbesondere in deren Zusammenspiel, um ihre mathematischen Ideen in den interaktiven Aushandlungsprozess einzubringen und über den Verlauf der Interaktion aufzugreifen, möglicherweise weiterzuentwickeln oder auch zu verwerfen? In der Ausdifferenzierung wird die Funktion der verwendeten Gesten und die Rekonstruktion von potentiell gemeinsam gebrauchten Gesten der Interagierenden in den Blick genommen.
Methodisch lässt sich die Forschungsarbeit der qualitativen Sozialforschung (Bohnsack, 2008) bzw. der interpretativen mathematikdidaktischen Unterrichtsforschung zuordnen (Krummheuer & Naujok, 1999). Es werden Beispiele aus mathematischen Interaktionssituationen ausgewertet, in denen sich Paare von Zweitklässler*innen mit einem mathematischen Problem aus der Kombinatorik und der Geometrie beschäftigen. Eine eigens theoriekonform entwickelte Transkriptpartitur dient zur Aufarbeitung der Videodaten. Mit der textbasierten Interaktionsanalyse (Krummheuer, 1992) und der grafisch angelegten Semiotischen Analyse (Schreiber, 2010) in einer Weiterentwicklung der Semiotischen Prozess-Karten (Huth, 2014) werden zwei hierarchisch aufeinander aufbauende Analyseverfahren verwendet.
Zentrale Forschungsergebnisse sind 1) die funktionale und gestalterische Flexibilität des Gestengebrauchs beim diagrammatischen Arbeiten der Lernenden, 2) die Rekonstruktion von Modusschnittstellen der Gesten mit anderen Ausdrucksmodi in Funktion, interaktionaler Bedeutungszuschreibung und Chronologie, und 3) die häufige Verwendung der Gesten als Modus der Wahl der Lernenden in mathematischen Interaktionen. Gesten weisen eine unmittelbare und voraussetzungslose Verfügbarkeit auf, eine funktionale und gestalterische Flexibilität in der mathematischen Auseinandersetzung und die Möglichkeit, Funktionen anderer Modi (vorübergehen) zu übernehmen. Es zeigt sich eine konstitutive und fachliche Bedeutung der Gestik für das mathematisch-diagrammatische Agieren der Lernenden. In der Arbeit wird daraus schließlich das doppelte Kontinuum der Gesten für das Mathematiklernen entwickelt. Es zeigt in der Dimension der Funktion des Gestengebrauchs und der Dimension des Objektbezugs der Gestengestalt die Vielfältigkeit der Gestenfunktionen im gemeinsamen diagrammatischen Arbeiten der Lernenden und gibt Einblick in die verwendeten Gestengestalten.
Die Forschungsarbeit offenbart den Bedarf einer Beachtung von Gesten in der fachdidaktischen Planung und Gestaltung von Mathematikunterricht und in der Erforschung und Diagnostik der mathematischen Entwicklung von Lernenden. Es handelt sich bei Gesten in mathematischen Interaktionen nicht um ein reines Beiwerk der Äußerung, sondern um einen fachlich bedeutsamen Modus in Bezug auf das Mathematiklernen. Der Gebrauch von Gestik ermöglicht die Erzeugung von Diagrammen im Handumdrehen und eröffnet perspektivisch eine Erforschung ihrer Bedeutung für mathematische Lehr-Lern-Prozesse.
Die in dieser Zusammenfassung angegebene Literatur findet sich im Literaturverzeichnis der vorgelegten Forschungsarbeit.
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...