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Der Konflikt von Tradition und Moderne in der Avantgarde. Dargestellt in den Romanen La vie secrète und Visages cachés von Salvador Dalí, Hebdemeros und Monsieur Dudron von Giorgio de Chirico sowie Caravansérail von Francis Picabia
Die Arbeit setzt sich anhand der Frage des Konfliktes von Tradition und Moderne mit den Prosawerken Dalís, Chiricos und Picabias auseinander. Zusätzlich wird der Medienwechsel der ursprünglich bildenden Avantgardekünstler hin zur Sprache als Ausdrucksform thematisiert: die Frage nach veränderten literarischen Möglichkeiten durch die bildlich geprägte Perspektive der Künstler, verbunden mit der Frage nach Traditionen und Mythologien. Darüber hinaus wird erörtert, inwieweit die als „Ego-Dokumente“ konzipierten Texte Rückschlüsse auf die Biographien der Verfasser zulassen.
Caravansérail, Picabias fragmentarischer Roman präsentiert sich dem Titel entsprechend als Umschlagplatz eines Spektrums literarischer Konzepte, vergegenwärtigt durch die literarische Prominenz der Avantgarde. Ein Roman, der den technischen Fortschritt von Bewegung und Medien thematisiert, in der der Titel lediglich als vorübergehender Ruhepol dient.
Narratologisch gesehen entspricht der Text der Definition der „deambulatorischen“ Erzählweise (Wolfzettel). Die überwiegende Dialogform deutet auf Picabias Orientierung an Romanen des 18. Jahrhunderts hin.
Chiricos surrealistischer Roman Hebdomeros zeigt sich noch „deambulatorisch“, doch schon strukturiert durch die Wiederaufnahme der „navigatio mystica“ verknüpft mit dem Weg der Selbstfindung. Im Kontrast zu Picabia thematisiert Chirico Tagträume und Gedanken des Protagonisten, wodurch sich bereits die Wende zu traditionellen Formen andeutet. Statt surrealistischer Welthaltigkeit wird die Mythologie der Antike, Elemente des Christentums sowie die Seefahrt in Verbindung mit einer idealisierten Frauengestalt angeknüpft.
Monsieur Dudron zeigt Chiricos endgültige Abkehr von avantgardistischer Textproduktion, die parallel zu den Entwicklungen im faschistischen Italien verläuft. Mittels des „Schneckenfarm-Besuchs“ wird Dudrons/Chiricos Ablehnung zeitgenössischer Kunst exprimiert. Durch integrierte essayartige Teile, die sich an Traditionellem, Antike und Renaissance, orientieren, entspricht er noch dem „deambulatorischen“ Konzept.
Dalís Pseudo-Biographie La vie secrète orientiert sich an hagiographischen Texten, um sich zum Heiligen und Retter der Kunst vor der Avantgarde zu stilisieren. So konzipiert er auch seine Beziehung zu Gala entsprechend der Tristan-Mythologie.
Die Rückkehr zu traditioneller Textproduktion vollendet Dalí mit dem epischen Werk Visages cachés. Die Charaktere des Romans verweisen auf Literatur des ausgehenden 18. Jhs, der Protagonist zeigt jedoch Analogien zu Huysmans oder Wildes Romanfiguren. Surreale Elemente sind nur noch als Splitter in die Roman-Realität integriert. Mittels Sprache sowie der geschlossenen Form des Romans opponiert Dalí gegen avantgardistische Textproduktionen.
In dieser Arbeit wurden zur Funktionsanalyse gelagerter ThZ zwei ex vivo Messverfahren verwendet, die unterschiedliche Qualitäten der ThZ-Funktion quantifizieren. Die in vitro Aggregationsfunktion der ThZ wurde mittels Multiplate® Analyzer untersucht, die Mitochondrienfunktion mittels Oxyraph-2k.
Der Multiplate® Analyzer ist eine wohl etablierte und gut zugängliche POC-Methode, die zeitnah verlässliche Daten zur ThZ-Aggregationsfähigkeit in Vollblutproben liefert. Von Interesse war zunächst die Frage nach der Durchführbarkeit valider Multiplate®-Messungen an POOL-TK. Das für Vollblutproben konzipierte Multiplate® kann unseren Ergebnissen zufolge zur in vitro Testung von POOL-TK herangezogen werden. Die Kombination der verwendeten Mischungsverhältnisse, Suspensionsmedien und Reagenzien eignen sich zur ThZ-Stimulation außerhalb der physiologischen Umgebung des Vollbluts. In zukünftigen Studien mit höheren Fallzahlen sollte jedoch die Messgenauigkeit des Multiplate® an TK durch Anpassungen der Suspensionsmedien, sowie der ThZ- und Reagenzienkonzentration überprüft und optimiert werden. Die Entwicklung der ThZ-Funktion im Verlauf der viertägigen TK-Haltbarkeit wurde hinsichtlich der thrombozytären Aggregations- und Mitochondrienfunktion beurteilt. Weiterhin wurde der Einfluss einer kontinuierlichen Agitation durch Vergleich mit der TK-Lagerung ohne Agitation untersucht. Während die Aggregationsfähigkeit der ThZ über den viertägigen Beobachtungszeitraum überwiegend erhalten blieb, verzeichnet die mitochondriale Funktion einen signifikanten Rückgang. Unter kontinuierlicher Agitation der TK verzeichnete sich keine signifikante Abnahme der thrombozytären Aggregationsfähigkeit im Laufe der TK-Haltbarkeit. Wurden die TK ohne Agitation gelagert zeigte das Aggregationsausmaß in den ersten Tagen gegenüber den richtlinienkonform gelagerten TK keine signifikante Verschlechterung. Am vierten Tag resultierte lediglich die ThZ-Stimulation mit TRAP in einer signifikant verminderten Plättchenaggregation in der Gruppe der nicht agitierten TK. Eine Toleranz der TK bezüglich temporären Agitationspausen von ein bis zwei Tagen ist demnach anzunehmen. Nach längeren Agitationspausen ist mit signifikanten Beeinträchtigungen der Aggregationsfunktion zu rechnen.
Der Oxygraph-2k ist ein anerkanntes Messgerät zur Analyse der mitochondrialen Leistungsfähigkeit mittels hochauflösender Respirometrie. Die Daten dieser Arbeit demonstrieren eine signifikante Abnahme der mitochondrialen Leistungsfähigkeit mit - 116 -zunehmendem Alter der TK. Es zeigten sich keine Unterschiede zwischen kontinuierlich agitierten und ruhenden TK am Ende der Lagerungsperiode. Auch an den restlichen Lagerungstagen waren ruhende TK nicht verstärkt in ihrer mitochondrialen Leistung eingeschränkt, als stetig agitierte TK. Dies impliziert, dass sich die mitochondriale Leistungsfähigkeit im Laufe der TK-Alterung reduziert, ungeachtet dessen, ob die Lagerung unter der empfohlenen kontinuierlichen oder unterlassenen Agitation erfolgt. Aus den Multiplate®- und Oxygraph-Ergebnissen lässt sich schlussfolgern, dass ein TK den für die Transfusion erforderlichen Qualitätsanspruch nicht durch kurzzeitige Agitationspausen verliert. Im Klinikalltag kann es, irrtümlich sowie durch Organisationsversagen bedingt, zu unterbrochener oder gar unterlassener Agitation vor TK-Transfusion kommen. Gemäß den Ergebnissen dieser Arbeit zufolge, wird darunter jedoch die TKQualität nicht nennenswert negativ beeinflusst.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Untersuchung des Einflusses von Extrembedingungen, wie Kälte von 4°C oder Be- und Entschleunigungen sowie Turbulenzen beim Transport durch Rohrpostsysteme. Die Mehrzahl der Testergebnisse verzeichnete keine signifikante Beeinträchtigung der ThZ-Aggregationsfunktion. Die vorübergehende, fehlerhafte Deposition eines TK im Kühlschrank und der Rohrpostversand können somit als unbedenklich für die mittels Multiplate® und Oxygraph gemessenen TK-Qualitätsparameter angesehen werden.
Die Gesamtheit der Ergebnisse zeigt, dass kurzfristige Abweichungen von der richtlinienkonformen TK-Lagerung keine negativen Auswirkungen auf die thrombozytäre Aggregationsfähigkeit und Mitochondrienfunktion ausüben. Die Berücksichtigung dieser Erkenntnisse könnte verhindern, dass kurzzeitig fehlgelagerte TK verworfen werden, was sich positiv auf die Nutzung dieser begrenzten Ressource auswirken würde. Als Einschränkung ist zu erwähnen, dass die dargebotenen Veränderungen lediglich ex vivo ermittelt wurden. Aufgrund der Nutzung etablierter Verfahren kann angenommen werden, dass sich unsere Ergebnisse gleichsinnig auf die tatsächliche in vivo ThZ-Funktion auswirken. Der Effekt auf die in vivo ThZ-Funktion muss in zukünftigen Studien verifiziert werden. Insbesondere bleibt die Frage offen, inwiefern ein Zusammenhang zwischen einer eingeschränkten mitochondrialen Respirationsleistung und der Aggregationsfunktion besteht.
Carbon is an element that controls planetary habitability, and is fundamental for life on Earth. Its behaviour has important consequences for the global climate system, the origin and evolution of life on Earth. While the biosphere and atmosphere’s carbon cycle only accounts for less than 1% of the global carbon budget, hidden reservoirs of deep carbon in the Earth’s interior comprise the predominant storage of carbon on the planet. At the Earth’s surface, 60-70 % of carbon is hosted by carbonate minerals, which are then transported to the Earth’s interior, mainly in the form of sediments, by subduction of the oceanic lithosphere. Subducting plates are subjected to decarbonation, dehydration, and melting with CO2 release via supra-subduction volcanism. Nevertheless, part of the subducted carbonates’ may survive and be further transported to the deep mantle. Direct evidence of the existence of carbonates in the Earth’s interior, possibly reaching down to the lower mantle, comes from the finding of syngenetic inclusions of carbonates in diamonds and mantle xenoliths. The presence of carbonates in the deep Earth has a critical effect on the physical properties of the mantle. Melting and chemical speciation of the mantle are strongly affected by the form of C and carbonate stability. Therefore, the study of the stability and physical properties of carbonates at high pressures and temperatures is fundamental, because understanding the processes involved in the deep carbon cycle helps to improve our picture of the whole mantle.
The systematic characterization of the elastic properties of carbonates as a function of their structure and chemical composition is of great importance because it may allow to identify their presence and distribution by seismology. Inverting seismic observations to successfully constrain the chemical composition and mineralogy of the Earth’s interior requires knowledge of the physical properties of all possible Earth’s materials at pressures and temperatures applicable to the Earth’s interior. Up to now, a multitude of studies has focused on the construction of phase diagrams and structural transitions by means of X-ray diffraction and vibrational spectroscopy experiments.
Few studies are available on the complete elastic tensor of carbonates, however most of the datasets are not accompanied by an accurate characterization of the samples, which are often solid solutions and the exact chemical composition, density or the details about the experimental methods used are not presented. The aim of this thesis is to study the effect of chemical composition on the elastic properties of carbonates, providing a reliable dataset on the elasticity of the main carbonates. In particular, the elastic properties of crystalline aragonite, CaCO3, and Fe-dolomite, (Ca, Mg, Fe)(CO3)2, with different compositions were studied by Brillouin spectroscopy at ambient conditions. Brillouin spectroscopy was also used to investigate the elastic behaviour of amorphous calcium carbonate samples with different water contents (up to 18 wt%) at high pressures, up to 20 GPa.
Furthermore, the importance of cationic substitution on the structure and high pressure behaviour of carbonates was investigated by studying a synthetic CaCO3-SrCO3 solid solution at ambient conditions and at high pressures, up to 10 GPa, by single crystal X-ray diffraction. Finally, the study of the effect of composition on the elastic properties of families of isostructural solids was also extended to a different class of materials, the metal guanidinium formates. The elasticity of a family of perovskite metal organic frameworks, metal guanidinium formates C(NH2)3MII(HCOO)3, with MII =Mn, Zn, Cu, Co, Cd and Ca was investigated by combining Brillouin spectroscopy, resonant ultrasound spectroscopy, density functional theory and thermal diffuse scattering analysis.
Das wachsende Verständnis für das fein abgestimmte Zusammenspiel aus Struktur und Funktion von Nukleinsäuren resultiert aus unzähligen Forschungsprojekten. Forschende stehen dabei vor der Herausforderung, dass die zu untersuchenden Oligonukleotide sowohl modifiziert als auch in ausreichender Menge und Reinheit dargestellt werden müssen. Die chemische Festphasensynthese ist ein bewährtes Mittel zur Synthese hochmodifizierter DNA und RNA. Allerdings werden Oligonukleotide mit zunehmender Länge unzugänglicher, da die einzelnen Kupplungsreaktionen nicht quantitativ ablaufen, was zu schwer abtrennbaren Abbruchsequenzen führt. Hinzu kommt, dass während der chemischen Synthese harsche Reaktionsbedingungen nötig sind, denen die gewünschten Modifikationen standhalten müssen. (Chemo-) enzymatische Methoden können diese Hürden überwinden und somit den Zugang zu biologisch interessanten, längeren modifizierten Sequenzen ermöglichen. Jedoch erfolgt der enzymatische Einbau von Modifikationen ohne aufwendige Optimierung lediglich statistisch verteilt. Um weitere Erfolge im Bereich der Strukturaufklärung zu erzielen, werden somit Synthesemethoden benötigt, die sich zum positionsspezifischen Einbau von Modifikationen eignen und gleichzeitig den Zugang zu längeren Oligonukleotiden ermöglichen. Zur Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion haben sich in den letzten Jahren lichtadressierbare Verbindungen als gefragte Modifikationen erwiesen. Der Einsatz von Licht als mildes, nicht-invasives Auslösesignal stellt besonders im biologischen Kontext eine interessante Herangehensweise dar. Um hochwertige Aussagen über das Verhalten von Oligonukleotiden in komplexer biologischer Umgebung machen zu können, muss durch die gezielte Platzierung lichtaktivierbarer Verbindungen ein effizientes AN/AUS-Verhältnis geschaffen werden. Der Einbau photolabiler Schutzgruppen erlaubt eine vorübergehende Beeinflussung der Oligonukleotidstruktur, die durch Abspaltung der Schutzgruppe irreversibel (re-) aktiviert werden kann. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Einbau von Photoschaltern eine reversible Adressierbarkeit durch Isomerisierungsprozesse. Die Synthese komplexer gezielt-markierter Oligonukleotide erfolgt zumeist chemisch und ist daher längenlimitiert.
Ziel dieser Doktorarbeit war es, beide Fragestellungen zu vereinen und eine chemo-enzymatische Methode zur RNA-Synthese zu untersuchen, die zum einen die positionsspezifische Modifizierung mit lichtaktivierbaren Einheiten erlaubt und darüber hinaus die Längenlimitierung der chemischen Festphasensynthese überkommt. Im Zentrum der Methode stehen drei enzymatische Reaktionsschritte zum Einbau von photolabil- und photoschaltbar-modifizierten Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphaten: I) eine 3‘-Verlängerung, in der die modifizierten Bisphosphate mit T4 RNA Ligase 1 mit dem 3‘-Ende einer RNA verknüpft werden; II) die Dephosphorylierung des 3‘-Phosphats mit Shrimp Alkaline Phophatase und III) die Verknüpfung der 3‘-terminal modifizierten RNA mit einem zweiten 5‘-phosphorylierten RNA-Fragment, wodurch eine Gesamtsequenz mit gezielt platzierter Modifikation entsteht (Abb. I).
Im ersten Teilprojekt wurden in kollaborativer Arbeit zunächst benötigte photolabile NPE- und photoschaltbare Azobenzol-C-Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate synthetisiert und grundlegende Bedingungen der enzymatischen Reaktionen erarbeitet. Hierbei konnte der enzymatische Syntheseansatz erfolgreich in Lösung umgesetzt und der chemo-enzymatische Einbau aller synthetisierten Bausteine nachgewiesen werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wurde die Methode in eigenständigen Arbeiten weiterverfolgt, um den multiplen Einbau NPE-modifizierter Nukleosid-3‘,5‘-Bisphosphate in direkter Nachbarschaft sowie deren Einbau in DNA/RNA-Mixmere mit Phosphodiester- oder Phosphorthioatrückgrat zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Enzyme neben lichtaktivierbaren Modifikationen zusätzliche Anpassungen der Phosphateinheit sowie unterschiedliche Ribosebausteine in Kombination tolerieren. Da exogene RNA schnell von Exonukleasen abgebaut und somit unwirksam wird, werden zahlreiche stabilisierende Anpassungen an synthetischen RNAs vorgenommen. Zu den häufigsten zählen Phosphorthioate und Modifikationen der Ribose. Mit der erfolgreichen Modifikation der chimären Oligonukleotide eröffnet die erarbeitete Methode einen wichtigen Zugang zu therapeutisch interessanten Oligonukleotiden. Ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung biologisch relevanter Anwendungsmöglichkeiten konnte mit der Synthese, Charakterisierung und Umsetzung eines DEACM-geschützten Uridin-3‘,5‘-Bisphosphates (pUDEACMp) errungen werden. Im Vergleich zur verwendeten NPE-Schutzgruppe ist das Absorptionsspektrum der DEACM-Schutzgruppe bathochrom-verschoben, was eine Abspaltung mit Wellenlängen > 400 nm erlaubt. Dadurch können Zellschäden vermieden und Oligonukleotide mit NPE- und DEACM-Modifikation wellenlängenselektiv angesprochen werden...
Das Projekt anan ist ein Werkzeug zur Fehlersuche in verteilten Hochleistungsrechnern. Die Neuheit des Beitrags besteht darin, dass die bekannten Methoden, die bereits erfolgreich zum Debuggen von Soft- und Hardware eingesetzt werden, auf Hochleistungs-Rechnen übertragen worden sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Werkzeug namens anan implementiert, das bei der Fehlersuche hilft. Außerdem kann es als dynamischeres Monitoring eingesetzt werden. Beide Einsatzzwecke sind
getestet worden.
Das Werkzeug besteht aus zwei Teilen:
1. aus einem Teil namens anan, der interaktiv vom Nutzer bedient wird
2. und aus einem Teil namens anand, der automatisiert die verlangten Messwerte erhebt und nötigenfalls Befehle ausführt.
Der Teil anan führt Sensoren aus — kleine mustergesteuerte Algorithmen —, deren Ergebnisse per anan zusammengeführt werden. In erster Näherung lässt anan sich als Monitoring beschreiben, welches (1) schnell umkonfiguriert werden (2) komplexere Werte messen kann, die über Korrelationen einfacher Zeitreihen hinausgehen.
The European Community has set a milestone in the European water policy in 2000: all water directives and policies were united into one comprehensive document – the European Water Framework Directive (EU WFD). The EU WFD requires the monitoring of 45 priority substances, primarily in the water phase, which is not related to a substantial amount of chemicals available on the market worldwide (about 50,000). About 60% of these are human and environmentally toxic. Hence, the currently monitored 45 priority substances are not even close to being sufficient to provide a comprehensive picture of the actual chemical pollution in the aquatic environment.
Furthermore, the EU WFD in its original shape paid less attention to sediments as an important source and sink for chemical contamination. Under stable hydrological conditions, polluted old sediments are covered by less polluted younger sediments preventing erosion of deeper sediment layers and, therefore, the release of particle-bound contaminants. However, urbanization, deforestation, flooding, dredging, riverbed renaturation, and stormwater overflow basin releases can lead to an unpredictable release of particle-bound pollutants. Therefore, in 2008, sediments were added to the EU WFD as a monitoring matrix for substances that tend to accumulate there. As a result, after 18 years of the EU WFD, less than half of all European waterbodies reached a good ecological (40%) and chemical (38%) status.
One of the primary pollution sources in aquatic ecosystems are wastewater treatment plants (WWTPs). Advanced wastewater treatment by ozonation is promising to remove most micropollutants. However, the knowledge about the possible improvement of the receiving waterbody is rare. The latter aspects were the main reasons for the start of the DemO3AC project in 2014. The study area was located in the federal state of North Rhine-Westphalia (Germany). The study area included the Wurm River and its tributary, the Haarbach River. Both waterbodies act as receiving waterbodies for WWTPs. One of them is the Aachen-Soers WWTP (receiving waterbody: Wurm River), upgraded by full stream ozonation as an advanced effluent treatment. Therefore, the extensive investigation program within the DemO3AC project included an investigation of the ecological and chemical status of both receiving waterbodies and the investigation of a possible improvement of the Wurm River after implementing advanced effluent treatment.
The current study was a part of the DemO3AC project and covered the sediment toxicity and a possible impact of the ozonation on aquatic organisms in the receiving waterbody. Time-resolved sampling campaigns allowed investigations under different hydrological conditions, mainly determined by the weather. The first sampling campaign took place in June 2017 during a prolonged dry period with low water flow in the receiving waterbodies. The second sampling campaign was performed exactly one year later (June 2018) after a long rainy period and corresponding high-water levels. Full-stream ozonation at the Aachen-Soers WWTP had been in operation for half a year. Furthermore, a wide range of organic micropollutants was investigated in the effluent of the studied WWTPs to assess a possible hazard emerging from contaminants released into the receiving waterbody.
The study design was developed based on the holistic approach to assessing the ecotoxicological pollution of surface waterbodies. It included the detection of chemical compounds combined with effect-based methods to identify possible drivers of toxicity. The sediment's ecotoxicological assessment included studies on endocrine-disrupting activity, genotoxic and embryotoxic potentials. These endpoints were evaluated using in vitro and in vivo bioassays. In addition, sediments’ chemical profiling was performed using modern analytical chemistry techniques.
The genotoxic potential was investigated using the Ames fluctuation assay with Salmonella typhimurium bacterial strains TA98, TA100, YG1041, and YG1042, sensitive to different classes of compounds, and the Micronucleus assay as a eukaryotic assay with mammalian cells. A unique feature of the present study was the implementation of non-standard Salmonella typhimurium bacterial strains YG1041 and YG1042 in the Ames fluctuation assay. Moreover, a comprehensive genotoxicity ranking of chemical compounds identified in sediments was used and combined with statistical analysis to identify the drivers of genotoxicity. The results of this study were published in Shuliakevich et al. (2022a) (see also Annex 1), describing the mutagenic potential of all sampling sites, which was primarily driven by polycyclic aromatic hydrocarbons, nitroarenes, aromatic amines, and polycyclic heteroarenes. In addition, the rainwater overflow basin was identified as a significant source for particle-bound pollutants from untreated wastewater, suggesting its role as a possible source of genotoxic potential. The present study showed high sensitivity and applicability of non-standard Salmonella typhimurium bacterial strains YG1041 and YG1042 in the Ames fluctuation assay to assess the different classes of mutagenic compounds. A combination of effect-based methods and a chemical analysis was shown as a suitable tool for a genotoxic assessment of freshwater sediments.
The sediments' endocrine-disruptive activity was investigated using the cell-based reporter gene CALUX® assay. A simultaneous launch of the full-scale effluent ozonation at the Aachen-Soers WWTP was used for investigation of the entrance of the ozonated effluent into the Wurm River and the endocrine-disrupting activity in the water phase. A particular focus of the present study was the unique investigation of PAHs as possible drivers of the endocrine-disrupting activity in sediments of the Wurm River. The results of this study were laid down in the publication by Shuliakevich et al. (2022b) (see also Annex 2), describing variations in endocrine-disrupting activity in the Wurm River under different weather conditions. Briefly, under stable hydrological conditions in June 2017, the estrogenic and the antiandrogenic activities in sediments of the Wurm River were within the range of 0.03-0.1 ng E2 equivalents (eq.)/g dry weight sediment equivalents (dw SEQ) and 3.0-13.9 µg Flu eq./g dw SEQ, respectively. After extensive rain events in June 2018, the sediments' estrogenic and antiandrogenic activities were detected within the range of 0.06-0.2 ng E2 eq./g dw SEQ and 1.7-39.2 µg Flu eq./g de SEQ, respectively. Increased endocrine-disruptive activity (up to 0.2 ng E2 eq./g dw SEQ in ERα- and 39.2 µg Flu eq./g dw SEQ in anti-AR-CALUX® assays) in sediments downstream of the rainwater overflow basin suggested it as a possible source of pollution. A unique result of the second study was finding a positive correlation between measured particle-bound antiandrogenic activity and detected polyaromatic hydrocarbons (PAHs) ...
Interleukin-11 signaling is a global molecular switch between regeneration and scarring in zebrafish
(2022)
The two diametrically opposing outcomes after tissue damage are regeneration and fibrotic scarring. After injury, adult mammals predominantly induce fibrotic scarring, which most often leads to patient lethality. Fibrotic scarring is the deposition of excessive extracellular matrix that matures and hinders tissue function. The scarring response is mainly orchestrated by myofibroblasts, which arise only upon tissue damage, from various cellular origins, including tissue resident fibroblasts, endothelial cells and circulating blood cells. On the contrary, species like zebrafish, possess the remarkable capacity to regenerate their damaged tissues. After injury, instead of inducing a myofibroblast-mediated fibrogenic gene program, cells in these species undergo regenerative reprogramming at the transcriptional level to activate vital cellular processes needed for regeneration, including proliferation, dedifferentiation, and migration. Several pro-regenerative mechanisms have been identified to date. Most of them, if not all, are also important for tissue homeostasis and hence, are not injury specific. Therefore, the central aim of this study is to identify injury-specific mechanisms that not only induce regeneration, but also limit fibrotic scarring.
To test the notion that fibrotic scarring limits regeneration, I first compared the scarring response in the regenerative zebrafish heart after cryoinjury with what is known in the non-regenerative adult mouse heart. I found that zebrafish display ~10-fold less myofibroblast differentiation compared to adult mouse after cardiac injury. With these findings, I hypothesized that zebrafish employ mechanisms to actively suppress scarring response. Using a novel comparative transcriptomic approach coupled with genetic loss-of-function analyses, I identified that Interleukin-6 (Il-6) cytokine family-mediated Stat3 is one such pro-regenerative pathway in zebrafish.
Il-6 cytokine family consists of Il-6, Interleukin-11 (Il-11), Ciliary neurotrophic factor, Leukemia inhibitory factor, Oncostatin M, and Cardiotrophin-like cytokine factor 1. Il-6 family ligands signal through their specific receptors and a common receptor subunit (Il6st or Gp130). Using gene expression analyses after adult heart and adult caudal fin injuries in zebrafish, I identified that both the Il-11 cytokine encoding paralogous genes (il11a and il11b) are the highest expressed and induced among the Il-6 family cytokines. Hence, I chose Il-11 signaling as a candidate pathway for further analysis. To investigate the role of Il-11 signaling, I generated genetic loss-of-function mutants for both the ligand (il11a and il11b) and the receptor (il11ra) encoding genes. Using various tissue regeneration models across developmental stages in these mutants, I identified that Il-11/Stat3 signaling is indispensable for global tissue regeneration in zebrafish.
To investigate the cellular and molecular mechanisms by which Il-11 signaling promotes regeneration, I performed transcriptomics comparing the non-regenerative il11ra mutant hearts and fins with that of the wild types, respectively. I identified that Il-11 signaling orchestrates both global and tissue-specific aspects of regenerative reprogramming at the transcriptional level. In addition, I also found that impaired regenerative reprogramming in the il11ra mutant hearts and fins resulted in defective cardiomyocyte and osteoblast repopulation of the injured area, respectively.
On the other hand, by deep phenotyping the scarring response in il11ra mutant hearts and fins, I identified that Il-11 signaling limits myofibroblast differentiation. Furthermore, I found that cardiac endothelial cells and fibroblasts are one of the major responders to injury-induced Il-11 signaling. Using lineage tracing, I found that both the endothelial and fibroblast lineages in the non-regenerative il11ra mutants commit to a myofibroblast fate, spearheading the scarring response. In addition, using cell type specific manipulations, I showed that Il-11 signaling in cardiac endothelial cells allows cardiomyocyte repopulation of the injured area. Finally, using human endothelial cells in culture, I uncovered a novel feedback mechanism by which Il-11 signaling limits fibrogenic gene expression by inhibiting its parent activator and a master regulator of tissue fibrosis, TGF-β signaling.
Overall, I identified Interleukin-11/Stat3 signaling as the first global regulator of regeneration in zebrafish. Briefly, I showed that Interleukin-11 signaling promotes regeneration by regulating two crucial cellular aspects in response to injury – (1) it promotes regenerative reprogramming, thereby allowing cell repopulation of the injured area and (2) it limits mammalian-like fibrotic scarring by inhibiting myofibroblast differentiation and TGF-β signaling. Altogether, these zebrafish data, together with the contradicting mammalian data strongly indicate that the secrets of tissue regeneration lie downstream of IL-11 signaling, in the differences between regenerative and non-regenerative species. Furthermore, I establish the non-regenerative il11ra mutant as an invaluable zebrafish model to study mammalian tissue fibrosis.
Das Capillary-Leak-Syndrom (CLS) präsentiert sich als plötzlicher Verlust von intravasaler Flüssigkeit ins Interstitium und kann als Komplikation nach einer Stammzelltransplantation (SZT) auftreten. Das Ziel der vorliegenden Studie war es, die CLS-Inzidenz, Risikofaktoren für das Auftreten und den Einfluss auf das Überleben nach SZT in einer pädiatrischen Kohorte allogener SZT-Empfänger zu bestimmen. Wir untersuchten die klinischen Berichte aller Patienten unter 18 Jahren, die in der Abteilung für Stammzelltransplantation der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin des Universitätsklinikums Frankfurt am Main zwischen Januar 2002 und Mai 2012 allogen stammzelltransplantiert wurden. 234 Patienten erhielten 275 SZT im oben genannten Zeitraum. In 15 Fällen (5,5 %) entwickelten Patienten ein CLS.
Bedingung für die Vergabe der CLS-Diagnose war das Vorhandensein dieser drei Kriterien: Gewichtszunahme von über 3 % des Körpergewichts in 24 Stunden, positive Ein-/Ausfuhrbilanz trotz Diuretikagabe und Ödeme.
Die Wahrscheinlichkeit, ein CLS zu entwickeln war signifikant höher bei Patienten, die auch unter einer Sepsis litten (p < 0,001). Patienten mit CLS hatten zudem ein höheres Risiko innerhalb der ersten 30 Tage nach SZT an einer GvHD zu erkranken (p = 0,005).
10 der 15 CLS-Patienten mussten intensivmedizinisch behandelt werden.
CLS hängt signifikant mit dem Gesamtüberleben an Tag + 100 und Tag + 365 nach SZT zusammen (p < 0,001), indem es einen starken prädiktiven Faktor für die TRM an Tag + 100 und Tag + 365 nach SZT darstellt (p < 0,001).
CLS ist eine schwere Komplikation bei pädiatrischen SZT-Empfängern. Der biologische Zusammenhang zwischen Sepsis, GvHD und CLS-Entwicklung im Hinblick auf Zytokinfreisetzung und Endothelschaden sollte in weiteren Studien untersucht werden, um neue zielgerichtete Therapien zu unterstützen.
KMT2A-rearrangements are causative for 70-80% all infant acute lymphoblastic leukemias (Pieters et al., 2019, 2007). Among these, the translocation t(4;11)(q21;23) generating the oncogenic fusion genes KMT2A::AFF1 and AFF1::KMT2A is the most frequent one, accounting for almost every second case of KMT2A-r infant ALL (Meyer et al., 2018). Despite passing a multimodal chemotherapy, 64% of patients achieve an event including relapse or death within four years from diagnosis, and overall survival three years from relapse remains poor with only 17% (Driessen et al., 2016; Pieters et al., 2019, 2007). Vari-ous studies have shown that relapse and therapy resistance were not mediated by chemotherapy-induced mutagenesis as there was no accumulation of secondary mutations in the dominant leukemic clone between diagnosis and relapse (Agraz-Doblas et al., 2019; Andersson et al., 2015; Bardini et al., 2011; Dobbins et al., 2013; Driessen et al., 2013; Mullighan et al., 2007).
Intriguingly, exclusively infant t(4;11) ALL patients were reported to subdivide in two groups depending on the level of HOXA gene cluster expression (Trentin et al., 2009). The HOXAlo group displayed a high expression of IRX1 and the HOXAhi group a low expression of IRX1 (Symeonidou and Ottersbach, 2021; Trentin et al., 2009). Importantly, the HOXAlo/IRX1hi group was characterized to possess a strongly ele-vated relapse incidence compared to the HOXAhi/IRX1lo group (Kang et al., 2012; Stam et al., 2010). IRX1 was identified to upregulate the Early growth response genes EGR1, EGR2 and EGR3 (Kühn et al., 2016).
The doctoral project “EGR-mediated relapse mechanisms in infant t(4;11) acute lymphoblastic leuke-mia” aimed to investigate a potential correlation between the HOXAlo-IRX1-EGR axis and relapse development in infant t(4;11) ALL. The primary objective was to clarify through which molecular mechanism(s) relapse development despite continuous chemotherapy could be achieved. In this context, the role of the EGR genes has been investigated. In addition, this project aimed to disclose molecular targets which could offer novel therapeutic interventions to interfere with therapy resistance and relapse formation.
Ein durch einen chronischen Ethanolabusus vorgeschädigter Organismus erfährt nach Hämorrhagie/Reperfusions (H/R) Trauma eine vermehrte inflammatorische Antwort und höheres Ausmaß an hepatischer Schädigung. Dies ist mit häufigerem Auftreten von Komplikationen und verlängertem Intensivaufenthalt vergesellschaftet.
Andere sowie eigene Studien haben gezeigt, dass durch D-JNK-1, ein spezifisches zellgängiges, proteaseresistentes Peptid, welches die c-Jun-N-terminale Kinase hemmt, die Inflammationsreaktion und das Ausmaß der hepatischen Schädigung nach H/R vermindert werden kann.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung, ob auch bei einem durch chronischen Ethanolabusus vorgeschädigten Organismus, die D-JNK-1 Gabe zu einer Abschwächung der Inflammation im Tiermodell führt. Des Weiteren sollte auch die Rolle des Transkriptionsfaktors NF-κB in der Inflammationskaskade unter D-JNK-1 Gabe bei der chronisch ethanolvorgeschädigter Leber genauer betrachtet werden.
Wir arbeiteten mit einem H/R Modell, sowie einem etablierten chronischen Ethanol Fütterungsregime mittels Lieber-DeCarli Diät. Die Versuchstiere erhielten nach der Durchführung von Hämorrhagie vor der Reperfusion eine D-JNK-1- oder NaCl-Gabe. Zwei Stunden nach Beendigung des Versuches wurden Leberenzyme, Lactatdehydrogenase und pro-inflammatorische Zytokine im Serum sowie die Konzentrationen der pro-inflammatorischen Mediatoren im Lebergewebe untersucht. Die Aktivität von NF-κB und c-Jun wurde durch Nachweis der relativen Proteinexpression mittels Westernblot quantifiziert. Zusätzlich wurde die NF-κB Aktivierung immunhistologisch durch die GFP Färbung untersucht. Der Leberschaden wurde histologisch mittels HE-Färbung nachgewiesen.
Durch eine 4-wöchige chronische ethanolhaltige Fütterung wird bei den Versuchstieren eine Steatosis hepatis, mit den entsprechenden strukturellen und funktionellen Veränderungen ausgelöst. Durch zusätzliche Durchführung der H/R-Prozedur wird eine relevante hepatische Schädigung sowie Inflammationsreaktion ausgelöst. NF-κB und c-Jun spielen in der Regulation der Inflammationsraktion nach H/R-Trauma eine wesentliche Rolle. Durch die chronische Ethanol-Fütterung kommt es ebenso wie durch die H/R-Prozedur zu einer Aktivierung von NF-κB und wenn auch in geringerem Ausmaß von c-Jun.
Die Intensität der durch H/R-Trauma ausgelösten Inflammationsreaktion und des Gewebeschadens in der durch chronischen ethanolgeschädigten Leber kann durch eine eimalige D-JNK-1 Gabe im Tiermodel nicht wesentlich beeinflusst werden. In der Kontrollgruppe kann durch die D-JNK-1 Applikation jedoch eine Abschwächung der posttraumatischen Inflammationsreaktion beobachtet werden.
Dies führt zu dem Schluss, dass nachdem im ersten Schritt die Grundlagen und Ursachen eines pathologischen Sachverhaltes untersucht wurden, im Anschluss an den zweiten Schritt, der weiterführenden Erforschung und Erarbeitung von therapeutischen Ansätzen, die erarbeiteten Ansätze in Hinsicht auf ihre Wirksamkeit bei Vorliegen weiterer Pathologien nochmals gesondert betrachtet werden müssen. Da das Zusammenspiel verschiedener pathologischer Zustände oftmals zur Zunahme der Komplexität führt und neue Sachverhalte aufzeigt. Jedoch bleibt es in weiterführenden Studien zu untersuchen, ob eine wiederholte Applikation des spezifischen c-Jun Inhibitors oder eine Erhöhung seiner Dosis sowie eine Modulation des Therapiezeitfensters die in vorherigen Studien beobachteten benefiziellen Effekte auch in diesem Modell herbeiführen können.
Diese retrospektive Arbeit aus 7 Jahren Schockraumdiagnostik hatte zum Ziel das diagnostische Potential des Glascow Coma Scales (GCS), des Unfallmechanismus, der Unfallschwere und der klinischen Untersuchung in Bezug auf die Indikationsstellung der Ganzkörper-Computertomographie (GKCT) bei polytraumatisierten Kindern zu untersuchen.
Dazu wurden 100 Kinder, die in dem Zeitraum zwischen Juli 2007 und November 2016 einer GKCT unterzogen wurden, strukturell in Bezug auf Alter, Geschlecht, Unfallmechanismus, Unfallschwere, initiale GCS-Werte und bei Aufnahme, Ergebnisse der klinischen Untersuchung und FAST-Sonografie, ISS und Dosimetrie analysiert. Korrelationen zwischen allen klinischen Variablen und detektierter Pathologien in der GKCT wurden berechnet.
Das mittlere Alter betrug 9,13 ± 4,4 Jahre (72% männliche und 28% weibliche Patienten). Bei 71% aller Patienten konnten relevante Verletzungen in der GKCT nachgewiesen werden. Mit 43% war der Kopf/Hals-Bereich am häufigsten betroffen. Es zeigte sich keine signifikante Korrelation zwischen dem Unfallmechanismus und der Verletzungsschwere, gemessen anhand des ISS (p>0,1), auch nicht zwischen der Unfallschwere und der Verletzungsschwere. Jedoch erschienen schwere Traumata nach mildem Unfallhergang und ohne Auffälligkeiten in der klinischen Untersuchung unwahrscheinlich. In diesen Fällen sollten selektive CT-Untersuchungen einzelner Körperregionen der GKCT vorgezogen werden, um die Strahlenexposition zu reduzieren. In diesem Zusammenhang zeigte der GCS-Wert bei Aufnahme ein gutes diagnostisches Potential in Bezug auf kraniozerebrale Pathologien. Daher empfehlen wir die Durchführung einer kranialen CT ab einem GCS-Wert von ≤ 13. Bezogen auf andere Körperregionen war der GCS nicht als zuverlässiger Index dienlich. Die Kombination aus Unfallschwere, äußeren Verletzungserscheinungen und dem thorakalen Auskultationsbefund eignete sich am besten zur Identifikation von thorakalen Pathologien. Im Bereich des Abdomens zeigten die Ergebnisse der FAST-Sonografie in Kombination mit muskulärer Abwehrspannung die besten Vorhersagewerte. Keine der getesteten Variablen ergab alleinstehend einen signifikanten Vorhersagewert für die diagnostizierten Pathologien in der GKCT. Auf Grund dessen sollte die Indikation zur GKCT bei polytraumatisierten Kindern stets individuell und anhand der Ergebnisse aller klinischer Variablen und Untersuchungen gestellt werden. Weitere Studien erscheinen sinnvoll, um die Auswirkung der diagnostizierten Pathologien in der GKCT auf das Notfallmanagement, die Interventionsbedürftigkeit und das finale Outcome der Kinder zu untersuchen.
Navigating a complex environment is assumed to require stable cortical representations of environmental stimuli. Previous experimental studies, however, show substantial ongoing remodeling at the level of synaptic connections, even under behaviorally and environmentally stable conditions. It remains unclear, how these changes affect sensory representations on the level of neuronal populations during basal conditions and how learning influences these dynamics.
Our approach is a joint effort between the analysis of experimental data and theory. We analyze chronic neuronal population activity data – acquired by out collaborators in Mainz – to describe population activity dynamics during basal dynamics and during learning (fear conditioning). The data analysis is complemented by the analysis of a circuit model investigating the link between a neural network’s activity and changes in its underlying structure.
Using chronic two-photon imaging data recorded in awake mouse auditory cortex, we reproduce previous findings that responses of neuronal populations to short complex sounds typically cluster into a near discrete set of possible responses. This means that different stimuli evoke basically the same response and are thus grouped together into one of a small set of possible response modes. The near discrete set of response modes can be utilized as a sensitive and robust means to detect and track changes in population activity over time. Doing so we find that sound representations are subject to a significant ongoing remodeling across the time span of days under basal conditions. Auditory cued fear conditioning introduces a bias into these ongoing dynamics, resulting in a differential generalization both on the level of neuronal populations and on the behavioral level. This means that sounds that are perceived similar to the conditioned stimulus (CS+) show an increased co-mapping to the same response mode the CS+ is mapped to. This differential generalization is also observed in animal behavior, where sounds similar to the CS+ result in the same freezing behavior as the CS+, whereas dissimilar sounds do not. These observations could provide a potential mechanism of stimulus generalization, which is one of the most common phenomena associated with post-traumatic stress disorder, on the level of neuronal populations.
To investigate how the aforementioned changes in neuronal population activity are linked to changes in the underlying synaptic connectivity, we devised a circuit model of excitatory and inhibitory neurons. We studied this firing rate model to investigate the effect of gradual changes in the network’s connectivity on its activity. Apart from an input dominated uni-stable regime (one response per stimulus independent of the network) and a network dominated uni-stable regime (one response per network independent of the stimulus), we also find a multi-stable regime for strong recurrent connectivity and a high ratio of inhibition to excitation. In this regime the model reproduces properties of neural population activity in mouse auditory cortex, including sparse activity, a broad distribution of firing rates, and clustering of stimuli into a near discrete set of response modes. This clustering in the multi-stable regime means that, not only can identical stimuli evoke different responses, depending on the network’s initial condition, but different stimuli can also evoke the same response.
Applying gradual drift to the network connectivity we find periods of stable responses, interrupted by abrupt transitions altering the stimulus response mapping. We study the mechanism underlying these transitions by analyzing changes in the fixed points of this network model, employing a method to numerically find all the fixed points of the system. We find that such abrupt transitions typically cannot be explained by the mere displacement of existing fixed points, but involve qualitative changes in the fixed point structure in the vicinity of the response trajectory. We conclude that gradual synaptic drift can lead to abrupt transitions in stimulus responses and that qualitative changes in the network’s fixed point topology underlie such transitions.
In summary we find that cortical networks display ongoing representational drift under basal conditions that is biased towards a differential generalization during fear conditioning. A circuit model is able to reproduce key characteristics of auditory cortex, including a clustering of stimulus responses into a near discrete set of response modes. Implementing synaptic drift into this model leads to periods of stable responses interrupted by abrupt transitions towards new responses.
Although everyone is familiar with using algorithms on a daily basis, formulating, understanding and analysing them rigorously has been (and will remain) a challenging task for decades. Therefore, one way of making steps towards their understanding is the formulation of models that are portraying reality, but also remain easy to analyse. In this thesis we take a step towards this way by analyzing one particular problem, the so-called group testing problem. R. Dorfman introduced the problem in 1943. We assume a large population and in this population we find a infected group of individuals. Instead of testing everybody individually, we can test group (for instance by mixing blood samples). In this thesis we look for the minimum number of tests needed such that we can say something meaningful about the infection status. Furthermore we assume various versions of this problem to analyze at what point and why this problem is hard, easy or impossible to solve.
James Joyce's Ulysses is treated as one of the most influential, paradigmatic texts of high modernism. Novels like Thomas Pynchon’s 1973 Gravity’s Rainbow and David Foster Wallace’s 1996 Infinite Jest, which equally raise claims to being the paradigms of their respective time, are perpetually compared to and measured against Joyce’s epic novel. However, novels like Ulysses, Gravity’s Rainbow and Infinite Jest are usually either grouped together due to their length, complexity and importance, to examine direct allusions in the texts or analyse a rather general “style” or to conversely stress the novels’ singularity and autonomy. I argue that not only can Joyce’s Ulysses, Pynchon’s Gravity’s Rainbow and Wallace’s Infinite Jest be meaningfully put in relation to one another but that their singularity and paradigmatic status in 20th century literature should be understood through the relationality of a Ulyssean Tradition. Novels like Gravity’s Rainbow and Infinite Jest can be fruitfully read in a Ulyssean Tradition. Their singular, paradigmatic aesthetic projects emerge from a reciprocal dialogue with Ulysses in their self-inscription into a Ulyssean Tradition. The intertextual connection of this Ulyssean Tradition is integrally constitutive of the autonomy through which these novels claim the status of singular representations of their respective human condition and thus epic paradigms of a new way of writing the world. By positioning themselves in the literary field alongside Ulysses as the received paradigm of modernism, Wallace in Infinite Jest and Pynchon in Gravity’s Rainbow legitimize their own, independent project and their own claims to paradigmaticness. The Ulyssean Tradition thereby becomes not only a way of writing,a nd this study not merely a study of literary influence, but also a way of reading that can generate new, independent readings through the relationality of a Ulyssean Tradition
Auf Grundlage von acht Interviews und der Methodologie der Objektiven Hermeneutik geht diese professionssoziologische Studie sequenzanalytisch folgender Forschungsfrage nach:
„Inwieweit werden die Selbstbilder der Zootierpflegenden durch den Umgang mit Tieren bestimmt und welche expliziten oder auch impliziten Berufsphilosophien lassen sich bei ihnen finden?“
In den analysierten Interviewtranskripten spielen im erzählten Selbstverständnis der Befragten die Auswirkungen der täglichen Mensch-Tier-Interaktionen eine zentrale sinnkonstituierende Rolle. Aus den Interaktionen mit Tieren (mit entsprechenden kognitiven Fähigkeiten) entwickeln Zootierpflegende eine intuitive Hermeneutik und oft eine von Fachkundigkeit getragene Du-Evidenz, die ihnen auf einer prä- und paraverbalen Ebene ein Verstehen des tierlichen Gegenübers ermöglicht. Dieses Verständnis lässt sich weder auf naive Anthropomorphisierungstendenzen zurückführen noch gut Dritten vermitteln, da es sich auf einer unmittelbaren Erlebnisebene realisiert. Diese intuitive Hermeneutik stellt eine zentrale Kompetenz der Zootierpflegenden dar und prägt die Selbstbilder der Zootierpflegenden maßgeblich.
Ein solcher Phänomenzusammenhang lässt sich soziologisch bisher nur schwer erfassen, da unter anderem die Frage nach tierlicher Akteurschaft die Disziplin spaltet und nach wie vor eine konzeptionelle Konfusion auslöst. So wird sie beispielsweise in der sinnverstehenden Soziologie bisher nur in Form von „Als-Ob“-Ansätzen angegangen. (Wiedenmann)
Um die in den Analysen herausgearbeiteten Phänomene einordnen zu können, wird in dieser Arbeit ein sozial-theoretisches Fundament ausgebreitet, welches das Sinnverstehen ‚tiefer hängt‘, also für solche situierten, vorsprachlichen, präsymbolischen Stimmungen und Empfindungen öffnet, die für basalste Verständnisse unter anderem zwischen Tieren und Menschen kandidieren.
Diese Konzeption erhellt einige Grenzbereiche der Sinnstrukturiertheit sozialer Wirklichkeit, indem sie aufzeigt, wie sich das Kontinuum von natürlicher wechselseitiger Wahrnehmung (Georg Herbert Mead und Daniel Stern) hin zur kulturellen Sinnstrukturiertheit (Oevermann) soziologisch erschließen und verstehen lässt. Demnach können sich aus den unmittelbaren Interaktionen zwischen empfindungsfähigen Lebewesen in wechselseitiger Affektabstimmung Protosinnstrukturen realisieren, welche wiederum erst die Bedingung der Möglichkeit von Vermittlung darstellen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglichen ein tiefgehendes Verständnis des bisher oft verkannten Kompetenzprofils der Zootierpflegenden und darüber hinaus lässt sich in Bezug auf die tierliche Akteurschaft mit dem entwickelten Ansatz der immer wieder erhobene menschliche Exklusivitätsanspruch auf Sinn, Bewusstsein und Identität aus einer soziologischen Perspektive hinterfragen.
Forschungsarbeiten sowohl zum IT-Zweig als Leitbranche der Digitalisierung als auch zur gesundheitsfördernden Gestaltung neuer Arbeitswelten haben eine hohe gesellschaftliche Relevanz. Die von der Digitalisierung ausgehenden Veränderungen sind in der Arbeitswelt allgegenwärtig. Trotz einer anfänglichen Humanisierungsvermutung mit Blick auf hoch qualifizierte Wissensarbeit in flexiblen Arbeitsstrukturen zeigen neue Forschungsergebnisse eine Zunahme gesundheitlicher Belastungen in der IT-Branche. Diese Belastungskonstellation erfordert neue Gestaltungsansätze zur Gesundheitsbildung, weil flexibel arbeitende Beschäftigte mit bestehenden klassischen Maßnahmen der betrieblichen Gesundheitsförderung schwer oder gar nicht zu erreichen sind.
Ziel der Arbeit ist die lösungsorientierte Erstellung eines branchen- und online-basierten Präventionskonzepts für alle IT-Beschäftigte. Basierend auf dem Modell der Salutogenese wird ein Training entwickelt, das sich auf die Stärkung von personalen, organisationalen und sozialen Gesundheitsressourcen fokussiert.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit, die der Kategorie der didaktischen Entwicklungsforschung (Johannes Weinberg) zuzuordnen ist, steht die Konzeption und Entwicklung eines Lernprogramms. Als Rahmenmodell dient die gestaltungsorientierte Mediendidaktik unter Berücksichtigung didaktischer Eckpunkte. Das Online-Lernangebot ist in acht Lerneinheiten aufgeteilt. Es werden Lerninhalte zum Arbeits- und Gesundheitsschutz mediendidaktisch aufbereitet und den IT-Beschäftigten und Führungskräften auf der Lernplattform Moodle zur Verfügung gestellt. (Eine ursprünglich angedachte Wirkungsmessung der Implementierung des Lernprogramms im Betrieb konnte pandemiebedingt nicht durchgeführt werden.)
Die weiterbildungsbezogene, betriebs- sowie organisationspädagogische Überlegungen aufgreifende Konzeption ist ein wichtiger Baustein im Rahmen einer Gesamtstrategie des betrieblichen Gesundheitsmanagements. Die präsentierten Handlungshilfen und elektronische Unterweisungen sind auf andere Branchen übertragbar.
Die erstellte Lernumgebung ist kein finales „Produkt“, sondern ein kontinuierlich zu optimierendes Entwicklungsvorhaben, was neben einer noch durchzuführenden Evaluation weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Gesundheit in der digital vernetzten Arbeitswelt eröffnet, um das Thema Gesundheitsbildung verstärkt in den betrieblichen Alltag zu integrieren.
Hirnmetastasen stellen eine schwerwiegende Komplikation der häufigsten Tumorerkrankungen wie der Lungenkarzinome, der Mammakarzinome und der Kolonkarzinome dar. Die mediane Überlebenszeit nach Metastasierung in das zentrale Nervensystem beträgt trotz leitliniengerechter Therapie meist nur wenige Monate. Neue zielgerichtete Therapien zeigten bereits erfolgreich eine Wirkung in Hirnmetastasen unterschiedlicher Entitäten. Auch aus diesem Grund sind zielgerichtete Therapien, die ihre Wirkung über das Tumormikromilieu erreichen wie beispielsweise Immuncheckpoint-Inhibitoren, immer interessanter für die klinische Anwendung. Damit rückt auch das Tumormikromilieu bzw. das zellarme, bindegewebige Tumorstroma immer weiter in den Vordergrund der aktuellen onkologischen Forschung.
Auch Hirnmetastasen können ein eigenes bindegewebiges Tumorstroma innerhalb des Tumormikromilieus bilden, das sich histologisch stark von der physiologischen zerebralen Mikroumgebung unterscheidet, welche sich typischerweise aus Gliazellen, Neuronen, neurovaskulären Einheiten und Mikroglia zusammensetzt. Ortständige, Stromagenerierende Fibroblasten, wie sie z.B. im Lungen- und Brustgewebe vorkommen, können daher nicht die Ursprungszellen des Tumorstromas in Hirnmetastasen sein. Es ist bislang nicht eindeutig geklärt, welche Zelltypen an der Formation des Tumorstromas beteiligt sind. Weiterhin ist bislang nicht dezidiert geklärt wie sich das Tumormikromilieu auf Zellebene in Hirnmetastasen zusammensetzt und ob bestimmte Zusammensetzungen einen Einfluss auf das Überleben von Patienten haben.
In dieser Arbeit wurde aus diesem Grund mit Hilfe von immunhistochemischen Färbungen das Tumormikromilieu in einer großen Kohorte von insgesamt 244 Hirnmetastasen-Patienten genauer charakterisiert. Fokus lag darin herauszufinden, welche Zellen an der Produktion des Tumorstromas beteiligt sind. Im Anschluss wurde mit Hilfe der klinischen Daten geprüft, ob bestimmte Zusammensetzungen oder Eigenschaften des Tumormikromilieus Einfluss auf das Überleben der Patienten haben. Weiterhin wurde mithilfe der durch Immunhistochemie erhobenen Daten untersucht, ob sich das Tumormikromilieu von Patienten, bei denen die Hirnmetastase zur Erstmanifestation der Tumorerkrankung geführt hatte, im Vergleich zu Patienten mit Hirnmetastasen unterscheidet, bei denen bereits die Tumorerkrankung bekannt war.
In den vorliegenden Daten ergab sich eine starke Assoziation zwischen der Expression von mesenchymalen Markern FAP, PDGFRb und Kollagen I, einem Hauptbestandteil von Stroma. Es zeigte sich wiederum keine eindeutige Assoziation zwischen Kollagen I und GFAP, dem Intermediärfilament der Gliazellen. Insgesamt konnte eine große Heterogenität in der Zusammensetzung des Tumormikromilieus zwischen den unterschiedlichen Entitäten festgestellt werden. So zeigten insbesondere die Hirnmetastasen von Nierenzellkarzinomen eine erhöhte Gefäßdichte. Zusätzlich zeigte sich in Nierenzellkarzinomen als auch Lungenkarzinomen eine erhöhte mediane Immunzellinfiltration von CD8-positiven Zellen im Vergleich zu anderen Entitäten. Das Tumormikromilieu hatte zumeist keinen Einfluss auf das Überleben der Hirnmetastasen-Patienten. Lediglich die Expression von vaskulärem PDGFRb hatte in NSCLC-Patienten einen negativen Einfluss auf das Überleben. Außerdem zeigten Kolonkarzinom-Patienten mit erhöhter FAP-Expression ein verbessertes Überleben nach Hirnmetastasen-OP. Patienten mit Hirnmetastase als Erstmanifestation der Tumorerkrankung zeigten zur Vergleichsgruppe mit Patienten, die eine Hirnmetastase unter bekannter Tumorerkrankung entwickelten, eine signifikant erhöhte PD-L1-Expression als auch Infiltration von zytotoxischen T-Zellen. Für weitere klinische oder biologische Parameter wie Geschlecht, Proliferationsrate oder Mutationsstatus fanden sich keine eindeutigen statistischen Unterschiede zwischen diesen beiden Patientengruppen.
Die vorliegenden Daten bekräftigten die Idee, dass das Tumorstroma von Hirnmetastasen durch mesenchymale Zellen produziert wird. So könnte eine zielgerichtete Therapie von Stroma-produzierenden Zellen ein interessanter Angriffspunkt zur Prävention einer soliden Hirnmetastasen sein. Patienten mit Hirnmetastase als Erstmanifestation der Tumorerkrankungen sollten in Zukunft vermehrt innerhalb klinischer Studien beachtet werden, da diese aufgrund des veränderten Tumormikromilieus mit erhöhter Infiltration von zytotoxischen T-Zellen als auch PD-L1-Expression von Immuntherapien stärker profitieren könnten.
In this thesis we discuss the group Out(Gal_K) of outer automorphism of the absolute Galois group Gal_K of a p-adic number field K. Using results about the mapping class group of a surface S, as well as a result by Jannsen--Wingberg on the structure of the absolute Galois group Gal_K, we construct a large subgroup of Out(Gal_K) arising as images of certain Dehn twists on S.
The dissertation explores to what extent the post-financial crisis EU resolution regime, based on equity/debt write-down and conversion powers and bail-in tools will be effective in maintaining the stability of bank groups. To arrive at its unique angle, it first asks why bank groups are considered complex, thereby explaining the reasons for their proliferation and instability, and how this may inform the view regarding a desired regulatory framework. The main observation the dissertation makes is that, notwithstanding of other factors already pointed out in the literature, bank groups adopt complex structures with multiple entities, as it allows them, inter alia, to use double-leverage financing structures and internal capital markets.
Double-leverage financing structures allow bank groups to optimise the combination of their debt/equity funding from external parent entity investors with a combination of debt/equity funding downstreamed internally to subsidiaries and other entities in the bank group. An important component within this structure is also that the allocation of the bank group’s resources takes place through the internal capital market (ICM). The allocation of resources via the ICM allows bank groups to manage their liquidity constraint either to undertake activities that are more profitable, or to stabilise the financial position of the group as a whole.
While both double leverage and ICMs can optimise the funding and allocation of resources of the bank group, respectively, they can also generate perils to the stability of the bank group. In particular, this is because double-leverage can result in excessive risk taking and regulatory arbitrage. Moreover, the allocation of the intra-group resources in the ICM may not maintain the financial health of all subsidiaries in the bank group, which can prove to be incompatible with the financial stability goals of the regulators in the countries where those subsidiaries conduct their business.
Within this context, the dissertation argues that the current EU resolution regime does not clearly address issues of double leverage when setting out capital and other liability requirements, i.e. the ‘Total Loss Absorbing Capacity’ (TLAC) and ‘Minimum Requirement for Eligible Liabilities’ (MREL) requirements. Moreover, the dissertation emphasis that it is equally relevant to clarify the way in which the bank group resources are available ahead of, and in financial distress. It is argued that to this end, bank groups need to be allowed to make use of the ICM as it is often uncertain what may be the cause of the financial distress and how the resources of the bank group could be used to stabilise it. To this end, the dissertation highlights that there is lack of clarity in both the ex-ante provisions on intra-group support framework and in the ex-post provisions governing the allocation of any surplus TLAC/MREL resources.
Besides the ‘intra-group’ issues within the bank group, the third point the dissertation makes relation to the bank group’s presence in multiple jurisdictions. This transnational element adds to the complexity of the intra-group issues resulting from sub-optimal cooperation between home and host authorities. In this regard, the dissertation underlines that the current framework could adopt a more balanced way in which the regulatory fora will take into account the interest of the authorities of all parts of the bank group.
Haut- und Weichteilinfektionen (Skin and Soft Tissue Infection, SSTI) stellen eine verbreitete Krankheitsentität mit schwierigem Therapiemanagement dar. Im Fokus dieser Arbeit liegt die Wundinfektion. Der aktuelle Goldstandard ist das radikale chirurgische Débridement und die systemische Gabe von antibiotisch wirksamen Stoffen. Dieses Therapieregime kann von der lokalen Antibiotikatherapie flankiert werden, wobei die antibiotisch aktive Substanz entweder allein oder in Kombination mit einem Trägermaterial auf die Wunde aufgebracht wird. Eine Möglichkeit zur lokalen antibiotischen Therapie ist die Besprühung der Wundfläche mit einem Antibiotikum-Fibrinkleber-Gemisch. Es ist nach aktuellem Stand unklar, wie sich die Konzentration von Colistin in einem Zeitraum von vier Stunden nach Besprühung und Fixierung durch Fibrinkleber verhält und mit welcher Applikationsmethode die Wirkstoffkonzentration des Antibiotikums im Gewebe am höchsten ist.
Unter Berücksichtigung geltender Labor- und Tierwohlstandards wurde eine tierexperimentelle Studie an 29 männlichen Ratten aus dem Stamm Wistar durchgeführt. Es wurden vier je 100 mm² große subkutane Wunden auf Muskel-/Faszienniveau auf dem Rücken der Tiere, die unter sterilen Kautelen operativ zugefügt worden waren, entweder nur mit Colistin (C) oder nur gleichzeitig (CF+) oder nur aufeinanderfolgend (CF-) mit Colistin und einem Fibrinkleber besprüht.
Durch flüssigkeitschromatografische und massenspektrometrische Analysen konnten eine Stunde nach Applikation signifikant höhere Gewebekonzentrations¬werte von Colistin A in der Gruppe CF+ gegenüber CF- (p = 0,02) und C (p = 0,00) sowie in der Gruppe CF- gegenüber C (p = 0,00) gemessen werden: mediane Gewebekonzentrationen von Colistin A 185,67 ng/mg (CF+), 89,45 ng/mg (CF-) und 60,95 ng/mg (C). Nach zwei Stunden waren die Unterschiede nicht signifikant. Nach vier Stunden zeigten sich signifikant höhere Werte in der Gruppe CF+ gegenüber C (p = 0,01): mediane Gewebekonzentrationen von Colistin A: 37,00 ng/mg (CF+), 19,03 ng/mg (CF-) und 9,95 ng/mg (C).
Die Fixierung von Colistin durch das Besprühen mit Fibrinkleber stellt eine unkomplizierte und günstige Methode zur lokalen antibiotischen Therapie dar und ergibt eine längere Antibiotikaverfügbarkeit im Gewebe. Eine Stunde nach Applikation liegen in allen Gruppen die höchsten Messwerte vor. Die simultane Besprühung ist die zu bevorzugende Methode. Als zusätzliche Maßnahme neben dem chirurgischen Débridement und der systemischen Antibiotikatherapie kann die Besprühung mit einem Gemisch aus Colistin und Fibrinkleber als ein vielversprechendes Verfahren in der Therapie von Haut- und Weichteilwunden angesehen werden.
Das Neuroblastom ist der am häufigsten vorkommende extrakranielle solide Tumor im Kindesalter. Der klinische Verlauf ist sehr heterogen und reicht von spontaner Regression der Erkrankung bis zum Tod trotz intensiver multimodaler Therapie. Vor allem die Prognose des Hochrisiko-Neuroblastoms hat sich in den letzten 20 Jahren kaum verbessert. Nach wie vor versterben 50% der Patient*innen mit Hochrisiko-Neuroblastom trotz intensiver Therapie. Chemoresistenz zählt zu den größten Problemen der heutigen Krebstherapie. In der AG Cinatl am Institut für Medizinische Virologie des Universitätsklinikum Frankfurt existiert eine Sammlung von adaptierten chemoresistenten Tumorzelllinien (Resistant Cancer Cell Line Collection).
Die humane Neuroblastomzelllinie IMR5 und ihre chemoresistenten Sublinien (adaptiert gegen Cisplatin, Gemcitabin, Vincristin und Doxorubicin) wurden in der vorliegenden Arbeit zunächst hinsichtlich der Resistenzmechanismen charakterisiert. In IMR5 wurde durch die Adaption an Vincristin und Doxorubicin eine MDR1-Expression induziert, nicht jedoch durch Adaption an Gemcitabin und Cisplatin. MDR1 vermittelt in IMR5 die Kreuzresistenz zwischen Vincristin und Doxorubicin. Anhand der Daten kann von einer Kreuzresistenz der Vincristin und Doxorubicin adaptierten Sublinien zu anderen MDR1-abhängigen Substraten ausgegangen werden. Verapamil wurde zur Revertierung der MDR1-vermittelten Resistenz verwendet. In der Sequenzierung des TP53-Gens konnte bei allen IMR5-Sublinien Wildtyp-TP53 mit dem Polymorphismus P72R bestätigt und somit TP53-Mutationen als Resistenzmechanismus ausgeschlossen werden. Auch gegen den MDM2-Inhibitor und p53-Aktivator Nutlin-3 zeigen die resistenten Sublinien keine signifikanten Unterschiede. Die Adaptierung hat in keiner Sublinie zu TP53-Mutationen geführt.
Des Weiteren wurde die Wirksamkeit von vier PARP-Inhibitoren (Olaparib, Rucaparib, Niraparib, Talazoparib) in den resistenten IMR5-Sublinien getestet. Talazoparib zeigt sich dabei als der wirksamste PARP-Inhibitor mit IC50-Werten im nM-Bereich. Eine Kreuzresistenz der MDR1-exprimierenden Sublinien IMR5rVCR10 und IMR5rDOXO20 zu den als MDR1-Substraten bekannten PARP-Inhibitoren Olaparib, Rucaparib und Talazoparib konnte ebenfalls nachgewiesen und auf die MDR1-Expression zurückgeführt werden. Auffällig ist die gleich starke Wirksamkeit von Niraparib in allen Sublinien, unabhängig von der Adaption und des MDR1-Status der jeweiligen IMR5-Sublinie. Niraparib ist somit sehr interessant für die klinische Anwendung.
IMR5rCDDP1000 zeigt trotz nur geringer MDR1-Expression eine signifikante Kreuzresistenz gegen Rucaparib und Talazoparib. Verapamil zeigt an IMR5rCDDP1000 keine Veränderung der Wirksamkeit der PARP-Inhibitoren. In IMR5rCDDP1000 ist die Kreuzresistenz gegen PARP-Inhibitoren also MDR1-unabhängig. IMR5rGEMCI20 zeigt dagegen gegen alle PARP-Inhibitoren die gleiche Sensitivität wie IMR5 PAR, gegen Olaparib sogar eine Hypersensitivität.
Die Trinukleotidreduktase SAMHD1 ist als Resistenzmechanismus gegenüber Cytarabin und möglicher Biomarker der AML bekannt. Auch in der Neuroblastomzelllinie IMR5 konnte durch den Abbau von SAMHD1 mit VPX-VLPs die Wirksamkeit des Nukleosidanalogons Cytarabin erhöht werden. Die Wirksamkeit des Nukleosidanalogons Gemcitabin konnte durch den Abbau von SAMHD1 in den IMR5-Sublinien nicht erhöht werden. Eine Beteiligung von SAMHD1 an der Hydrolyse von Gemcitabin konnte somit nicht nachgewiesen werden. Außerdem konnte eine Beteiligung von SAMHD1 an der DNA-Reparatur nicht bestätigt werden: Durch den Abbau von SAMHD1 wurde die Wirksamkeit von DNA-schädigenden Cytostatika wie Topotecan und PARP-Inhibitoren nicht erhöht.
Im Verlauf der Arbeit wurde zusätzlich die Olaparib-resistente Sublinie IMR5rOLAPARIB20 etabliert. Die erworbene Resistenz gegen Olaparib wurde bestätigt, die Zelle zeigt zusätzlich eine MDR1-unabhängige Kreuzresistenz zu Niraparib, Rucaparib und Talazoparib. Die Resistenz beruht wahrscheinlich auf der verminderten Expression von PARP. In IMR5rOLAPARIB20 erhöht der Abbau von SAMHD1 mit VPX-VLPs wie erwartet die Wirksamkeit von Cytarabin, zeigt aber keinen Einfluss auf die Toxizität von PARP-Inhibitoren. Erstaunlicherweise konnte eine erhöhte Wirksamkeit von PARP-Inhibitoren in Kombination mit VPR-VLPs in IMR5 PAR und IMR5rOLAPARIB20 gezeigt werden. PARP-Inhibitoren werden bereits bei soliden Tumoren wie Eierstock- und Brustkrebs eingesetzt und könnten in Kombination mit VPR-VLPs eine weitere Therapiemöglichkeit des Neuroblastoms sein.
In Deutschland werden jährlich gut drei Millionen Erythrozytenkonzentrate (EKs) transfundiert. Moderne Herstellungsmethoden und molekulare Diagnoseverfahren konnten die Sicherheit von Blutprodukten im Laufe der Jahre weiter verbessern. Wie bei jedem Medikament kann es nichtsdestotrotz bei der Therapie mit EKs zu Nebenwirkungen kommen. Dazu gehören unter anderem allergische Reaktionen, hämolytische und nicht hämolytische Transfusionsreaktionen, Übertragungen von Infektionskrankheiten und Eisenüberladung. Es werden weitere Nebenwirkungen postuliert, deren Zusammenhang mit Hämotherapie allerdings hinsichtlich einer möglichen Kausalität noch nicht abschließend untersucht wurde. Im Hinblick auf Malignompatienten zeigen retrospektive Untersuchungen eine deutliche Assoziation von Transfusionen und ungünstigem Behandlungsausgang. Diese Beobachtung könnte kausal oder durch Störfaktoren wie den medizinischen Umständen einer Transfusion oder patienteneigener Risikofaktoren erklärt werden. Während randomisierte Studien zur Überprüfung einer Kausalität sich aus ethischen Gründen verbieten, wurden mögliche Mechanismen aufgedeckt, die diese Assoziation erklären könnten. Dazu gehört unter anderem die transfusion-related immunomodulation (TRIM), an der auch erythrozytäre Mikropartikel (red blood cell-derived microparticles, RMPs) beteiligt sein könnten.
RMPs sind extrazelluläre Vesikel (EVs), die von Erythrozyten bei der Apoptose und bei Einwirken verschiedener Stressoren gebildet werden. Bei der Prozessierung und Lagerung von EKs akkumulieren RMPs in unphysiologischer Menge, und möglicherweise sind diese RMPs anders als jene, die in vivo gebildet werden. Ob RMPs direkte Effekte auf Malignomzellen haben, wurde noch nicht untersucht.
Das Forschungsgebiet rund um EVs ist relativ jung, weshalb noch keine echten Goldstandards bei Isolierung und Quantifizierung vorliegen. Während bei den RMPs hierfür am häufigsten Ultrazentrifugation (UZ) und Durchflusszytometrie verwendet werden, haben beide Methoden gewisse Einschränkungen. Mit der Größenausschlusschromatographie (size exclusion chromatography, SEC) liegt ein Verfahren vor, das sich bei anderen EVs als effektive Alternative zur UZ gezeigt hat und das zudem die Eigenschaften und biologischen Aktivitäten der empfindlichen EVs möglicherweise besser erhält.
Ziel dieser Arbeit war es, im Zellkulturmodell zu untersuchen, ob RMPs aus EKs möglicherweise einen Einfluss auf Viabilität, Migration und Invasion maligner Zellen haben. Hierzu wurde die Kolonkarzinomzelllinie HCT-116 genutzt. Zudem sollte mit der SEC eine alternative Isolierungsmethode für RMPs etabliert werden und ein möglicher Einfluss der Isolierungsmethode auf die biologische Aktivität der RMPs untersucht werden.
Insgesamt zeigte sich in den in vitro-Untersuchungen ein geringer Effekt von RMPs auf die Viabilität, Migration und Invasion von HCT-116-Zellen und dies auch nur in sehr hohen Konzentrationen, die in der Hämotherapie eines Patienten vermutlich nie erreicht werden. Es gilt, diese Beobachtungen in weiterführenden in vivo-Studien (zum Beispiel in Tiermodellen) zu verifizieren.
Die SEC zeigte sich als gut geeignet zur Isolierung von RMPs im Hinblick auf die RMP-Ausbeute und die Auftrennung der RMPs von Proteinen. Die RMPs, die via SEC isoliert wurden, hatten im Gegensatz zu RMPs, die via UZ isoliert wurden, keinen Einfluss auf die Viabilität von HCT-116-Zellen.
Die primäre Quantifizierungsmethode für RMPs war die Durchflusszytometrie, welche bei der Untersuchung kleiner EVs einige Einschränkungen hat, da die Auflösungsgrenze im Bereich der EV-Größe liegt. Ein Vergleich mit einer für EVs ausgelegten Technik, der Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA), zeigte, dass der Großteil der in den RMP-Isolaten enthaltenen Partikel in der Durchflusszytometrie nicht erkannt wird. Dieses Ergebnis könnte durch eine mangelhafte Sensitivität der Durchflusszytometrie, aber auch durch die Unspezifität der NTA erklärt werden. Es wurde in der NTA keine Färbung verwendet, daher konnten auch andere EVs und Partikel wie Lipoproteine mitgezählt werden.
The heart is the first functional organ that develops in the embryo. To become a functional organ, it undergoes several morphogenetic processes. These morphogenetic events involve different cell types, that interact with each other and respond to the surrounding extracellular matrix, as well as intrinsic and extrinsic mechanical forces, assuming different behaviors. Additionally, transcription factor networks, conserved among vertebrates, control the development.
To have a better understanding of cell behavior during development, it is necessary to find a model system that allows the investigation in vivo and at single-cell resolution. Thanks to the common evolutionary origin of the different cardiac structures, together with the conserved molecular pathways, the two-chambered zebrafish heart offers many advantages to study cell behavior during cardiac morphogenesis. Here, using the zebrafish heart as a model system, I uncovered the cell behavior behind two of the main cardiac morphogenetic events: cardiac wall maturation and cardiac valve formation.
In the first part of this study, I investigated how the cardiac wall is maintained at the molecular level. Using genetic, transcriptomic, and chimeric analyses in zebrafish, we find that Snai1b is required for myocardial wall integrity. Global loss of snai1b leads to the extrusion of CMs away from the cardiac lumen, a process we show is dependent on cardiac contractility. Examining CM junctions in snai1b mutants, we observed that N-cadherin localization was compromised, thereby likely weakening cell-cell adhesion. In addition, extruding CMs exhibit increased actomyosin contractility basally, as revealed by the specific enrichment of canonical markers of actomyosin tension - phosphorylated myosin light chain (active myosin) and the α-catenin epitope α-18. By comparing the transcriptome of wild-type and snai1b mutant hearts at the early stages of CM extrusion, we found the dysregulation of intermediate filament genes in mutants including the upregulation of desmin b. We tested the role of desmin b in myocardial wall integrity and found that CM-specific desmin b overexpression led to CM extrusion, recapitulating the snai1b mutant phenotype. Altogether, these results indicate that Snai1 is a critical regulator of intermediate filament gene expression in CMs and that it maintains the integrity of the myocardial epithelium during embryogenesis, at least in part by repressing desmin b expression.
In the second part of this study, I focused on the behavior of valve cells during cardiac development. Using the zebrafish atrioventricular valve, I focus on the valve interstitial cells which confer biomechanical strength to the cardiac valve leaflets. We find that initially AV endocardial cells migrate collectively into the cardiac jelly to form a bilayered structure; subsequently, the cells that led this migration invade the extracellular matrix (ECM) between the two EC monolayers, undergo an endothelial-to-mesenchymal transition as marked by loss of intercellular adhesion, and differentiate into VICs. These cells proliferate and are joined by a few neural crest-derived cells. VIC expansion and a switch from a pro-migratory to an elastic ECM drive valve leaflet elongation. Functional analysis of Nfatc1 reveals its requirement during VIC development. Zebrafish nfatc1 mutants form significantly fewer VICs due to reduced proliferation and impaired recruitment of endocardial and neural crest cells during the early stages of VIC development. Analysis of downstream effectors reveals that Nfatc1 promotes the expression of twist1b, a well-known regulator of epithelial-to-mesenchymal transition. This study shows for the first time that Nfatc1 regulates zebrafish VICs formation regulating valve EMT in part by regulating twist1b expression. Moreover, it proposes the zebrafish valve as an excellent model to study the cellular and molecular process that regulate VIC development and dysfunction.
In conclusion, my work: 1) identified an unsuspected role of Snai1 in maintaining the integrity of the myocardial epithelium, opening new avenues in its role in regulating cellular contractility; 2) uncovered the function of Nfatc1 in the establishment of the VIC, establishing a new model to study valve development and function.
Aortic valve (AV) and root replacement with composite graft and re-implantation of coronary arteries described first by Bentall and de Bono in 1968, is considered as a standard operation for treatment of different pathologies of the AV and aortic root. In centres where aortic valve and root repair techniques and Ross operation are well established, generally severely diseased patients remain indicated for this procedure. The aim of this study was to evaluate the early and long-term outcomes after Bentall-De Bono (BD) procedures in high-risk population with complex pathologies and multiple comorbidities.
Between 2005 and 2018, a total of 273 consecutive patients (median age 66 years; 23 % female) underwent AV and root replacement with composite-graft in so called button technique. We divided our population in the following groups: 1. acute type A aortic dissection group (ATAAD) (n = 48), 2. endocarditis group (n = 99) and 3. all other pathologies group (n = 126). The surgery has been per- formed emergent/urgent in 131 patients (49 %) and in 109 cases (40%) as a reoperation. Concomitant surgery was required in 97 patients (58%) and 167 pa- tients (61%) received a biological composite-graft.
Follow-up was completed in 96% (10 patients lost to follow-up) with a mean of 8.6 years (range 0.1-15.7 years), counting a total of 1450 patient-years. Thirty- day mortality was 17% (46 patients). The overall estimated survival in 5 and 10 years was 64% ± 3%) and 46% ±4 %). Group comparison showed a significant difference in favour of patient from the dissection group (p = 0.008). Implantation of a biological valve graft was associated with lower survival probability (p < 0.001). There was no significant difference in the freedom of reoperation rate between the groups. The same applies for freedom of postoperative endocarditis, thromboembolic events, and aortic prosthesis dysfunction. According to the uni- variate and multivariate logistic regression analysis primarily postoperative neu- rological dysfunction (OR 5.45), hypertension (OR 4.8) peripheral artery disease (OR 4.4), re-exploration for bleeding (OR 3.37) and postoperative renal replace- ment therapy (OR 3.09) were identified as leading predictors of mortality.
In conclusion, the BD operation can be performed with acceptable short- and long-term results in high-risk patients with complex aortic pathologies in a centre with well-established AV repair and Ross operation program.
Solute carrier (SLC) are related to various diseases in human and promising pharmaceutical targets but more structural and functional information on SLCs is required to expand their use for drug design and therapy. The 7-transmembrane segment inverted (7-TMIR) fold was identified for the SLC families 4, 23 and 26 in the last decade thus detailed analysis of the structure function relationship of one of these families might also yield insights for the other two. SVCT1 and SVCT2 from the SLC23 family are sodium dependent ascorbic acid transporters in human but structural analysis of the SLC23 family is exclusively based on two homologs – UraA from E. coli and UapA from A. nidulans – yielding two inward-facing and one occluded conformation. In combination with outward-facing conformations from SLC4 transporters, and additional information from the SLC26 family, an elevator transport mechanism for all 7-TMIR proteins was identified but detailed mechanistic features of the transport remain elusive due to the lack of multiple conformations from individual transporters.
To increase the understanding of 7-TMIR protein structure and function in this study, the transport mechanism of SLC23 transporters was analyzed by two strategies including selection of alpaca derived nanobodies and synthetic nanobodies against UraA as prokaryotic model protein of the SLC23 family. The second strategy involved mutagenesis of UraA at functional relevant positions regarding the conformational change during transport. Therefore, available structures of 7-TMIR proteins and less related elevator transporters were analyzed and a common motif identified – the alpha helical inter-domain linkers. The proposed rigid body movement for transport in combination with the characteristic alpha helical secondary structure of the linkers connecting both rigid bodies led to the hypothesis of functional relevance of the linkers and a conformational hinge being located in close proximity to the linkers. These positions were identified and used to modulate the biophysical properties of the transporter. Mutagenesis at three relevant positions led to loss of transport functionality and these UraA variants could be recombinantly produced and purified to further examine the underlying mechanistic effects. The variants UraAG320P and UraAP330G from the periplasmic inter-domain linker showed increased dimerization and thermal stability as well as substrate binding in solution. The substrate affinity of UraAG320P was identified to be 5-fold higher compared to the wildtype. The solvent accessibility of the substrate binding site in UraAG320P and UraAP330G revealed reduced open probability that indicated an altered conformational space compared to UraAWT. This phenomenon was analyzed in more detail by differential hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry and the results supported the hypothesis of a reduced open probability and gave further insights into the impact of the two mutations in the periplasmic inter-domain linker in UraA.
This thesis further presents strategies for phage display selection of nanobodies with epitope bias and a post selection analysis pipeline to identify nanobodies with desired binding characteristics. Thereby, whole cell transport inhibition highlighted periplasmic epitope binders and conformational selectivity. A cytoplasmic epitope could be identified by pulldown with inside-out membrane vesicles for one cytoplasmic side binder. Thermal stabilization analysis of the target protein in differential scanning fluorometry was performed in presence of two different nanobodies to identify simultaneous binding by additional thermal stabilization respectively competition by intermediate melting temperatures. Combination of epitope information with simultaneous DSF could be used to identify the stabilization of different UraA conformations by a set of binders and presents a general nanobody selection strategy for other SLCs. Synthetic nanobodies (sybodies) were also included in the analysis pipeline and Sy45 identified as promising candidate for co-crystallization that gave rise to UraAWT crystals in several conditions in presence or absence of uracil. Similar crystals could be obtained in combination with UraAG320P that were further optimized to gain structural information on this mutant. The structure was solved by molecular replacement and the model refined at 3.1 Å resolution confirming the cytoplasmic epitope of Sy45 as predicted by the selection pipeline. The stabilized conformation was inward-facing similar to the reported UapA structure but significantly different to the previously reported inward-facing structure of UraA. The structure further confirmed the structural integrity of the UraA mutant G320P. Despite the monomeric state of UraA in the structure, the gate domain aligned reasonably well with the gate domain of the previously published dimeric UraA structure in the occluded conformation and allowed detailed analysis of the conformational transition in UraA from inward-facing to occluded by a single rigid body movement. Thereby little movement in the gate domain of UraA was observed in contrast to a previously reported transport mechanism. Core domain rotation around a rotation axis parallel to the substrate barrier was found to explain the major part of conformational transition from inward-facing to occluded and experimentally supported the hypothesized mechanism by Chang et al. (2017). Additionally, the conformational hinge around position G320 in UraA could be identified as well as the impact of the backbone rigidity introduced by the highly conserved proline residue at position 330 in UraA on the conformational transition. This position was found to serve as anchoring point the inter-domain linker and determines the coordinated movement of inter-domain linker and core domain. The functional analysis further highlighted the requirement of alpha helical secondary structure within the inter-domain linker that serves as amphipathic structural entity that can adjust to changed core-gate domain distances and angles during transport by extension/compression or bending while preserving the rigid linkage.
The applied strategies to modulate the conformational space of UraA by mutagenesis at the hinge positions in the inter-domain linkers is transferrable to other transporters and might facilitate their structural and functional characterization.
Further, this study discusses the conformational thermostabilization of UraA that is based on increased melting temperatures upon restriction of its conformational freedom. The term ‘conformational thermostabilization’ introduced by Serrano-Vega et al. (2007) could be experimentally supported and the direct correlation between the conformational freedom and thermostabilization was qualitatively analyzed for UraA. The concept of conformational thermostabilization might help in characterization of other dynamic transport systems as well.
Despite all advancements in cancer research and clinical practice, cancer remains a life- threatening disease with an increasing incidence. According to a 2018 WHO forecast, cancer incidence will double to approximately 37 million new cancer cases by 2040. Today, clinical management of cancer is based on a "one-fits-all" strategy. Most cancers are still treated by surgical therapy followed by adjuvant or neoadjuvant chemotherapy based on rather strict guidelines (S3 guidelines in Europe) which are based on studies of large cohorts of patients with the same tumor entity. While this approach has led to substantial increases in progression-free survival and overall patient survival, most patients do not benefit from the administered treatment regimen. One reason for this is intra-tumor heterogeneity, which results from clonal evolution between cancer cells and their environment. This means that cancer patients may respond differently to a particular drug due to the different mutation patterns of their tumor cells. Therefore, patients should be screened in advance for reliable cancer biomarkers that definitively predict whether they will respond to a particular therapy. This would increase the probability of a successful treatment.
Colorectal cancer (CRC) is the third most diagnosed cancer and the second leading cause of cancer deaths worldwide. The main cause of death in CRC is a metastatic disease, which is presented in 20 % of patients and eventually develops in more than 30 % of early-stage patients. Despite the significant increase (to more than 30 months) in median survival with the development of cytotoxic agents and the introduction of targeted therapy, the progression-free survival in the first-line setting has remained largely unchanged over the past decade.
The heterogeneity in CRC is characterized by alterations in multiple signaling pathways that affect cellular functions such as cell proliferation or apoptosis. Commonly affected signaling pathways include the mitogen-activated protein kinase (MAPK)- and the transforming growth factor-β/bone morphogenetic protein (TGF-β/BMP)-pathway. Alterations in the TGF-β/BMP pathway, due to mutations in the SMAD4 gene (mothers against decapentaplegic homolog 4), are associated with different drug response and promote resistance to chemotherapy. In addition, they are associated with a higher recurrence rate.
SMAD4 is one of the most common cancer driver genes, and mutations occur in up to 15 % of CRC cases. Therefore, there is an urgent need for therapeutic agents that can specifically target SMAD4-mutated tumors.
The aim of the present study was the identification of the clinical relevance of the SMAD4 gene and the investigation of its suitability as a potential biomarker in CRC.
For this purpose, I investigated sibling patient-derived organoids (PDOs) derived from different regions of a chemo-naïve CRC tumor. PDOs are 3D cell cultures that reliably recapitulate the architecture of the tissue of origin, as well as preserve the genomic background and intra-tumor heterogeneity. The sibling PDOs (R1R361H and R4wt) shared the most common CRC mutations, such as KRASG12D (kirsten rat sarcoma), PIK3CAH1047R (phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate 3-kinase, catalytic subunit alpha), and TP53C242F (tumor protein 53), but differed in a SMAD4R361H mutation and showed a different drug response. The single nucleotide variant R361H of the SMAD4 gene is among the most common pathogenic alterations in various cancers, including CRC.
The sibling PDOs showed significant differences in response to the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. MEK-inhibitors are antineoplastic agents that inhibit the function of MEK1 and MEK2, preventing phosphorylation of transcription factors, which leads to inhibition of tumor cell proliferation. MEK-inhibitors are approved for the treatment of malignant melanoma. Currently, they are in phase-III clinical trials for the treatment of patients with metastatic CRC.
To investigate whether SMAD4R361H is responsible for sensitivity to MEK-inhibitors, Iestablished three syngeneic PDOs harboring a SMAD4R361H mutation using the CRISPR/Cas9 genome editing system. All CRISPR-PDOs were significantly more sensitive to the MEK-inhibitors, compared to R4wt. I have shown that the SMAD4R361H mutation is responsible for sensitivity to MEK inhibition in CRC models and may be a predictive biomarker.
To test this hypothesis, I examined 62 CRC PDO models and treated them with the MEK-inhibitors cobimetinib, trametinib, and selumetinib. All models that had a pathogenic mutation or deletion in the SMAD4 gene (15 %) were sensitive to cobimetinib, 10 % of models were sensitive to trametinib, and 8 % were sensitive to selumetinib.
I performed transcriptome (RNA sequencing) and proteome analyses using the DigiWest® method to investigate the mechanism underlying MEK-inhibitor sensitivity.
DigiWest® is a Luminex® bead-based analysis that allows the simultaneous analysis of over 100 (phospho-)proteins. The transcriptome and proteome data support the observation that MEK inhibition primarily affects SMAD4R361H PDOs. Furthermore, I have shown that activation of the BMP signaling pathway in organoids with wild-type SMAD4 appears to be responsible for resistance to MEK-inhibitors. Thus, a genetic alteration in the BMP signaling pathway, beyond SMAD4, could lead to sensitivity to MEK-inhibitors.
I identified four genes involved in the TGF-β/BMP signaling pathway that are frequently mutated in CRC and grouped them into the so-called SFAB-signature (SMAD4, FBXW7 (F-box/WD repeat-containing protein 7), ARID1A (AT-rich interactive domain-containing protein 1A), or BMPR2 (Bone morphogenetic protein receptor type II). Clinical data show that approximately 36 % of CRC patients have at least one pathogenic mutation in these genes.
I tested all 62 CRC PDO models and found a significant positive prediction for sensitivity to cobimetinib (95 %) and selumetinib (70 %) for the SFAB-signature. Trametinib and the newly approved MEK-inhibitor binimetinib showed a similar trend. Therefore, the SFAB-signature has high predictive power for response to MEK-inhibitors and could be used as a predictive biomarker panel.
The current clinically used biomarkers for CRC are based on the mutation status of driver genes KRAS and BRAF, which are present in up to 50 % and 10 % of CRC, respectively. Investigation of molecular alterations in CRC revealed that mutations in the KRAS gene, which is downstream of EGFR (epidermal growth factor receptor) in the MAPK-pathway, interfere with an anti-EGFR-antibody therapy (e.g., cetuximab). Therefore, cetuximab is only relevant for RAS wild-type tumors. However, approximately 40 % of patients with RAS wild-type status do not respond to this treatment.
About 53 % of CRC PDO models carry a pathogenic RAS mutation, about 10 % harbor a pathogenic BRAF mutation. Both, the RAS and RAF status alone as well as the combination of RAS and RAF status with SFAB-signature did not provide a better prediction of sensitivity to MEK inhibition.
Im Zentrum dieser Arbeit steht die Diagnostik eines Wasserstoff-Theta-Pinch-Plasmas hinsichtlich der integrierten Elektronen- und Neutralgasdichte mittels Zweifarben Interferometrie. Die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte sind essenzielle Größen, aus welchen sich die Ratenkoeffizienten der Ionisation und Rekombination bei einer Plasma-Ionenstrahl-Wechselwirkung bestimmen lassen.
Ein Theta-Pinch-Plasma ist ein induktiv gezündetes Plasma, wobei das zur Zündung notwendige elektrische Feld durch ein magnetisches Wechselfeld generiert wird. Das induzierte, azimutale elektrische Feld beschleunigt freie Elektronen im Arbeitsgas, welches durch Stoßionisation in den Plasmazustand gebracht wird. Der azimutale Plasmastrom erzeugt einen radialen magnetischen Druckgradienten, der das Plasma komprimiert. Da in axialer Richtung keine Kompressionskraft wirkt, weicht das Plasma einer weiteren Kompression aus, wodurch es zu einer axialen Expansion des Plasmas kommt. Die Expansion erzeugt eine Ionisationswelle im kalten Restgas und es wird eine lange, hoch ionisierte Plasmasäule gebildet.
Dieser hochdynamische Prozess ist mit einem Mach-Zehnder-Interferometer bei der Verwendung von zwei verschiedenen Versionen des Theta-Pinchs zeitaufgelöst untersucht worden. Der Unterschied dieser Versionen liegt in der Geometrie und Induktivität der Spulen, wobei zum einen eine zylindrische und zum anderen eine sphärische Spule eingesetzt worden ist. Das grundlegende Messprinzip beruht darauf, dass das Plasma einen Brechungsindex besitzt, welcher von den Dichten der im Plasma enthaltenen Teilchenspezies abhängt. In einem Wasserstoffplasmas sind dies der Beitrag der freien Elektronen und der des Neutralgases, wodurch ein Zweifarben-Interferometer eingesetzt wird. Um eine von den Laserintensitäten unabhängige Messung zu ermöglichen, wird das heterodyne Verfahren benutzt, bei dem die Referenzstrahlen beider Wellenlängen jeweils mit einem akusto-optischen Modulator frequenzverschoben werden. Durch einen Vergleich mit einem stationären Referenzsignal mittels eines I/Q-Demodulators wird die interferometrische Phasenverschiebung aus dem Messsignal extrahiert.
Mit diesem diagnostischen Verfahren ist die integrierte Elektronen- und Neutralgasdichte des Theta-Pinch-Plasmas bei Variation des Arbeitsdrucks und der Ladespannung der Kondensatorbank untersucht worden. Mit der zylindrischen Experimentversion ist eine optimale Kombination aus integrierter Elektronendichte und effektivem Ionisationsgrad η von (1,45 ± 0,04) · 1018 cm−2 bei η = (0,826 ± 0,022) bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 16 kV ermittelt worden. Dagegen beträgt die optimale Kombination bei einem Arbeitsdruck von 20 Pa und einer Ladespannung von 18 kV bei Verwendung der sphärischen Experimentversion lediglich (1,23 ± 0,03) · 1018 cm−2 bei η = (0,699 ± 0,019).
Des Weiteren ist bei beiden Experimentversionen nachgewiesen worden, dass die integrierte Elektronendichte dem oszillierenden Strom folgend periodische lokale Maxima zeigt, welche zeitlich mit signifikanten Einbrüchen in der integrierten Neutralgasdichte zusammenfallen. Diese Einbrüche werden durch die axiale Expansion des Plasmas und der damit verbundenen Ionisationswelle im Restgas erzeugt. Neben diesem zentralen Teil dieser Arbeit ist eine lasergestützte polarimetrische Diagnostik durchgeführt worden, mit der die longitudinale Komponente der magnetischen Flussdichte der Theta-Pinch-Spulen zeit- und ortsaufgelöst bestimmt worden ist. Als Messprinzip ist der Faraday-Effekt eines magneto-optischen TGGKristalls verwendet worden.
Vor der polarimetrischen Diagnostik ist der TGG-Kristall bezüglich seiner Verdet- Konstante kalibriert worden, wobei ein Wert von V = (−149,7 ± 6,4) rad/Tm gemessen worden ist. Die ortsaufgelöste polarimetrische Diagnostik ist durch einen Seilzug ermöglicht worden, mit dem der TGG-Kristall auf einem Schlitten an unterschiedliche Positionen entlang der Spulenachse gefahren werden konnte. An den jeweiligen Messpunkten ist für beide Experimentversionen die magnetische Flussdichte für verschiedene Ladespannungen zeitaufgelöst bestimmt worden. Als Messverfahren ist dabei das Δ/Σ-Verfahren eingesetzt worden, mit dem sich eine intensitätsunabhängige Messung erzielen ließ.
Die ortsaufgelösten Messergebnisse fallen gegenüber Simulationen allerdings zu niedrig aus. Bei der zylindrischen Spule betragen die Abweichungen im Spulenzentrum circa 14 - 16% und bei der sphärischen Spule in etwa 16 - 18%. Bei einer Normierung der Messwerte und der simulierten Werte auf den jeweiligen Wert im Zentrum ist dagegen innerhalb der Fehler eine völlige Übereinstimmung zwischen den Messwerten und der Simulation für die zylindrische Spule erzielt worden. Als Ursache der negativen Abweichungen wird die Hysterese des TGG-Kristalls diskutiert. Es zeigt sich insbesondere zu Beginn der Entladung eine zeitliche Verzögerung der gemessenen magnetischen Flussdichte gegenüber dem Strom, die in der Umgebung des Stromnulldurchgangs besonders stark ausgeprägt ist.
While B-cell acute lymphoblastic leukaemia (B-ALL) can be described as the leukaemia of childhood, chronic myeloid leukaemia (CML) mostly develops in elderly individuals. Understanding and utilising mechanisms involved in the development and persistence of these leukaemias as possible targets for treatment strategies has received particular interest. Processes that happen in the vicinity of the cancerous cells themselves could influence cancer growth and behaviour and hence can serve as novel targets, leading to the development of two-pronged therapies that act both on leukaemic cells directly as well as their niche. The niche in the case of leukaemia is the bone marrow microenvironment (BMM) where these cells are not only generated but also instructed and protected. As the BMM is situated inside bones that undergo drastic changes and growth processes during the ageing process, the BMM itself is also being altered throughout life. These alterations and the very process of expansion itself may therefore also provide distinct regulatory influences on the cells (healthy or malignant) that are generated inside this niche, leading to the question: Does the age of the bone marrow microenvironment differentially influence the development of (“childhood”) B-ALL versus (“adult”) CML by the release of cytokines?
In previous studies by the host-laboratory the age distribution of B-ALL versus CML in a murine transduction/ transplantation model could be recapitulated; young mice which received the same number of leukaemia-initiating cells as their old counterparts died significantly earlier of B-ALL while showing a significantly delayed clinical course, when they were suffering from CML. The tumour load and other leukaemia-associated parameters also showed a clear disposition towards preferential induction of CML in elderly and B-ALL in younger mice.
In this project we could support the hypothesis that the age of the BMM differentially influences the proliferation of leukaemic cells and thereby the development and persistence of different types of leukaemias by utilising different in vitro culture experiments. Specifically, we could show that young (compared to old) bone marrow
11 stroma cells (BMSC) support the growth of (BCR-ABL1+) B-ALL cells both in a direct, cell on cell co-culture setting, as well as in young BMSC-derived conditioned medium. This supports the hypothesis that varying factors are differentially released from a young versus an old BMM and influence the growth of the leukaemia cells. The opposite might be true for CML cells (BCR-ABL1+ 32D cells); BMSC obtained from old animals showed a tendency to support their growth more profoundly than cells acquired from young animals.
Possible proteins responsible for the distinct regulation of myeloid versus lymphatic leukaemic cells by young versus old BMM have also been studied. We investigated C-X-C motif chemokine 13 (CXCL13) and growth differentiation factor 11 (GDF11) in their effect on leukaemia cells, as both proteins having previously been described to have tumour-modelling properties and age-dependent levels (see below).
We identified an increased secretion of CXCL13, a B-cell chemotactic factor, into conditioned medium from young versus old BMSC. In accordance with this we found migration of B-ALL cells towards BMSC from young compared to old mice to be improved, while adhesion of both B-ALL and CML cells to young versus old BMSC did not show any differences. By blocking CXCL13 the proliferation-supporting effect of young BMSC on B-ALL cells could be diminished. Similar effects could be demonstrated by blocking GDF11.
In the case of CML cells we could observe the opposite effect; blocking CXCL13 and GDF11 increased their proliferation in a co-culture with BMSC. This supported our hypothesis that both cytokines differentially regulate B-ALL and CML behaviour. After the completion of this thesis, another member of the host-laboratory convincingly demonstrated the role of BMM age in the regulation of B-ALL via CXCL13 signalling (see discussion).
The aim of this thesis is to provide a complete and consistent derivation of second-order dissipative relativistic spin hydrodynamics from quantum field theory. We will proceed in two main steps. The first one is the formulation of spin kinetic theory from quantum field theory using the Wigner-function formalism and performing an expansion in powers of the Planck constant. The essential ingredient here is the nonlocal collision term. We will find that the nonlocality of the collision term arises at first order in the Planck constant and is responsible for the spin alignment with vorticity, as it allows for conversion between spin and orbital angular momentum.
In the second step, this kinetic theory is used as the starting point to derive hydrodynamics including spin degrees of freedom. The so-called canonical form of the conserved currents follows from Noether’s theorem.
Applying an HW pseudo-gauge transformation, we obtain a spin tensor and energy-momentum tensor with obvious physical interpretation. Promoting all components of the HW tensors to be dynamical, we derive
second-order dissipative spin hydrodynamics. The additional equations of motion for the dissipative currents are obtained from kinetic theory generalizing the method of moments to include spin degrees of freedom.
Leukemia is a cancer of the blood and bone marrow characterized by an uncontrolled proliferation and accumulation of abnormal white blood cells. Leukemia can be classified based on the course of the disease (acute or chronic) and the blood cell type involved (myeloid or lymphocytic), leading to four main subtypes: acute lymphoblastic leukemia (ALL), acute myeloid leukemia (AML), chronic lymphocytic leukemia (CLL) and chronic myeloid leukemia (CML). Leukemia represents 2.5% of all new cancer cases per year, and survival rates in some leukemias remain low at 40%.
The bone marrow microenvironment (BMM) is a system within the bone marrow comprising cellular and acellular components, all of which play a major role in hematopoiesis, providing the physical space where hematopoietic stem cells (HSCs) reside. The BMM interacts with HSCs, offering a “niche” for those cells and in case of leukemia, the BMM has a supportive role in disease maintenance and progression by supporting Leukemia stem cells (LSCs). One of the components of the BMM are calcium ions. Calcium is the most abundant mineral in the body, a key component of bones and is released by parathyroid hormone (PTH) induced bone remodeling. Calcium ions play a role in the localization, engraftment and adhesion of normal HSC to extracellular matrix (ECM) proteins in the BMM via the calcium sensing receptor (CaSR), thereby maintaining normal hematopoiesis. In addition of a major regulator of calcium homeostasis, CaSR contribute to the development of different cancers, functioning as either tumor suppressor or oncogene, depending on the involved tissue. However, the role of CaSR and its associated pathways in the local BMM for the development of leukemia is poorly understood. We hypothesized that calcium ions released from bone, subject to a fine balance between osteoblasts and osteoclasts, and/or CaSR, contribute to development, progression and response to therapy.
We have shown that the local calcium concentration forms a gradient in the bone marrow niche and in mice with CML is similarly low as in control mice, but significantly higher in mice suffering from BCR ABL1 driven B ALL or MLL AF9 driven AML. Similarly, the calcium concentration in the human BMM was found to be higher in AML than in other leukemias. Regarding the function of calcium in leukemia cells, we found that AML and CML cells respond differently to calcium exposure, with AML cells exhibiting regulation of cellular processes such as adhesion to the ECM protein fibronectin and migration toward CXCL 12, whereas CML cells remained mostly unaltered. Using genetic deletion or overexpression of CaSR in murine models of leukemia, we observed that CaSR acts as tumor suppressor in BCR-ABL1 driven CML and B ALL and as oncogene in AML.
Focusing on AML, our data shows that deficiency of CaSR on LICs leads, on one hand to increased apoptosis, and on the other hand to reduced cell cycle, reactive oxygen species (ROS) production and DNA damage in vivo, which may explain the observed prolongation of survival of mice. Complementary, in vitro experiments demonstrated that cells overexpressing CaSR have a distinct, cancer promoting phenotype compared to wildtype cells. Overexpression of CaSR led to an increase in proliferation, cell cycle, ROS production, DNA damage and reduced apoptosis. We have identified CaSR mediated pathways in AML and shown that CaSR enhances leukemia progression by activating MAPK/ERK and Wnt β catenin signaling. In addition, the CaSR interacting protein filamin A (FLNA) was shown to contribute to aggressive disease in vitro and in vivo. Furthermore, the mechanism underlying the role of CaSR in AML pathogenesis and possible regulation of LSCs was studied. Our findings demonstrated that CaSR ablation reduces myeloid progenitor function and proved that CaSR is required for maintenance of LSC pool by regulating its frequency and function. Further supporting the role of CaSR in LSC maintenance, genes associated with AML stemness and self renewal capacity were upregulated when CaSR was overexpressed and downregulated when CaSR was depleted. Given the role of CaSR in AML, the CaSR antagonist NPS 2143 was tested in vivo. The combination treatment of NPS 2143 with the standard of care, ara C, significantly reduced the tumor burden and prolonged the survival of mice with AML in syngeneic and xenotransplantation experiments. Based on the finding that CaSR functions as a tumor suppressor in CML, treatment of mice with the CaSR agonist cinacalcet in combination with imatinib prolonged survival of mice with CML compared to treatment with the mice given vehicle.
Our results suggest that calcium ions stemming from the calcium-rich BMM via CaSR strongly and differentially influence leukemia progression. As an adjunct to existing treatment therapies, targeting of CaSR with specific pharmacologic antagonists may prolong survival of patients with AML.
Mitochondria are important for cellular health and their dysfunction is linked to a variety of diseases, especially neurodegeneration. Thus, the renewal and degradation of dysfunctional mitochondria is crucial for the well-being of organisms. The selective digestion of damaged mitochondria via the lysosome (mitophagy), is the main pathway to do so.
In my dissertational work, I investigated the connection between protein misfolding, protein import into mitochondria and the degradation of mitochondria via mitophagy. Here, I present a new model for the initiation of mitophagy without collapse of the membrane potential. This model provides the link between protein import into mitochondria, stress signal transduction to the cytosol and the mitochondrial stress sensor PINK1. To comprehensively examine how mitophagy can be triggered, I performed a genome-wide CRISPR knockout screen utilizing the mitophagy reporter mitochondrial mKEIMA. Thereby, I observed numerous novel gene deletions that induce mitophagy. Prominently, I identified an accumulation of gene deletions of the protein import and of protein quality control factors. I validated several of those and examined HSPA9 (mitochondrial HSP70) and LONP1 (a mitochondrial matrix AAA protease) in more detail, regarding their effect on mitophagy and protein import. For this, I used an established fluorescence-based, mitochondrial-targeted EGFP, as well as a newly-developed pulsed-SILAC mass spectrometry approach (mePRODmt). Depletions of both genes resulted in reduced protein import and PINK1-dependent mitophagy. Strikingly, I did not observe any loss of mitochondrial membrane potential, which was hitherto believed to be essential for activation of PINK1-mediated mitophagy. Literature shows that certain mitochondrial stressors can also induce mitophagy without mitochondrial membrane depolarization, which I confirmed with my assays. Next, I characterized the impact of LONP1 and HSPA9 depletion, which are involved in proteostasis maintenance, and the mtHSP90 inhibitor GTPP on mitochondrial protein folding in more detail. GTPP treatment and LONP1 depletion both resulted in the accumulation of an insoluble protein fraction, as judged by proteomic analysis. This insoluble protein fraction enriched several components of the presequence translocase-associated motor PAM, including TIMM44. TIMM44 acts as a link between the translocon, the import pore of the inner mitochondrial membrane (TIM) complex and the PAM complex. Thus, I hypothesized that TIMM44 dissociates from the TIM complex upon protein folding stress, when it becomes part of the insoluble protein fraction. To validate this model, I measured the TIMM44 interactome upon proteostasis disturbance using proximity labeling. Indeed, interaction of TIMM44 with the import pore was almost completely abolished, explaining the loss of matrix-targeted import upon protein folding stress. From these findings, I reasoned that an import reduction mediated by the PAM complex would likely also inhibit the degradation of PINK1. Consistent with this hypothesis, I observed that mitophagy induced by HSPA9 or LONP1 deletion was prevented when PINK1 was genetically deleted. In comparison, non-processed PINK1 was stabilized on mitochondria in wild type cells when mitochondrial protein import was impaired. On this basis, I drew the conclusion that the loss of mitochondrial import was the stress signal, which leads to the stabilization of PINK1, as it could not be processed anymore via the inner mitochondrial membrane protease PARL. PINK1 auto-activates itself upon accumulation and signals to the cytosol that this mitochondrion is damaged. Mitophagy is subsequently initiated by the ubiquitin kinase activity of PINK1. As a result, the autophagy apparatus gets activated, damaged mitochondria are engulfed by a double membrane and removed via lysosomal digestion. This proposed model is, to the best of my knowledge, the first to provide an explanation for protein folding stress-induced and protein import inhibition-triggered mitophagy without mitochondrial depolarization. The model thus extends the PINK1/PARKIN-dependent mitophagy pathway to milder stresses and clears some of the open questions in the field. Furthermore, this work is also important, because protein misfolding stress and dysfunctional mitochondria are two hallmarks of neurodegeneration. In particular, mitochondrial protein import inhibition during Parkinson’s and Huntington disease might be driver of mitochondrial dysfunction. Hence, I hope and anticipate that the newly developed protein import method, mePRODmt, and the proposed model will be beneficial to further characterize underlying processes and to establish which factors prevent or drive these disorders on molecular level.
This thesis is concerned with the study of symmetry breaking phenomena for several different semilinear partial differential equations. Roughly speaking, this encompasses equations whose symmetries are not necessarily inherited by their solutions, which is particularly interesting for ground state solutions.
Reactive oxygen species are a class of naturally occurring, highly reactive molecules that change the structure and function of macromolecules. This can often lead to irreversible intracellular damage. Conversely, they can also cause reversible changes through post-translational modification of proteins which are utilized in the cell for signaling. Most of these modifications occur on specific cysteines. Which structural and physicochemical features contribute to the sensitivity of cysteines to redox modification is currently unclear. Here, I investigated the in uence of protein structural and sequence features on the modifiability of proteins and specific cysteines therein using statistical and machine learning methods. I found several strong structural predictors for redox modification, such as a higher accessibility to the cytosol and a high number of positively charged amino acids in the close vicinity. I detected a high frequency of other post-translational modifications, such as phosphorylation and ubiquitination, near modified cysteines. Distribution of secondary structure elements appears to play a major role in the modifiability of proteins. Utilizing these features, I created models to predict the presence of redox modifiable cysteines in proteins, including human mitochondrial complex I, NKG2E natural killer cell receptors and proximal tubule cell proteins, and compared some of these predictions to earlier experimental results.
Eine große Gruppe von Aptameren sind die Guanosintriphosphat (GTP) Aptamere. Diese zeigt sehr eindrücklich, wie RNA unterschiedliche Strategien nutzt, um denselben Liganden zu erkennen. Die komplette Struktur des GTP Klasse II Aptamers wird in der ersten Publikation gezeigt. Interessanterweise zeichnet die Struktur ein stabil protoniertes Adenine unterhalb der GTP-Bindestelle aus. Dieses wurde durch eine Kombination aus weiterführenden NMR- und ITC-Experimente untersucht und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die protonierte Base einen pKs-Wert hat, der weit von der Neutralität verschoben ist. Die Protonierung ist auch noch bei sehr basischen Puffern stabil.
Eine Art der funktionellen Protonierung wird von den zyklischen di-Nukleotiden (CDN) bindenden Riboswitches genutzt, um zwei CDN mit ähnlicher Affinität zu binden. c-di-GMP Riboswitches wurden als regulatorische Einheit beschrieben und deren Kristallstruktur aufgeklärt. Mutationsexperimente führten dazu, dass bei einer G-zu-A Mutation an der Gα-Bindestelle die Selektivität des Riboswitches verändert wurde. Die Mutante bindet sowohl c-di-GMP als auch cGAMP mit ähnlichen Bindungsaffinitäten. Riboswitche, die cGAMP binden wurden auch in der bakteriellen Genomen gefunden. Hierbei ist die Promiskuität unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Untersuchung des Bindungsmodus und der damit verbundenen Promiskuität ist in der zweiten Publikation beschrieben. Hier wurde gezeigt, dass die Riboswitche beide Liganden nur binden können, wenn zur Bindung von c-di-GMP das Ligand bindende A protoniert vorliegt. Auch diese Protonierung konnte mit weiterführenden NMR- und ITC-Experimenten charakterisiert werden. Die Untersuchungen einer solch großen RNA sind mit NMR Spektroskopie herausfordernd. Hierbei wurde ausgenutzt, dass die Kristallstruktur bereits bekannt war, welche allerdings die Protonierung nicht zeigte. Auch diese Protonierung zeigt einen pKs-Wert, der weit von der Neutralität verschoben ist und außerdem bei unterschiedlichen pH stabil ist.
In den beiden untersuchten Beispielen wurden zwei verschiedene Arten von Protonierung gezeigt: eine strukturelle und eine funktionelle. Das GTP Klasse II Aptamer benutzt die Protonierung als strukturelle Basis für die Basis der Ligandenbindungsstelle. Hierbei werden durch die Protonierung des Adenines mehr nutzbare Wasserstoffbrücken ausgebildet und damit die Tertiärstruktur stabilisiert. Im Unterschied dazu nutzen die promiskuitiven CDN Ribsowicthes die Protonierung, um verschiedene Liganden binden zu können und es kommt damit zu einer Verschiebung der Funktionalität. Der regulatorische Nutzen dafür ist allerdings noch unbekannt.
Auch bei den SAM Riboswitches wurde ein promiskuitiver Vertreter beschrieben. SAM Riboswitches gehören zu den am längsten bekannten Klassen der Riboswitches. Bis heute sind hier die meisten unterschiedlichen Klassen bekannt. SAM wird häufig als Donor für funktionelle Gruppen benutzt, besonders häufig als Methlygruppendonor für die Methylierung einer Reihe unterschiedlicher Substrate (z.B. DNA, Proteine, Metabolite etc.). Bei dieser Reaktion entsteht SAH als Nebenprodukt. Zusätzlich ist SAH zelltoxisch, da es affin an Methyltransferasen bindet und damit diese essenzielle Reaktion inhibiert. Eine enge Kontrolle der SAH-Konzentration ist daher kritisch. SAM bindende Riboswitches haben zu SAM eine bis zu 1000-fach höhere Bindungsaffinität im Vergleich zu SAH. Die Beschreibung eines translationalen OFF-Riboswitches, der SAM und SAH mit ähnlicher Affinität bindet, ist daher überraschend. Zumal seine Genassoziation fast ausschließlich zu SAM Synthetasen ist, deren Regulation durch SAH wenig sinnvoll erscheint. Um ein besseres Verständnis für die Funktion des SAM/SAH Riboswitches zu erhalten, wurde seine 3D-Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt, wie in der vierten Publikation beschrieben. Dafür mussten zunächst alle Resonanzen der Sequenz und dem Liganden zugeordnet werden, wie in der dritten Publikation beschrieben. Dabei wurde als Ligand SAH gewählt, da dieser chemisch stabiler und damit für die teils tagelangen NMR-Messungen besser geeignet ist. Zusätzlich wurden Mutanten bzw. verwandte Liganden mittels ITC Experimente auf ihre Bindungseigenschaften untersucht, um die Bedeutung der Linkerlänge, einzelner Basenpaare und funktionelle Gruppen des Liganden zu untersuchen. Bei anderen bekannten SAM Riboswitches umschließt die RNA den Liganden fast komplett. Dabei wird zum einem das Sulfoniumion spezifisch durch die Carboxylgruppen verschiedener Uracil-Nukleotide erkennt und koordiniert. Außerdem bildet sich eine Bindetasche aus, die genug Platz für die stabile Bindung der Methylgruppe hat. Beim SAH Riboswitch wird die Selektivität für SAH dadurch erreicht, dass die Bindetasche sterisch keinen Platz für die Methylgruppe von SAM bereitstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei verschiedene Ligand bindende RNA-Strukturen untersucht, die alle sehr unterschiedliche Strategien zur Bindung der Liganden nutzen. Obwohl Portionierungen bei Aptameren und Riboswitches selten beschrieben wurden, haben sie eine maßgebliche Funktion in den beiden zuerst untersuchten Strukturen. Obwohl bisher im Hinblick auf alle bekannten RNA Strukturen eher selten beschrieben, gibt es doch neben den genannten zwei, einige Beispiele für strukturelle oder funktionelle Protonierungen. Auch in Hinblick auf zukünftige bzw. Verbesserung bestehender RNA-Strukturvorhersage-Programme ähnlich wie sie für Proteine schon lange nutzt werden, müssen protonierte Nukleobasen ernsthaft in Betracht gezogen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zwei der untersuchten Riboswitches zwei Liganden mit ähnlicher Affinität binden. Die genutzte Strategie ist hierbei unterschiedlich. Während bei den promiskuitiven CDN Riboswitches der regulatorische Nutzen noch unbekannt ist, konnte für den SAM/SAH Ribsowitch gezeigt werden, dass SAH nur zufällig aufgrund der wahrscheinlich sehr niedrigen intrazellulären Konzentration gebunden wird und dieser daher wahrscheinlich später in der evolutionären Entwicklung entstanden ist. Riboswitches halten es weiterhin spannend.
Die Multiple Sklerose (MS) ist die häufigste nicht-traumatische, autoimmun-vermittelte Erkrankung des zentralen Nervensystems (ZNS), welche vor allem bei jüngeren Patienten mit Invalidisierung und anhaltenden neurologischen Defiziten einhergehen kann.
Im Rahmen eines optimalen Therapiekonzepts wurden deshalb immer neuere und potentere Medikamente eingeführt. Mit den Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptor-1 (S1P1) -Agonisten Fingolimod und Siponimod sind seit mehreren Jahren Medikamente auf dem Markt deren Wirksamkeit bewiesen, jedoch die genauen Wirkprinzipien noch nicht vollends verstanden sind. Angenommen wurde bisher eine Lymphozytendepletion aufgrund einer Hemmung der Lymphozyteninfiltation ins ZNS über den ubiquitär exprimierten, G-protein gekoppelten S1P1-Rezeptor. Neben Wirksamkeiten im Bereich des Immunsystems spielt der S1P1-Rezeptor und sein natürliches Substrat, das S1P, in vielen essenziellen Bereichen eine entscheidende Rolle, unter anderem in der Ausbildung und Reifung des vaskulären Systems in der Embryogenese.
Die genaue Untersuchung des S1P1-Signalwegs in-vivo gestaltete sich deshalb erschwert, da S1P1-Knock-Out-Mäuse einen letalen Phänotyp ausbilden. Jedoch deuten immer mehr Untersuchungen auch auf eine direkte S1P1-Rezeptor-vermittelte Wirksamkeit von Fingolimod auf Zellen des ZNS hin, somit eine Wirkung über die bisher bekannte Lymphozytenaffektion hinaus. Eine genaue Darstellung der im ZNS-beteiligten Zellen und ihrer S1P1-Aktivität gelang bisher auf zellulärer Ebene nicht.
Mit dem in dieser Arbeit genutzten Mausmodell der genmodifizierten S1P1-Signaling-Maus sollte erstmals eine lokoregionale und zelluläre Untersuchung der am S1P1-Signalweg beteiligten Zellen im Rahmen von physiologischen und experimentellen autoimmunen Enzephalomyelitis (EAE)-Bedingungen im ZNS erfolgen. Hierbei entspricht die EAE weitgehend einem tierexperimentellen Korrelat der menschlichen MS. Bei Aktivierung eines S1P1-Rezeptors bei der S1P1-Signaling-Maus erfolgt durch eine gekoppelte Signalkaskade eine konsekutive Expression eines Histonproteins, welches an ein grün-fluoreszierendes Protein gekoppelt ist. Es resultiert eine grüne Fluoreszenz des Zellkerns der betroffenen Zelle. Bei der Kontroll-Maus findet sich keine Kopplung zwischen Rezeptor und im Zellkern befindlicher Proteine.
Hierbei konnte mit Hilfe von Immunhistochemie sowie der quantitativen Methode der Durchflusszytometrie ein S1P1-Signaling in peripheren Organen wie beispielweise der im Rahmen der MS bedeutsamen Milz nachgewiesen werden. Dadurch eröffnen sich Einblicke in Migrationsverhalten und Zusammensetzung der Lymphozyten-Subtypen und deren S1P1-Signaling im Rahmen von physiologischen Bedingungen und unter EAE-Bedingungen.
Die Darstellung des S1P1-Signalings im ZNS, als Hauptmanifestationsort der MS, gelang unter Zuhilfenahme der EAE mit dem genmodifizierten Mausmodell jedoch nicht. Da sich keine Unterschiede in der GFP-Expression zwischen der Signaling-Maus und der heterozygoten Kontroll-Maus zeigen, sind keinerlei Rückschlüsse auf ein echtes S1P1-Signaling möglich. Es zeigen sich zwar deutliche Expressionsunterschiede des GFP im Vergleich erkrankter und gesunder Versuchstiere, Rückschlüsse auf eine echte S1P1-Aktivität konnten jedoch nicht getroffen werden.
Zusammenfassend eignet sich das hier genutzte Mausmodell der genmodifizierten S1P1-Maus zur Untersuchung peripherer Organe und ihrem S1P1-Signaling, z.B. zur Untersuchung kardiovaskulärer Fragestellungen oder zur dezidierteren Veranschaulichung peripher lymphatischer Prozesse.
Zur Untersuchung ZNS-eigener Zellen sowie zur Beantwortung der Frage, ob und wie sie über den S1P1-Rezeptor agieren, bedarf es jedoch noch der Entwicklung eines geeigneteren Tiermodells.
Die bereits erprobte Möglichkeit der Biolumineszenz zeigte in vorherigen Untersuchungen zwar eine S1P1-Aktivität in-vivo, jedoch sind hier keinerlei Untersuchungen auf zellulärer Basis möglich, sodass mit dem aktuellen Stand der Forschung ein direkter Nachweis der S1P1-Aktivität auf zellulärer Ebene im ZNS nicht möglich ist.
Extreme convective precipitation events are among the most severe hazards in central Europe and are expected to intensify under global warming. However, the degree of intensification and the underlying processes are still uncertain. In this thesis, recent advances in continuous, radar-based precipitation monitoring and convection-permitting climate modeling are used to investigate Lagrangian properties of convective rain cells such as precipitation intensity, cell area, and precipitation sum and their relationship to large-scale, environmental conditions.
Firstly, convective precipitation objects are tracked in a gauge-adjusted radar-data set and the properties of these cells are related to large-scale environmental variables to investigate the observed super-Clausius-Clapeyron (CC) scaling of convective extreme precipitation. The Lagrangian precipitation sum of convective cells increases with dew point temperature at rates well above the CC-rate with increasing rates for higher dew point temperatures. These varying, high rates are caused by a covarying increase of CAPE with dew point temperature as well as the effect of high vertical wind shear causing an increase in cell area and thus precipitation sum. At the same time, cells move faster at high vertical wind shear so that Eulerian scaling rates are lower than Lagrangian but still above the CC-rate. The results show that wind shear and static instability need to be taken into account when transferring precipitation scaling under current climate conditions to future conditions. Secondly, the representation of convective cell properties in the convection-permitting climate model COSMO-CLM is evaluated. The model can simulate the observed frequency distributions of cell properties such as lifetime, area, mean and maximum intensity, and precipitation sum. The increase of area and intensity with lifetime is also well captured despite an underestimation of the intensity of the most severe cells. Furthermore, the model can represent the temperature scaling of intensity, area, and precipitation sum but fails to simulate the observed increase of lifetime. Thus, the model is suitable to study climatologies of convective storms in Germany. Thirdly, two COSMO-CLM projections at the end of the century under emission scenario RCP8.5 were investigated. While the number of convective cells and their lifetime remain approximately constant compared to present conditions, intensity and area increase strongly. The relative increase of intensity and area is largest for the highest percentiles meaning that extreme events intensify the most. The characteristic afternoon maximum of convective precipitation is damped, and shifted to later times of day which leads to an increase of nighttime precipitation in the future. Scaling rates of cell properties with dew point temperature are nearly identical in present and future in the simulation driven by the EC-Earth model which means that the upper limit of cell properties like intensity, area, and precipitation sum could be predicted from near-surface dew point temperature. However, this result could not be reproduced by the simulation driven by MIROC5 and needs further investigation.
Ziel: Obwohl es eine Fülle an Literatur zur Messung der Jodaufnahme mittels Dual-Energy-CT bei unterschiedlichen Pathologien gibt, wurden bisher noch keine zuverlässigen physiologischen Referenzwerte für diese Messtechnik bestimmt. Aus diesem Grund wurde die Jodaufnahme von morphologisch gesunden abdominellen Organen sowie Organen des Beckens in einer großen Studienkohorte untersucht.
Material und Methoden: Aufeinanderfolgende portalvenöse abdominelle DECT-Aufnahmen wurden überprüft und morphologisch gesunde Untersuchungsunterlagen wurden eingeschlossen (n=599; weiß/asiatisch=574, durchschnittliches Alter=58 ± 16,6Jahre; 263w/ 336m). ROI-Messungen wurden in den folgenden anatomischen Regionen durchgeführt (Anzahl der ROIs): Leber (9), Pankreas (3), Milz (3), Nebenniere (2), Nieren (6), Prostata (4), Uterus (2), Blasenwand (1) und Lymphknoten (3). Die Jodaufnahme wurde zwischen unterschiedlichen Organen verglichen und eine Subgruppenanalyse fand statt (jung vs alt/ männlich vs weiblich/niedriger BMI vs. hoher BMI).
Ergebnisse: Die gesamte Jodaufnahme war wie folgt (mg/ml): Leber=1,96 ± 0,59, Pankreas=2,07 ± 0,58, Milz=2,45 ± 0,66, Nebenniere=1,61 ± 0,43, Nieren=6,1 ± 1,32, Prostata=1,1 ± 0,53, Uterus=1,01 ± 0,68, Blasenwand=0,69 ± 0,26 und Lymphknoten=0,71 ± 0,28.
Bei Frauen kommt es zu einer höheren Jodaufnahme in der Leber (2,12 ± 0,54 vs 1,84 ± 0,43 mg/ml), Pankreas (2,27 ± 0,54 vs 1,91±0,46 mg/ml), Milz (2,7 ± 0,64 vs 2,3 ± 0,51 mg/ml), Nebenniere (1,72 ± 0,47 vs 1,52 ± 0,39 mg/ml) und Niere (6,6 ± 1,31 vs 5,65 ± 1,1 mg/ml) als bei Männern (P < 0,001). In älteren Patienten nimmt die Jodaufnahme in der Leber (1,80 ± 0,45 vs 2,04 ± 0,52 mg/ml), im Pankreas (1,87 ± 0,46 vs. 2,21 ± 0,52 mg/ml) und der Milz (2,21 ± 0,46 vs 2,64 ± 0,65 mg/ml) verglichen mit jüngeren Studienteilnehmern zu (P ≤ 0.040). Einzig im Uterus präsentierten sich niedrigere Werte in älteren Frauen (01,31 ± 0,72 vs 0,75 ± 0,46 mg/ml, P < 0,001). Bei Patienten mit einem hohen BMI kommt es in der Leber (2,32 ± 0,54 vs. 1,84 ± 0,45 mg/ml), im Pankreas (2,54 ± 0,67 vs. 1,95 ± 0,48 mg/ml), in der Milz (2,85 ± 0,66 vs. 2,32 ± 0,55 mg/ml) und in den Nebennieren (1,79 ± 0,38 vs. 1,56 ±0,44 mg/ml) zu einer signifikanten Abnahme der Jodaufnahme (P < 0,001).
Fazit: Die physiologische Jodaufnahme zeigt alters-, geschlechts- und BMI-abhängige Unterschiede für Leber, Pankreas und Milz. Pankreas und Nebennieren zeigen einen höheren Jod Durchfluss in Frauen. Während die Perfusion des Prostataparenchyms sich unverändert über die gesamte Altersspanne zeigt, nimmt die Jodaufnahme des Uterus bei Frauen im Laufe des Lebens ab. Lymphknoten als auch die Blase zeigen sich unbeeinflusst von demographischen Faktoren sowie von der Veränderung des BMI.
Klinische Relevanz: Wir definierten physiologische Referenzwerte für den statischen Durchfluss der abdominellen Organe wie angegeben mittels DECT-Jodaufnahme-Messungen in einer großen Studienkohorte und beschrieben die zusammenhängenden Unterschiede in Bezug auf Alter und Geschlecht. Dies soll die zuverlässige klinische Anwendung erleichtern und zu einer potentiellen Implementierung in zukünftige Richtlinien führen.
Diamant hat besondere physikalische und optische Eigenschaften sowie eine starke Resistenz gegenüber Strahlenschädigung. Diese Eigenschaften ermöglichen eine vielfältige Anwendung von Diamant in Wissenschaft und Technik, wie zum Beispiel als Sensormaterial in Strahlungsdetektoren.
Kubisches Zirconiumdioxid (ZrO2) wird aufgrund seiner mechanisch und optisch ähnlichen Eigenschaften unter anderem an Stelle von Diamant eingesetzt. Es ist ebenfalls ein geeignetes Material für viele technische Anwendungen und wird durch seine Strahlenresistenz in Strahlungsumgebungen verwendet. Da beide Materialien in diesem Anwendungsbereich hoher energetischer Strahlung ausgesetzt sind, sind Reaktionen auf die Bestrahlung wie etwa strukturelle Veränderungen oder die Änderungen von Materialeigenschaften von großem Interesse.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie, Struktur und physikalischen Eigenschaften von Diamant und Yttriumoxid-stabilisiertem kubischem ZrO2 nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen und 1.6 GeV Au-Ionen untersucht. Die durch die Bestrahlung verursachten Veränderungen der Oberflächen und der bestrahlten Volumina wurden mit diversen komplementären analytischen Methoden charakterisiert, bewertet und für die verschiedenen Materialien und Ionenenergien verglichen.
Mittels Röntgenfluoreszenzmessungen wurde die Verteilung und Menge an implantiertem Au semi-quantitativ ermittelt. Die Oberflächen der Proben wurden mit optischer Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenreflektometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Strukturelle Veränderungen wurden mit Raman-Spektroskopie analysiert. Der elektrische Widerstand, die Dichte, die Härte sowie das Ätzverhalten der bestrahlten Proben wurden ermittelt und geben Auskunft über die Änderung physikalischer Eigenschaften der Materialien.
Diamant und kubisches ZrO2 reagieren sehr unterschiedlich auf die Bestrahlung mit Au-Ionen gleicher Energien und Fluenzen. Die Diamantproben zeigen nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen deutliche Veränderungen und Schädigungen der Oberfläche sowie des bestrahlten Volumens. Es wird eine Änderung der Struktur, der Dichte, der Härte, des elektrischen Widerstands sowie des Ätzverhaltens der Proben beobachtet, was auf die Amorphisierung von Diamant zurückgeführt wird. Kubisches ZrO2 ist deutlich strahlungsresistenter gegenüber der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen. Es werden keine signifikanten strukturellen Änderungen im getesteten Fluenzbereich beobachtet.
Die mit 1.6 GeV Au-Ionen bestrahlten Diamanten zeigen nur geringe Schädigungen und keine deutliche Änderung der Struktur oder der physikalischen Eigenschaften. Die kubischen ZrO2 Proben sind als Folge der Bestrahlung mit 1.6 GeV Au-Ionen zerbrochen, was auf hohe interne Spannung durch Defektbildung zurückgeführt wird.
In dieser Arbeit konnte 1,8-Diborylnaphthalin (11) präparativ in einer Stufe und 65% Ausbeute aus dem literaturbekannten Boronsäureanhydrid 9 dargestellt werden. 11 ist das zweite bekannte, aromatisch verbrückte Derivat des Diborans B2H6. 11 kann als Startverbindung für eine Reihe strukturverwandter BNB-dotierter Phenalenderivate verwendet werden. Dazu werden zwei der vier Bor-gebundenen Protonen durch die Umsetzung mit einem Mesitylgrignard und Trimethylsilylchlorid substituiert. Die Umsetzung mit Wasser bzw. Aminen liefert BOB- bzw. BNB-Phenalene unter Freisetzung von elementarem Wasserstoff. Alle, auf diese Weise dargestellten Verbindungen, zeigen reversible Redoxeigenschaften und Photolumineszenz mit zum Teil besonders scharfen Emissionssignalen mit Halbhöhenbreiten von bis zu 31 nm. Zusätzlich wurden drei analoge Vertreter einer NBN-Phenalen Spezies dargestellt und charakterisiert. Die entgegengesetzte Dotierung äußert sich in einem grundlegend verschiedenem Redoxverhalten. Abschließend wurde die Reduktion des BNB-Phenalens 22 untersucht. Dabei gelang es das Radikal K[32] zu charakterisieren und seine Abbaureaktion in THF aufzuklären.
Trotz vielfältiger Ansätze, das Trauma der empfindlichen Innenohrstrukturen während des Einsetzens der Elektrode eines Cochlea-Implantats (CI) zu reduzieren, wird das postoperative Auftreten von Schwindel immer noch als eine der häufigsten Komplikationen in der aktuellen Literatur beschrieben.
Ziel der vorliegenden prospektiven Studie war es, die Häufigkeit sowie die Ursache von postoperativem Schwindel im Zusammenhang mit einer CI-Operation zu ermitteln. Darüber hinaus wurden der zeitliche Verlauf des postoperativen Schwindels, sowie der Einfluss des Elektrodendesigns und des Einführungswinkels auf das Auftreten von Schwindel untersucht. Die Auswahl der Patienten und die Untersuchung erfolgte an der Klinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main.
29 Erwachsene wurden rekrutiert und erhielten ein unilaterales CI unter Verwendung eines von sechs verschiedenen Elektrodenträgern, die in folgende Kategorien eingeteilt wurden: "strukturerhaltend" (I), "potentiell strukturerhaltend" (II) und "nicht strukturerhaltend" (III).
Der subjektive Schwindel wurde anhand von Fragebögen, die im Anhang zu finden sind, zu fünf verschiedenen Zeitpunkten vor bis zu sechs Monaten nach der Operation beurteilt. Die Teilnehmer wurden in vier Gruppen eingeteilt, abhängig vom Zeitpunkt des Auftretens von Schwindel vor und nach der Operation. Präoperativ und sechs Monate postoperativ wurde eine umfassende Schwindeldiagnostik, bestehend aus Romberg-Test, Unterberger-Test, Test der subjektiven visuellen Vertikalen, optokinetischem Test, Video-Kopf-Impuls-Test (vHIT) und kalorischem Spültest durchgeführt. Zusätzlich wurde der Insertionswinkel (IA) bestimmt und die Patienten wurden in zwei Gruppen (<430°; ≥430°) eingeteilt.
Ergebnis der Studie war, dass 45,8% der Teilnehmer neuen Schwindel nach der Implantation erlebten. Basierend auf den Fragebogendaten wurde bei 72,7% ein vestibulärer Ursprung vermutet. Es zeigte sich keine signifikante Korrelation von auffälligen Ergebnissen der durchgeführten Tests mit dem Auftreten von subjektivem Schwindel.
In der Gruppe 1 (ohne präoperativen Schwindel und mit postoperativem Schwindel) zeigten 18% der Patienten auffällige Ergebnisse in der quantitativen Analyse des kalorischen Spültests, obwohl in dieser Gruppe Elektroden der Kategorie I oder II implantiert wurden, die zur Strukturerhaltung der Cochlea geeignet sind. Der durchschnittliche IA betrug 404° für die Gesamtgruppe und 409° für Gruppe 1. Es gab keine statistisch signifikante Korrelation zwischen IA und wahrgenommenem Schwindel.
Obwohl Schwindel nach CI-Operation eine häufige Komplikation zu sein scheint, konnte die hier verwendete Testbatterie die Symptome nicht objektivieren. Ebenso wurde keine Korrelation zwischen Elektrodendesign, Einführungswinkel oder vestibulären Testergebnissen und selbstberichtetem Schwindel gefunden. Weitere Studien sollten klären, ob dies an einer multifaktoriellen Ursache des Schwindels oder an der mangelnden Sensitivität der derzeit verwendeten Tests liegt. Der Nachweis einer verringerten Schwindelwahrscheinlichkeit bei Verwendung wenig traumatischer Elektrodenträger gelang nicht, ebenso wenig der Nachweis eines Einflusses der verwendeten Einstecktiefe.
Insgesamt reiht sich dieses Manuskript in eine überschaubare Anzahl von Arbeiten ein, die die Schwierigkeit für Kliniker beschreiben, eine nachweisbare Ursache für Schwindelsymptome nach Cochlea-Implantation sicher zu definieren.
Die vorgelegte Dissertation behandelt den Einfluss homöostatischer Adaption auf die Informationsverarbeitung und Lenrprozesse in neuronalen Systemen. Der Begriff Homöostase bezeichnet die Fähigkeit eines dynamischen Systems, bestimmte interne Variablen durch Regelmechanismen in einem dynamischen Gleichgewicht zu halten. Ein klassisches Beispiel neuronaler Homöostase ist die dynamische Skalierung synaptischer Gewichte, wodurch die Aktivität bzw. Feuerrate einzelner Neuronen im zeitlichen Mittel konstant bleibt. Bei den von uns betrachteten Modellen handelt es sich um eine duale Form der neuronalen Homöostase. Das bedeutet, dass für jedes Neuron zwei interne Parameter an eine intrinsische Variable wie die bereits erwähnte mittlere Aktivität oder das Membranpotential gekoppelt werden. Eine Besonderheit dieser dualen Adaption ist die Tatsache, dass dadurch nicht nur das zeitliche Mittel einer dynamischen Variable, sondern auch die zeitliche Varianz, also die stärke der Fluktuation um den Mittelwert, kontrolliert werden kann. In dieser Arbeit werden zwei neuronale Systeme betrachtet, in der dieser Aspekt zum Tragen kommt.
Das erste behandelte System ist ein sogennantes Echo State Netzwerk, welches unter die Kategorie der rekurrenten Netzwerke fällt. Rekurrente neuronale Netzwerke haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass eine Population von Neuronen synaptische Verbindungen besitzt, die auf die Population selbst projizieren, also rückkoppeln. Rekurrente Netzwerke können somit als autonome (falls keinerlei zusätzliche externe synaptische Verbindungen existieren) oder nicht-autonome dynamische Systeme betrachtet werden, die durch die genannte Rückkopplung komplexe dynamische Eigenschaften besitzen. Abhängig von der Struktur der rekurrenten synaptischen Verbindungen kann beispielsweise Information aus externem Input über einen längeren Zeitraum gespeichert werden. Ebenso können dynamische Fixpunkte oder auch periodische bzw. chaotische Aktivitätsmuster entstehen. Diese dynamische Vielseitigkeit findet sich auch in den im Gehirn omnipräsenten rekurrenten Netzwerken und dient hier z.B. der Verarbeitung sensorischer Information oder der Ausführung von motorischen Bewegungsmustern. Das von uns betrachtete Echo State Netzwerk zeichnet sich dadurch aus, dass rekurrente synaptische Verbindungen zufällig generiert werden und keiner synaptischen Plastizität unterliegen. Verändert werden im Zuge eines Lernprozesses nur Verbindungen, die von diesem sogenannten dynamischen Reservoir auf Output-Neuronen projizieren. Trotz der Tatsache, dass dies den Lernvorgang stark vereinfacht, ist die Fähigkeit des Reservoirs zur Verarbeitung zeitabhängiger Inputs stark von der statistischen Verteilung abhängig, die für die Generierung der rekurrenten Verbindungen verwendet wird. Insbesondere die Varianz bzw. die Skalierung der Gewichte ist hierbei von großer Bedeutung. Ein Maß für diese Skalierung ist der Spektralradius der rekurrenten Gewichtsmatrix.
In vorangegangenen theoretischen Arbeiten wurde gezeigt, dass für das betrachtete System ein Spektralradius nahe unterhalb des kritischen Wertes von 1 zu einer guten Performance führt. Oberhalb dieses Wertes kommt es im autonomen Fall zu chaotischem dynamischen Verhalten, welches sich negativ auf die Informationsverarbeitung auswirkt. Der von uns eingeführte und als Flow Control bezeichnete duale Adaptionsmechanismus zielt nun darauf ab, über eine Skalierung der synaptischen Gewichte den Spektralradius auf den gewünschten Zielwert zu regulieren. Essentiell ist hierbei, dass die verwendete Adaptionsdynamik im Sinne der biologischen Plausibilität nur auf lokale Größen zurückgreift. Dies geschieht im Falle von Flow Control über eine Regulation der im Membranpotential der Zelle auftretenden Fluktuationen. Bei der Evaluierung der Effektivität von Flow Control zeigte sich, dass der Spektralradius sehr präzise kontrolliert werden kann, falls die Aktivitäten der Neuronen in der rekurrenten Population nur schwach korreliert sind. Korrelationen können beispielsweise durch einen zwischen den Neuronen stark synchronisierten externen Input induziert werden, der sich dementsprechend negativ auf die Präzision des Adaptionsmechanismus auswirkt.
Beim Testen des Netzwerks in einem Lernszenario wirkte sich dieser Effekt aber nicht negativ auf die Performance aus: Die optimale Performance wurde unabhängig von der stärke des korrelierten Inputs für einen Spektralradius erreicht, der leicht unter dem kritischen Wert von 1 lag. Dies führt uns zu der Schlussfolgerung, dass Flow Control unabhängig von der Stärke der externen Stimulation in der Lage ist, rekurrente Netze in einen für die Informationsverarbeitung optimalen Arbeitsbereich einzuregeln.
Bei dem zweiten betrachteten Modell handelt es sich um ein Neuronenmodell mit zwei Kompartimenten, welche der spezifischen Anatomie von Pyramidenneuronen im Kortex nachempfunden ist. Während ein basales Kompartiment synaptischen Input zusammenfasst, der in Dendriten nahe des Zellkerns auftritt, repräsentiert das zweite apikale Kompartiment die im Kortex anzutreffende komplexe dendritische Baumstruktur. In früheren Experimenten konnte gezeigt werden, dass eine zeitlich korrelierte Stimulation sowohl im basalen als auch apikalen Kompartiment eine deutlich höhere neuronale Aktivität hervorrufen kann als durch Stimulation nur einer der beiden Kompartimente möglich ist. In unserem Modell können wir zeigen, dass dieser Effekt der Koinzidenz-Detektion es erlaubt, den Input im apikalen Kompartiment als Lernsignal für synaptische Plastizität im basalen Kompartiment zu nutzen. Duale Homöostase kommt auch hier zum Tragen, da diese in beiden Kompartimenten sicherstellt, dass sich der synaptische Input hinsichtlich des zeitlichen Mittels und der Varianz in einem für den Lernprozess benötigten Bereich befindet. Anhand eines Lernszenarios, das aus einer linearen binären Klassifikation besteht, können wir zeigen, dass sich das beschriebene Framework für biologisch plausibles überwachtes Lernen eignet.
Die beiden betrachteten Modelle zeigen beispielhaft die Relevanz dualer Homöostase im Hinblick auf zwei Aspekte. Das ist zum einen die Regulation rekurrenter neuronaler Netze in einen dynamischen Zustand, der für Informationsverarbeitung optimal ist. Der Effekt der Adaption zeigt sich hier also im Verhalten des Netzwerks als Ganzes. Zum anderen kann duale Homöostase, wie im zweiten Modell gezeigt, auch für Plastizitäts- und Lernprozesse auf der Ebene einzelner Neuronen von Bedeutung sein. Während neuronale Homöostase im klassischen Sinn darauf beschränkt ist, Teile des Systems möglichst präzise auf einen gewünschten Mittelwert zu regulieren, konnten wir Anhand der diskutierten Modelle also darlegen, dass eine Kontrolle des Ausmaßes von Fluktuationen ebenfalls Einfluss auf die Funktionalität neuronaler Systeme haben kann.
Hintergrund: Die ASA-Klassifikation wurde 1941 von den Anästhesisten Saklad, Rovenstine und Taylor gegründet und seither mehrfach überarbeitet, zuletzt 2014 und 2020 durch Hinzunahme von Beispieldiagnosen durch die ASA. Sie bietet eine prägnante Zusammenfassung des präoperativen Gesundheitsstatus des Patienten anhand von sechs Klassen. Je schwerer die Vorerkrankungen eines Patienten sind, desto höher die Klasse und desto mehr anästhesiologische Aufmerksamkeit sollte dem Patienten prä-, intra- und postoperativ gewidmet werden. Ziel der Untersuchung war es, die Reproduzierbarkeit jenes Klassifizierungssystems anhand der Interrater-Reliabilität zu bestimmen sowie ihre prädiktive Validität zu überprüfen.
Methoden: In die vorliegende Studie wurden 684 allgemeinchirurgische Patienten >18 Jahre (Frauen 43%) eingeschlossen. Es erfolgte die Klassifizierung sämtlicher Patienten durch drei Gruppen: Chirurgen, Anästhesisten sowie ein Board bestehend aus einer Oberärztin der Chirurgie und einem Oberarzt der Anästhesie. Die Interrater-Reliabilität zwischen allen drei Rater-Gruppen sowie zwischen je zwei der Gruppen wurde mittels Kappa-Statistik (Fleiss‘ Kappa) berechnet. Weiterhin wurde in einer Subgruppenanalyse die Interrater-Reliabilität bei Bewertung onkologischer Patienten und Patienten ohne Malignom, bei multimorbiden sowie bei geriatrischen Patienten untersucht. Ferner wurde der Einfluss der Arbeitserfahrung (Assistenzarzt vs. Facharzt) auf den Grad der Übereinstimmung untersucht. Zur Überprüfung der prädiktiven Validität der Klassifikation wurde eine Korrelationsanalyse nach Spearman zwischen ASA-Status und Komplikationsklassifikation nach Clavien-Dindo (CDC) durchgeführt.
Ergebnisse und Beurteilung: Die Interrater-Reliabilität zwischen allen Ratern (κ = 0,28, CI 0,21-0,34, p < 0,0001) und zwischen jeweils zwei der Rater-Gruppen ergab eine ausreichende Übereinstimmung (Chirurgen vs. Anästhesisten: κ = 0,25, CI 0,19-0,30, Chirurgen vs. ASA-Board: κ = 0,21, CI 0,15-0,27 und Anästhesisten vs. ASA-Board: κ = 0,36, CI 0,30-0,43, jeweils mit p < 0,0001). Der höchste Grad an Übereinstimmung war zwischen den Anästhesisten und dem ASA-Board zu verzeichnen.
Die Subgruppenanalyse im Vergleich onkologischer und nicht-onkologischer Patienten erbrachte einen niedrigeren Grad an Übereinstimmung in der Gruppe der Patienten mit Malignom (κ = 0,18, CI 0,10-0,26 vs. κ = 0,38, CI 0,29-0,47, jeweils mit p<0,0001). Der Faktor Multimorbidität (κ = 0,19, CI 0,1-0,28, p = 0,00004) sowie ein hohes Patientenalter ≥ 75 Jahre (κ = 0,19, CI 0,03-0,34, p = 0,02) gingen ebenfalls mit einer geringeren Übereinstimmung einher.
Mit steigender Berufserfahrung zeigte sich in der Gruppe der Chirurgen eine höhere Übereinstimmung zwischen den Ratern und dem ASA-Board (Assistenzärzte κ = 0,20, CI 0,13-0,26, p < 0,0001, Fachärzte κ = 0,32, CI 0,12-0,51, p = 0,002), in der Gruppe der Anästhesisten zeigte sich kein nennenswerter Unterschied zwischen jungen und erfahrenen Ärzten (Assistenzärzte κ = 0,37, CI 0,29-0,44, Fachärzte κ = 0,35, CI 0,24-0,46, jeweils p < 0,0001). Es zeigte sich in der hiesigen Arbeit eine Korrelation zwischen ASA-Status und CDC (ϱ = 0,11, CI 0,04-0,19, p = 0,003).
Schlussfolgerung: Vorteil der ASA-Klassifikation ist ihre einfache Erhebung ohne die Notwendigkeit aufwändiger Diagnostik. Sie erweist sich als valides Tool zur Erhebung des präoperativen Gesundheitsstatus der Patienten und korreliert mit den postoperativen Komplikationen. Ein wesentlicher Nachteil ist ihre schwache Reproduzierbarkeit aufgrund ihrer Subjektivität und Untersucherabhängigkeit. Faktoren wie onkologische Begleiterkrankungen, Multimorbidität sowie ein hohes Patientenalter sind schwierig zu kategorisieren und führen zur Verunsicherung der Bewerter. Sie sollten im Beispielkatalog der ASA aufgeführt werden, was die Reproduzierbarkeit erleichtern könnte. Wie auch bereits durch einschlägige Vorstudien aufgezeigt wurde, wäre grundsätzlich eine Überarbeitung der ASA-Klassifikation wünschenswert.
In haploidentical stem cell transplantation (SCT), achieving a balance between graft versus host disease (GvHD), graft versus leukemia effect (GvL) and bridging the vulnerable phase of aplasia against viral infections is still a challenge. Graft preparation strategies attempt to achieve this balance by removing and retaining harmful and helpful cells. At this point it is known that T cell subpopulations hold different properties concerning GvHD promotion and immunocompetence towards pathogens. CD45RA+ naïve T cells show the greatest, while CD45RO+ memory T cells show less alloreactive potential but provide immunocompetence. CD45RA depletion is a promising new approach to graft processing that potentially combines GvHD prevention, GvL promotion and transfer of immunological competence by removing potentially harmful CD45RA+ naïve T cells and retaining CD45RO+ memory cells. This work focused on manufacturing CD45RA-depleted grafts within a one- or two-step approach, as well as a feasibility assessment of the process and the establishment of a 10-color fluorescence activated cell sorting (FACS) measurement panel for clinical-scale graft generation. CD45RA depletions were conducted from granulocyte-colony stimulated factor (G-CSF) mobilized peripheral blood stem cells (PBSC) applying two different strategies, direct depletion of CD45RA+ cells (one-step approach), or depletion following preceding CD34 selection. A 10-color FACS measurement panel was established ensuring quality control and enabling preliminary data acquisition on CD45RA co-expression for cell loss estimations. Residual virus-specific T cells after depletion were measured using MHC multimers. It was observed that the depletion antibody occupied the cell binding sites, resulting in insufficient binding of the fluorescent dye for subsequent FACS measurement. Therefore, three FACS antibodies were tested and compared, and CD45RA-PE (clone:2H4) was found to be the best choice for reliable cell detection. To further characterize residual T cells, two homing markers, CD62L and CCR7, were compared, with particular attention paid to the expression of the surface markers after cooling. Both markers were complementary to each other, resulting in the decision to include an additional FACS measuring tube whenever samples are cooled or further T cell characterization is needed. With a median log depletion of -3.9 (one-step) and -3.8 (two-step) data showed equally efficient removal of CD45RA+CD3+ T cells for both approaches. Close to complete B cell removal was obtained without additional reagent use. However, also close to complete NK cell loss occurred due to high CD45RA co-expression. Stem cells recovered at a median of 52% (range: 49.7 - 67.2%) after one-step CD45RA depletion. CD45RO+ memory T cells recovery was statistically not differing between both approaches. Virus-specific T cells were detectable after depletion, suggesting that virus-specific immunocompetence is transferable. In conclusion, CD45RA depletions are equally feasible for both approaches when performed from fresh, non-cryopreserved starting products, show reliable reduction of CD45RA and B cells, but also result in co-depletion of NK cells. Stem cell recovery and NK cell losses must be considered carefully especially regarding overcoming HLA barriers, pathogen protection during aplasia, early engraftment an GvL. Therefore, a combination of CD45RA-depleted products with already established other processing methods to ensure sufficient stem and NK cells is desirable to allow high clinical flexibility.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Ionisation von Atomen und Molekülen in starken Laserfeldern experimentell untersucht. Hierbei kam die COLTRIMS-Technik zur koinzidenten Messung der Impulse aller aus einem Ionisationsereignis stammender Ionen und Elektronen zum Einsatz. Unter Mitwirkung des Autors wurde ein COLTRIMS-Reaktionsmikroskop umgebaut und mit einem neuen Spektrometer sowie einer atomaren Wasserstoffquelle ausgestattet. Des Weiteren entstand ein interferometrischer Aufbau zur Erzeugung von Zwei-Farben-Feldern. Aus jedem der vorgestellten Experimente konnten Informationen über die elektronische Wellenfunktion an der Grenze zum klassisch verbotenen Bereich gewonnen werden. Dies geschah sowohl im Hinblick auf die Amplitude, als auch auf die Phase der Wellenfunktion. Mit dem Wasserstoffatom (Kapitel 9), dem Wasserstoffmolekül (Kapitel 10) und dem Argondimer (Kapitel 11) wurden drei Systeme unterschiedlicher Komplexität gewählt.
The intensive use of the North Sea area through offshore activities, sand mining, and the spreading of dredged material is leading to increasing pollution of the ecosystem by chemicals such as hydrophobic organic contaminants (HOCs). Due to their toxicological properties and their ability to accumulate in the environment, HOCs are of particular concern. The contaminants partition between aqueous (pore water, overlying water) and solid phases (sediment, suspended particulate matter, and biota) within these systems. The accumulated contaminants in the sediment are of major concern for benthic organisms, who are in close contact with sediment and interstitial water. It is thus particularly important to better understand how contaminants interact with biota, as these animals may contribute to trophic transfer through the food web. Furthermore, sediments are a crucial factor for the water quality of aquatic systems. They not only represent a sink for contaminants but also determine environmental fate, bioavailability, and toxicity. The Marine Strategy Framework Directive (MSFD) was introduced to protect our marine environment across Europe and includes the assessment of pollutant concentrations in the total sediment, which, however, rarely reflects the actual exposure situation. The consideration of the pollutant concentrations in the pore water is not implemented, although this is needed for the evaluation of bioavailability and risk assessment. For this reason, special attention is given to further development, implementation, and validation of pollutant monitoring methods that can determine the bioavailable fraction in sediment pore water. For risk assessment purposes, it is furthermore important to use biological indicators in addition to classical analytics to determine the effect of pollutants on organisms. The main objective of this thesis was to gain insight into the pollution load and the potential risk of hydrophobic organic chemicals (HOCs) in the sediment of the North Sea and to evaluate these results with regard to possible risks for benthic organisms and the ecosystem. The following five aims are covered within these studies to gain a holistic assessment of sediment contamination:
1. Assessment of the pore water concentrations of PAHs and PCBs
2. Determination of the bioturbation potential by macrofauna analysis
3. Application of the SPME method on biological tissue
4. Assessment of recreated environmental mixtures in passive dosing bioassays
5. Development of SPME method for DDT in sediments
The thesis is comprised of three main studies supported by three additional studies ...
Folgend auf den ersten Realisierungen von Bose-Einstein Kondensaten erschienen weitere innovative Experimente, die sich in den optischen Gittern gefangenen Quantengasen widmeten. In diesen zahlreichen, wissenschaftlichen Untersuchungen konnten die Eigenschaften von Bose-Einstein Kondensaten besser verstanden werden. Das Prinzip von Vielteilchensystemen, gefangen in einem periodischen Potential, bot eine Plattform zur Untersuchung weiterer Quantenphasen.
Eine konzeptionell einfache Modifikation von solchen Systemen erhält man durch die Kopplung der Grundzustände der gefangenen Teilchen an hoch angeregten Zuständen mithilfe einer externen Lichtquelle. Im Falle dessen, dass diese Zustände nahe der Ionisationsgrenze des Atoms liegen, spricht man von Rydberg-Zuständen und Atome, welche zu diesen Zuständen angeregt werden, bezeichnet man als Rydberg-Atome. Eines der vielen charakteristischen Eigenschaften von Rydberg-Atomen ist die Fähigkeit über große Entfernungen jenseits der atomaren Längenskalen zu wechselwirken. Im Rahmen von Vielteilchensystemen wurden dementsprechend Kristallstrukturen aus gefangenen Rydberg-Atomen experimentell beobachtet.
Nun stellt sich die Frage, was mit einem gefangenen Bose-Einstein Kondensat passiert, dessen Teilchen an langreichweitig wechselwirkenden Zuständen gekoppelt sind. Gibt es ein Parameterregime, in dem sowohl Kristallstruktur als auch Suprafluidität in solchen Systemen koexistieren können? Dies ist die zentrale Frage dieser Arbeit, die sich mit der Theorie von gefangenen Quantengasen gekoppelt an Rydberg-Zuständen auseinandersetzt.
This thesis concerns three specific constraint satisfaction problems: the k-SAT problem, random linear equations and the Potts model. We investigated a phenomenon called replica symmetry, its consequences and its limitation. For the $k$-SAT problem, we were able to show that replica symmetry holds up to a threshold $d^{*}$. However, after another critical threshold $d^{**}$, we discovered that replica symmetry could not hold anymore, which enabled us to establish the existence of a replica symmetry breaking region. For the random linear problem, a peculiar phenomenon occurs. We observed that a more robust version of replica symmetry (strong replica symmetry) holds up to a threshold $d=e$ and ceases to hold after. This phenomenon is linked to the fact that before the threshold $d=e$, the fraction of frozen variables, i.e. variable forced to take the same value in all solutions, is concentrated around a deterministic value but vacillates between two values with equal probability for $d>e$. Lastly, for the Potts model, we show that a phenomenon called metastability occurs. The latter phenomenon can be understood as a consequence of trivial replica symmetry breaking scheme. This metastability phenomenon further produces slow mixing results for two famous Markov chains, the Glauber and the Swendsen-Wang dynamics.
Im Sinne einer nachhaltigen Stadt- und Verkehrsentwicklung verspricht das Konzept autoreduzierter Quartiere, die Autonutzung und den Autobesitz der Bewohnenden zu verringern sowie deren autounabhängige Mobilität zu fördern. Der Forschungsstand zeigt indes, dass nicht automatisch davon auszugehen ist, dass die gelebte Praktik der Planungsvision entspricht, da die Mobilität nicht nur von oben herab geplant, sondern auch von unten, also den Bewohnenden selbst sowie den Mobilitätskontexten, geprägt ist.
Anhand zweier autoreduziert entwickelter Quartiere in Darmstadt verfolgt die Arbeit deshalb das Ziel, mittels eines planungskritischen Ansatzes zunächst die Narrative autoreduzierter Quartiere zu identifizieren, um die Planungsvision zu ergründen. Des Weiteren werden mithilfe eines biographisch inspirierten, praxistheoretischen Ansatzes die mobilitätsbezogenen Praktiken autoreduzierter Quartiere sowie etwaige Veränderungen dieser nach dem Wohnortwechsel analysiert, um das Verständnis der Alltagsmobilität und deren Wandel zu verbessern sowie Potenziale und Grenzen der Umsetzung solcher Quartierskonzepte zu ermitteln. Abschließend soll der Vergleich beider Perspektiven dazu beitragen, besser zu verstehen, was eine nachhaltige Stadt- und Verkehrsgestaltung sowie eine autounabhängige Mobilität und ein autofreies Leben unterstützt bzw. behindert.
Zur Identifikation der Narrative wurden Expert*inneninterviews mit verschiedenen Personen durchgeführt, die am Planungs- und Umsetzungsprozess beider Quartiere beteiligt waren. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Entwicklung autoreduzierter Quartiere (i) bewusst in die Nachhaltigkeitsdebatte eingebettet und (ii) von Machtverhältnissen geprägt ist sowie (iii) normativen Indikatoren folgt und (iv) deren Planungsideale im Kontrast zur gelebten Realität stehen können.
Zur Analyse der mobilitätsbezogenen Praktiken sowie der Veränderungen derselben wurden Bewohnende qualitativ interviewt. Dabei zeigt sich, dass der materielle Kontext eines autoreduzierten Quartiers sowie die persönlich-zeitlichen und soziokulturellen Kontexte der Mobilitätspraktiken die Autounabhängigkeit der Bewohnenden stabilisieren und fördern. Behindert wird sie dagegen vom materiellen Kontext außerhalb der Quartiere, der Verwobenheit des Autofahrens mit anderen Alltagspraktiken sowie der affektiven Zufriedenheit mit der Autonutzung und dem Autobesitz.
Aus dem Vergleich beider Erhebungen und damit der Gegenüberstellung der Planungsvision mit der gelebten Praktik lässt sich schlussfolgern, dass trotz feststellbarer Unterschiede die Realität im autoreduzierten Quartier größtenteils dem Ideal einer autounabhängigen Mobilität entspricht. Dagegen erweisen sich ein autofreies Leben und die Parkrestriktionen weiterhin als kontroversere Themen. Schließlich offenbart die Arbeit sowohl Veränderungen in der Mobilitätsgestaltung von oben als auch in der Mobilitätspraktik von unten, gleichzeitig aber auch persistente automobile Abhängigkeiten, weshalb sie im Sinne der Verkehrs- und Mobilitätswende einen kontinuierlichen materiellen und immateriellen Wandel fordert.
Retrospektive Analyse der RSV Bronchiolitis bei hospitalisierten Kindern im ersten Lebensjahr
(2021)
Einleitung: RSV ist der häufigste Erreger einer Bronchiolitis bei Säuglingen und Kleinkindern. Besonders oft betroffen sind Säuglinge in den ersten vier Lebensmonaten. RSV-Infektionen führen saisonal gehäuft weltweit zu zahlreichen Hospitalisierungen. Dennoch gibt es in Deutschland keine aktuellen Daten über die Krankheitslast.
Methoden: Es erfolgte eine retrospektive Analyse der elektronischen Krankenakten an der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin des Universitätsklinikums Frankfurt am Main. Erfasst wurden alle von 2007 bis 2017 stationär aufgenommenen Patienten mit positivem RSV-Nachweis. Die Daten wurden aus dem elektronischen Patientenverwaltungsprogramm ORBIS in Exceltabellen übertragen.
Ergebnisse: Insgesamt wurden in den letzten zehn Jahren 800 Kinder mit RSV-Infektion stationär aufgenommen. Die Mehrzahl der Kinder befand sich in den ersten 12 Lebensmonaten, n = 564 (70,5 %) und der Hauptteil bestand aus Patienten in den ersten vier Lebensmonaten, n = 341 (60,4 %). In diesem Patientenkollektiv stand bei 289 Kindern eine elektronische Krankenakte zur Datenauswertung zur Verfügung. Von den 289 Patienten handelte es sich bei 35 (12,1 %) um FG und 25 Patienten mussten intensivmedizinisch betreut werden. Von den intensivmedizinisch betreuten Kindern waren 15 Patienten (60 %) FG. Klassischerweise unterschied sich das Gewicht der FG von dem der RG (Frühgeborene: Median 3,43 kg vs Reifgeborene: 5 kg). Unter den FG zeigte sich folgende Verteilung nach Schwangerschaftswochen bei insgesamt 289 analysierten Patienten: < 28. SSW (extremely preterm): n = 4 (1,38 %) der Patienten; < 32. SSW (very preterm): n = 8 (2,76 %) der Patienten und 32 + 1 bis 36 + 6 SSW (late preterms): n = 23 (7,95 %) der Patienten. Die geringe Anzahl an RSV-Infektionen bei FG < 28. SSW hängt vermutlich mit einer erfolgreichen Palivizumab Prophylaxe zusammen. Dafür spricht auch, dass sich der Anteil der späten FG (late 43 preterms), die keine Prophylaxe erhielten, in unserer Untersuchung ähnlich wie in frühere Studien darstellte.
Von den 254 RG mussten 10 (3,9 %) Kinder auf Intensivstation (Schwergrad 3 der WHO-Klassifikation), während 102 (40,2 %) Patienten eine Bronchiolitis (Grad 2 der WHO-Klassifikation) aufwiesen und 142 (55,9 %) Patienten hatten eine RSV-Infektion mit Sättigungswerten > 95 %.
Schlussfolgerung: Die Krankheitslast der RSV-Bronchiolitis in Deutschland ist sehr hoch, vor allem in den ersten vier Lebensmonaten. Typischerweise ging die RSV-Saison von Dezember bis März, sodass eine Immunprophylaxe bei Risikokindern in dieser Zeit verabreicht werden sollte.
Biomoleküle, insbesondere Membranproteine (MPs), sind oftmals sehr sensitiv gegenüber ihrer chemischen Umgebung, wie pH-Wert, Puffer, Salzkonzentration und vielen weiteren Faktoren. MPs stabil und funktional in Lösung zu halten ist nicht trivial. Sie stellen deshalb eine besondere Herausforderung bei der Analyse von biologischen Systemen dar. Aus diesem Grund wurden und werden nach wie vor sogenannte membrane mimicking-(MM-) Systeme, wie beispielsweise Nanodiscs (NDs) oder styrene-maleic acid lipid particles (SMALPs), untersucht und entwickelt, um MPs eine naturähnliche Umgebung in Form einer Lipid-Doppelschicht zu bieten und sie so in ihrer natürlichen Konformation und natürlichen Funktionsweise/Aktivität in Lösung zu halten.
Laser induced liquid bead ion desorption (LILBID) Massenspektrometrie (MS) hat sich als hervorragende analytische Methode herausgestellt, um MPs in Kombination mit MM-Systemen zu untersuchen. LILBID-MS bietet nicht nur die Möglichkeit Proteine an sich zu identifizieren, sondern ermöglicht ebenfalls eine zerstörungsfreie Analyse von nicht-kovalent gebundenen Proteinkomplexen, sowie die Detektion einzelner Subkomplexe eines Proteinkomplexes. Auch die Analyse von Protein-Ligand-Wechselwirkungen ist möglich. Bei der LILBID-Ionisationsmethode werden kleine Tröpfchen erzeugt, die einen wässrig gelösten Analyt enthalten. Die Analyt-Tröpfchen werden anschließend mittels IR-Laser bestrahlt, wodurch der Analyt freigesetzt und massenspektrometrisch analysiert werden kann.
Diese Dissertation beschäftigt sich zum einen mit der Analyse des Lyse-Proteins ΦX174-E der Bakteriophage ΦX174, zum anderen mit Untersuchungen zur Histidinkinase SpaK aus B. subtilis in Kombination mit MMs. Weiterhin wird die Frage geklärt, ob und wie gut sich LILBID-MS zur Analyse von Saposin-Nanopartikel-(SapNPs)-solubilisierten MPs eignet. Darüber hinaus wird in dieser Dissertation die Darstellung von SapNP-solubilisierten MPs mittels zellfreier Proteinsynthese näher charakterisiert und untersucht welche Parameter aus präparativer Sicht optimiert werden können.
In vorausgegangenen Analysen von ND-solubilisierten MPs mittels LILBID-MS zeigte sich, dass manche in Verbindung mit NDs genutzten Lipide unerwünschte Signale im Spektrum zur Folge haben, die aus massiven Lipid-Anhaftungen am MSP oder dem Analyten resultieren. Überlappungen der m/z-Signale verschiedener Analyt- und/oder Komplexkomponenten mit diesen Lipid-Cluster-Signalen kann wiederum zum Verlust von Informationen führen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Arbeit mit der Frage, ob durch den Einsatz von UV-schaltbaren Lipiden der Anwendungsbereich und/oder die Auflösung von LILBID-MS erweitert und verbessert werden kann.
Um biologische Prozesse zu verstehen ist es ebenfalls wichtig die zeitlichen/kinetischen Aspekte einer Reaktion zu untersuchen/kennen, sowie molekulare Prozesse gezielt zu kontrollieren. Licht hat sich hierbei als ein hervorragendes Werkzeug in der Analytik, sowie in der molekularen Prozesskontrolle etabliert. Licht bietet den Vorteil sehr selektiv eingesetzt werden zu können und sowohl orts- als auch zeitaufgelöst Informationen liefern zu können. Das gezielte Triggern einer Reaktion oder einer Protein-Protein-Interaktion kann beispielsweise durch sog. photo-cleaving von photolabilen Schutzgruppen ermöglicht werden. Bisweilen bietet die native MS nur wenig Möglichkeiten schnelle Reaktionen zu analysieren und kinetische Informationen zu gewinnen. Daher beschäftigt sich ein weiterer Teil dieser Dissertation damit zu untersuchen, ob und wie sich lichtgesteuerte Reaktionen im LILBID-Ionisationsprozess induzieren und gegebenenfalls auch zeitlich analysieren und charakterisieren lassen können.