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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.
In welchen Situationen steht ein Tier unter Stress und wie beeinflusst Stress dessen Wohlbefinden? Dies sind die Kernfragen, mit denen Zoos konfrontiert sind, wenn es darum geht, den Bedürfnissen ihrer Tiere gerecht zu werden. Die Beantwortung dieser Fragen ist jedoch angesichts der großen individuellen Variabilität des Inputs, der Stress hervorrufen kann,und des Outputs, der das Wohlbefinden bestimmt, eine Herausforderung. Um diese Herausforderung zu meistern, brauchen Zoos Kenntnisse darüber, welche Haltungsbedingungen und Managementsituationen Verhaltens-, physiologische oder emotionale Veränderungen hervorrufen, sowohl positive als auch negative. Dies trifft insbesondere auf Arten zu, die aufgrund ihrer Biologie und des großen öffentlichen Interesses große Anforderungen an das Management in Menschenobhut stellen, wie den Afrikanischen Elefanten. Die vorliegende Arbeit hatte daher das Ziel, unter Berücksichtigung der individuellen Variation die Auswirkungen bestimmter Managementsituationen auf physiologischen Stress und das Wohlbefinden der Tiere zu evaluieren.
Für diese Arbeit wurden zehn Afrikanische Elefanten aus drei Zoos im Rahmen eines Experiments in 2016 und 2017 mehrmals untersucht. Dieses Experiment umfasste zum einen die Messung von physiologischem Stress auf der Basis der Konzentration des „Stresshormons“ Cortisol im Speichel der Elefanten. Zu diesem Zweck wurden an bestimmten Tagen und zu folgenden Zeitpunkten Speichelproben entnommen: morgens, nachmittags vor und mehrmals nach einer von zwei Managementsituationen (positives Verstärkungstraining [PRT] und neuartiges Enrichmentobjekt [NOV]). Zum anderen diente die Exposition gegenüber dem neuartigen Enrichmentobjekt als sogenannter Novel Object Test. Dieser Standardtest der Persönlichkeitsforschung bei Tieren deckte bei anderen Arten konsistente Verhaltensunterschiede zwischen Individuen auf. Um zu untersuchen, ob dies auch auf Afrikanische Elefanten zutrifft, wurden die individuellen Verhaltensreaktionen auf das neuartige Objekt aufgezeichnet. Darüber hinaus wurden unabhängig von dem Experiment vor und nach einem Transport jeweils morgens und nachmittags Speichelproben von dem transferierten Tier und von zwei Tieren im Bestimmungszoo gesammelt, um den Effekt dieses potenziellen Stressors auf die individuellen Cortisolspiegel zu untersuchen.
Publikation A zeigt, dass die Elefanten unter den Bedingungen des Routinemanagements (das heißt dem routinemäßigen Tagesablauf der Tierpflege) am Morgen signifikant höhere Cortisolwerte im Speichel aufwiesen als am Nachmittag. Diese diurnale Variation der Cortisolsekretion ist typisch für tagaktive Arten und wurde daher auch für die untersuchten Elefanten erwartet. Unter Stressbedingungen wurde weder ein signifikanter Unterschied zwischen den Cortisolspiegeln vor und nach dem Transport noch zwischen den Cortisolwerten am Morgen und am Nachmittag festgestellt. Der prozentuale Unterschied zwischen dem morgendlichen und nachmittäglichen Cortisolspiegel war jedoch beim transferierten Tier nach dem Transport wesentlich geringer als vor dem Transport, was möglicherweise auf eine Stressreaktion auf den Transport und die Eingewöhnung im neuen Zoo hindeutet. Darüber hinaus zeigten sich deutliche Cortisolanstiege unmittelbar nach der ersten Zusammenführung des transferierten Tiers mit dem Bullen im neuen Zoo. Dieses Ergebnis demonstriert zum einen, dass Cortisol physiologischen Stress widerspiegelt. Zum anderen zeigt es die Notwendigkeit, zeitnah nach einem Stressor Speichelproben zu entnehmen, was nach dem Transport nicht möglich war.
Die Studie in Manuskript B zeigt unterschiedliche durchschnittliche Zeitverläufe der Cortisolantworten im Speichel auf die Managementsituationen PRT und NOV. PRT könnte aufgrund des beobachteten cortisolsenkenden und damit potenziell stresspuffernden Effekts förderlich für das Wohlbefinden sein. NOV induzierte im Mittel eine moderate, kurzfristige Cortisolantwort. Dies deutet darauf hin, dass die Tiere geringem physiologischem Stress ausgesetzt waren, mit dem sie jedoch erfolgreich umgehen konnten. Außerdem bestand eine bemerkenswerte individuelle Variation in den Cortisolverläufen in derselben Situation. Die Unterschiede im Cortisolspiegel zwischen den Tieren hingen mit dem Alter (bei NOV) und dem Zoo (bei PRT) zusammen. Der Effekt des Geschlechts und des Haltungssystems auf den Cortisolspiegel war hingegen variabel. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die individuelle Variation der Cortisolsekretion unbedingt berücksichtigt werden muss, um physiologischen Stress zuverlässig zu erkennen.
Die Studie in Manuskript C ergab, dass sich die untersuchten Tiere im Novel Object Test konsistent in ihrem Verhalten gegenüber einem neuartigen Objekt unterschieden. Dieses Ergebnis zeigt, dass der Novel Object Test auch bei Elefanten genutzt werden kann, um die Persönlichkeit der Tiere zu untersuchen...
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.
Fallzahlaufkommen und Qualitätsindikatoren bei der Versorgung des abdominellen Bauchaortenaneurysmas
(2021)
Hintergrund: Der MTL30 ist ein Surrogatparameter, der bisher in visceralchirurgischen Registern verwendet wird, um eine Prognose über die Qualität verschiedener komplikationsträchtiger Eingriffe abzugeben. Der Marker wird als positiv gewertet, wenn ein Patient am 30. postoperativen Tag verstorben (mortality) ist, in ein anderes Akutkrankenhaus verlegt (transfer) werden musste oder weiterhin im Krankenhaus verweilen muss (length of stay >30 days).
Zielsetzung: In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob der MTL30 eine Aussage über die Qualität der operativen Versorgung des Bauchaortenaneurysmas (AAA) abgeben kann. Dazu sollten Kliniken mit unterschiedlichem Fallaufkommen hinsichtlich Letalität und MTL30 miteinander verglichen werden. Zusätzlich sollten Literaturempfehlungen zu Mindestmengen des Fallaufkommens überprüft werden.
Methodik: Insgesamt wurden 18.205 elektive Eingriffe aus dem AAA- Register des Deutschen Instituts für Gefäßmedizinische Gesundheitsforschung (DIGG) der Deutschen Gesellschaft für Gefäßchirurgie und Gefäßmedizin (DGG) analysiert. 14.282 Patienten wurden mittels endovaskulärer Aortenaneurysmaversorgung (EVAR) und 3.923 Patienten mittels offener Versorgung (OAR) behandelt. Die Ergebnisse wurden zum Fallaufkommen der Kliniken in Beziehung gesetzt.
Ergebnisse: Weder für die Letalität noch für den MTL30-Wert konnten Volumen- Ergebnisbeziehungen gefunden werden. Bei EVAR lag die Sterblichkeit im Quintil 1 des Fallaufkommens bei 1,0% und im Quintil 5 bei 1,3%. Auch beim MTL30 ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zwischen Quintil 1 und 5, der MTL30 belief sich jeweils auf 5,3%. Bei OAR war die Klinikletalität in dem Quintil mit dem geringsten Fallaufkommen (Quintil 1) mit 5,8% verglichen mit Quintil 5 (höchstes Fallaufkommen, Klinikletalität 3,5%) im Trend höher, aber nicht signifikant unterschiedlich (p= 0,505). Auch bei OAR korrelierte der MTL30 nicht mit dem Fallaufkommen (Quintil 1: 16,4% vs. Quintil 5:12,2%, p=0,110). Jedoch korrelierte die Liegedauer bei EVAR und OAR sowohl mit der Letalität (EVAR: Quintil 1 der Liegezeit 1,69% vs. Quintil 5 1,02%, p= 0,042; OAR: Quintil 1: 6,78% vs. Quintil 5: 2,16%, p= 0,000) als auch mit dem MTL30 (EVAR: Quintil 1 der Liegezeit 7,35% vs. Quintil 5 2,85%, p=0,000; OAR: Quintil 1 26,28% vs. Quintil 5 5,19%, p= 0,000).
Folgerung: Es konnte weder bei EVAR noch bei OAR ein Zusammenhang zwischen dem jährlichen Fallaufkommen und der Letalität bzw. dem MTL30 gefunden werden. Ob der MTL30 gegenüber der alleinigen Erfassung der Klinikletalität als Qualitätsparameter einen Zusatznutzen bietet, muss offenbleiben. Ein vielversprechenderer Marker scheint die stationäre Liegedauer zu sein, die zusätzlich zur Letalität als Qualitätsparameter verwendet werden könnte.
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...
Acne inversa ist eine chronisch entzündliche Hauterkrankung der Terminalhaarfollikel und Talgdrüsen, die sich zu schmerzhaften tiefsitzenden Knoten entwickelt, welche in Abszessen und Fistelgängen resultieren können und mit starken Schmerzen und psychischen Belastungen für die Patienten einhergehen. Die Pathophysiologie der AI ist bisher nur unzureichend verstanden. Es wird angenommen, dass die IL-23-TH17-IL-17-Achse eine wichtige Rolle in der Pathogenese der AI spielt. Neben der Hyperkeratose im Bereich des Terminalhaarfollikels scheinen die entzündlichen Infiltrate im Bereich der Epidermis eine psoriasiforme Hyperplasie zu induzieren. In vorangegangenen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass der mTORC1-Signalweg (mammalian target of rapamycin complex 1), welcher durch Zytokine wie IL-1β, TNF-α und IL-17A aktiviert wird, in der Pathogenese der Psoriasis vulgaris von großer Bedeutung ist. Aufgrund immunologischer und histologischer Gemeinsamkeiten beider Erkrankungen ist es denkbar, dass der mTORC1-Signalweg ebenfalls bei der Pathogenese und Progression der AI eine Rolle spielt, was im Rahmen dieser Arbeit untersucht werden sollte. Immunhistochemische Färbungen für phosphorylierte Komponenten des Signalwegs zeigten eine stark erhöhte mTORC1-Aktivität in den AI-Läsionen. Diese war abhängig vom Schweregrad der AI-Läsion sogar teilweise höher als in der Psoriasis vulgaris. Die starke Aktivierung der mTORC1-Kaskade korrelierte mit Stellen, die eine aberrante Expression von Differenzierungs-, Proliferations- und Entzündungsmarkern aufwiesen. Auffällig war ebenfalls die starke STAT3-Aktivierung, welche durch erhöhte Phosphorylierung an Y705 und S727 gemessen werden konnte und auch auf eine Beteiligung dieses Signalwegs an der Pathogenese hindeutet. Da es Hinweise auf Überschneidungen zwischen dem mTORC1-Signalweg und der ebenfalls in der Psoriasispathogenese involvierten STAT3- Kaskade gibt, wurde dieser Zusammenhang untersucht. Es konnte in vitro gezeigt werden, dass psoriasis-typische Zytokine eine Phosphorylierung von STAT3 an S727 induzieren, was durch die Behandlung mit dem mTOR-Inhibitor Rapamycin gehemmt werden konnte.
Zusammenfassend deuten die hier gewonnenen Daten darauf hin, dass der PI3-K/Akt/mTOR-Signalweg, aber auch die JAK/STAT3-Kaskade eine entscheidende Rolle in der Acne inversa-Pathogenese spielen und damit potenziell neue Angriffspunkte für die Entwicklung neuer Therapien darstellen können. Damit geben die gezeigten Ergebnisse vielversprechende Ansatzpunkte um pharmakologisch gut etablierte Medikamente wie z.B. Sirolimus oder Tofacitinib als neue Ansätze für die AI-Therapie weiter zu untersuchen.