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Efficient modeling and mitigation of quadrupole errors in synchrotrons and their beam transfer lines
(2023)
This thesis investigates the problem of estimating quadrupole errors on synchrotrons as well as how to minimize the influence of quadrupole errors for beam transfer lines (beamlines). It emphasizes the importance to treat possible error sources in all parts of an accelerator in order to provide constantly high beam quality to the experimental stations. While the presented methods have been investigated by using the example of the SIS18 synchrotron and the HEST beamlines at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research, they are equally relevant for the future synchrotrons and beamlines of the Facility for Antiproton and Ion Research in Europe (FAIR).
Part 1 discusses the problem of estimating quadrupole errors via orbit response measurements at synchrotrons. An emphasis is put on investigating the influence of the availability of steerer magnets and beam position monitors (BPMs) on the solvability of the inverse problem as well as on the propagation of measurement uncertainty for the estimation of quadrupole errors. The problem is approached via analytical considerations as well as via dedicated simulation studies. By developing an analytical expression for the Jacobian matrix, the theoretical boundaries for the solvability of the inverse problem are derived. Moreover, it is shown that the analytical expressions for the Jacobian matrix can be used during the fitting procedure to achieve a significant improvement in the computational efficiency by a factor $N_{steerers} \times N_{quadrupoles}$, where $N$ denotes the number of lattice elements of the respective type. The presented results are tested via dedicated measurements at the SIS18 synchrotron.
Part 2 discusses – complementary to part 1 – the influence of quadrupole errors in beam transfer lines with respect to the beam quality requirements given by the experimental stations. A preventive approach is presented which allows to minimize the influence of possible quadrupole errors on the degradation of beam quality. By identifying and selecting robust quadrupole configurations, a stable operation of the beamline can be enabled and the time needed by operators to readjust the beamline parameters can be reduced. The concept of beamline robustness is developed and is studied with the help of dedicated simulations. The simulation results are used to identify certain properties that distinguish robust from nonrobust quadrupole configurations. Also, various methods for improving the computational process of identifying robust quadrupole configurations are presented. The methods and results are tested via dedicated measurements at two different beamlines at GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research and at Forschungszentrum Jülich.
The theoretical and experimental investigation of exotic hadrons like tetraquarks is an important branch of modern elementary particle physics. In this thesis I investigate different four-quark systems using lattice QCD and search for evidence of stable tetraquark states or resonances.
Lattice QCD as a non-perturbative approach to QCD allows an accurate and reliable determination of the masses of strongly bound hadrons.
However, most tetraquarks appear as weakly bound states or resonances, which makes a theoretical investigation using lattice QCD difficult due to the finite spatial volume. A rigorous treatment of such systems is feasible using the so-called Lüscher method. This allows to calculate the scattering amplitude based on the finite-volume energy spectrum determined in a lattice QCD calculation. Similarly to the analysis of experimental data, this scattering amplitude can be used to determine the binding energies of bound states or the masses and decay widths of resonances in the infinite volume.
In my work I calculate the low-energy energy spectra of different four-quark systems and use - if necessary - the Lüscher method to determine the masses of potential tetraquark states.
I focus on systems consisting of two heavy antiquarks and two light quarks, where at least one of the heavy antiquarks is a bottom quark.
Even though such tetraquarks have not yet been experimentally detected, they are considered promising candidates for particles that are stable with respect to the strong interaction.
A decisive step for successfully calculating low-lying energy levels for such four-quark systems is a carefully chosen set of creation operators, which represent the physical states most accurately. In addition to operators that generate a local structure where all four quarks are located at the same space-time point, I also use so-called scattering operators that resemble two spatially separated mesons. These scattering operators turned out to be relevant for successfully determining the lowest energy levels and are therefore essential, especially if a Lüscher analysis is carried out.
In my work, I considered two different lattice setups to study the four-quark systems $\bar{b}\bar{b}ud$ with $I(J^P)=0(1^+) $, $\bar{b}\bar{b}us$ with $J^P=1^+ $ and $\bar{b}\bar{c}ud$ with $I(J^P)=0(0^+) $ and $I(J^P)=0(1^+) $ and to predict potential tetraquark states. In both setups, I considered scattering operators. While in the first setup I used them only as annihilation operators, in the second setup they were included both as creation and annihilation operators. Additionally, in the second lattice setup, I performed a simplified investigation of the $\bar{b}\bar{b}ud$ system with $I(J^P)=0(1^-) $, which is a potential candidate for a tetraquark resonance. The results of the investigation of the mentioned four-quark systems can be summarized as follows:
For the $ \bar{b}\bar{b}ud $ four-quark system with $ I(J^P)=0(1^+) $ I found a deeply bound ground state slightly more than $ 100\,\textrm{MeV} $ below the lowest meson-meson threshold. The existence of a corresponding $\bar{b}\bar{b}ud$ tetraquark in the infinite volume was confirmed using a Lüscher analysis and possible systematic errors due to the use of lattice QCD were taken into account.
Similar results were obtained for the $ \bar{b}\bar{b}us $ four-quark system with $ J^P=1^+ $. Again, I found a ground state well below the lowest meson-meson threshold, but slightly weaker bound than for the $ \bar{b}\bar{b}ud $ system. Effects due to the finite volume turned out to be negligible for this system, as already predicted for the $ \bar{b}\bar{b}ud $ system. \item For the $ \bar{b}\bar{c}ud $ four-quark systems with $ (J^P)=0(0^+) $ and $ (J^P)=0(1^+) $ I was able to rule out the existence of a deeply bound tetraquark states based on the energy spectrum in the finite volume. However, by means of a scattering analysis using the Lüscher method, I found evidence a broad resonance for both channels.
In the case of the $ \bar{b}\bar{b}ud $ four-quark system with $ I(J^P)=0(1^-) $, I could neither confirm the existence of a resonance, nor rule out its existence with certainty.
In particular, my investigations showed that the results of the two different lattice simulations are consistent. The theoretical prediction of the bound tetraquark states $\bar{b}\bar{b}ud$ and $\bar{b}\bar{b}us$ as well as the tetraquark resonances in the $\bar{b}\bar{c}ud$ system in this work represent an important contribution to the future experimental search for exotic hadrons and can support the discovery of previously unobserved particles.
ATP-binding cassette (ABC) transporters shuttle diverse substrates across biological membranes. They play a role in many physiological processes but are also the reason for antibiotic resistance of microbes and multi drug resistance in cancer, and their dysfunction can lead to serious diseases. Transport is achieved through an ATP-driven closure of the two nucleotide binding sites (NBSs) which induces a transition between an inward-facing (IF) and an outward-facing (OF) conformation of the connected transmembrane domains (TMDs). In contrast to this forward transition, the reverse transition (OF-to-IF) that involves Mg2+-dependent ATP hydrolysis and release is less understood. This is particularly relevant for heterodimeric ABC transporters with asymmetric NBSs. These transporters possess an ATPase active consensus NBS (c-NBS) and a degenerate NBS (d-NBS) with little or no ATPase activity.
Crucial details regarding function and mechanism of the transport cycle remain elusive.
Here, these open questions were addressed using pulse electron-electron double resonance (PELDOR or DEER) spectroscopy of the heterodimeric ABC exporter TmrAB.
To better understand the transport cycle, the underlying kinetics of the conformational transitions need to be elucidated. By introducing paramagnetic nitroxide (NO) spin probes at key positions of TmrAB and employing time-resolved PELDOR spectroscopy, the forward transition could be followed over time and the rate constants for the conformational transition at the TMDs and NBSs were characterized.
The temperature dependence of these rate constants was further analyzed to determine for the first time the activation energy of conformational changes in a large membrane protein. For TMD opening and c-NBS dimerization, values of 75 ± 27 kJ/mol and 56 ± 3 kJ/mol, respectively were found. These values agree with reported activation energies of peptide transport and peptide dissociation in other ABC transporters, suggesting that the forward transition may be the rate-limiting step for substrate translocation.
The functional relevance of asymmetric NBSs is so far not well understood. By combining Mg2+-to-Mn2+ substitution with Mn2+-NO and NO-NO PELDOR spectroscopy, the binding of ATP-Mn2+, the conformation of the NBSs, and the conformation of the TMDs could be simultaneously monitored for the first time. These results reveal an asymmetric post-hydrolytic state. Time-resolved investigation showed that ATP hydrolysis at the active c-NBS triggers the reverse transition, whereas opening of the impaired d-NBS regulates the return to the IF conformation.
Der Dialog ist für die einen das Versprechen gelingender Kommunikation, für die anderen ein überholtes Ideal. Marten Weise zeigt in einer interdisziplinär angelegten Studie, dass sich die Lücke zwischen Lobpreisungen und Abgesängen schließen lässt. Er setzt bei der Unmöglichkeit des Denkens "nach der Shoah" an und erkundet in exemplarischen Untersuchungen der europäischen Literatur-, Theater- und Theoriegeschichte die Spannungen und Widersprüche im Verhältnis zum "Anderen", ohne die der Dialog nicht zu greifen ist. So macht er zwischenmenschliche, soziale und politische Vorgänge als prinzipiell unabschließbares Sprachgeschehen fassbar und eröffnet einen Spielraum für die Aushandlung und das Aushalten von Dissens und Differenz.
Die vorliegende Arbeit behandelt den Vergleich zweier Geräte - „Endotrust MiFusion TLS 2“ und „Medtronic LigaSure Maryland System“ - zur endoskopischen Entnahme der Arteria radialis (RA) zur Verwendung als Bypass-Gefäß in der Herzchirurgie.
Grundsätzlich kommen in der Bypass-Chirurgie zur Herstellung eines Free-Grafts am Herzen neben der Verwendung der Thoraxarterien die Vena Saphena Magna (VSM) sowie die RA in Frage. In den aktuellen europäischen Leitlinien zur Behandlung von hochgradigen Stenosen wird die Verwendung der RA empfohlen („Class 1 Level B“-Empfehlung).
Die Frage, ob die RA für den Einsatz als Bypass-Gefäß offen oder endoskopisch entnommen werden sollte, ist in der Literatur weiterhin umstritten. In den aktuellen Leitlinien zur Behandlung von koronaren Herzkrankheiten wird aufgrund dieser insoweit uneindeutigen Studienlage keine Empfehlung ausgesprochen. Trotzdem ist die endoskopische Entnahme der RA im klinischen Alltag mittlerweile etabliert. Im Kontext dieser uneindeutigen Studienlage einerseits und der praktischen Bedeutung endoskopischer Entnahme andererseits ist es Zielsetzung der vorliegenden Arbeit, durch einen Gerätevergleich einen Beitrag zur Optimierung der endoskopischen Operationstechnik zu leisten. Es soll zudem aufgezeigt werden, inwieweit die endoskopische Entnahme der RA ein sicheres und effizientes Verfahren darstellt.
In der Literatur zum Vergleich von Operationstechniken zur Entnahme von Bypass-Gefäßen werden häufig histologische Untersuchungen angewendet. Diese ermöglichen eine zeitnahe Beurteilung der Qualität des entnommenen Grafts. Das ist auch in dieser Arbeit der wesentliche Grund dafür, dass die histologische Beurteilung der Qualität der RA als primärer Endpunkt angewendet wird. In Anlehnung an die Literatur wurde die strukturelle Integrität des Endothels und der Elastica interna beurteilt. Die histologische Beurteilung erfolgte nach Immunfluoreszenz-Bearbeitung der Proben.
Im Einklang mit der bestehenden Literatur zur Frage, ob die RA offen oder endoskopisch entnommen werden sollte, wurde in dieser Studie als sekundäre Endpunkte Kriterien bezüglich der Sicherheit und Effizienz der Entnahme verwendet. Dies betrifft das Auftreten von intra- und postoperativen Komplikationen, insbesondere im Hinblick auf neurologische Beeinträchtigungen am operierten Arm, sowie die Entnahmedauer und den operativen Aufwand zur Blutstillung.
Die in dieser Arbeit behandelte Studie wurde als prospektive, 1:1 randomisierte Studie mit zwei Gruppen mit jeweils 50 Patienten durchgeführt. Alle Operationen erfolgten im Zeitraum Januar 2017 bis Juli 2017 im Herzzentrum der Kerckhoff-Klinik Bad Nauheim.
Bezüglich der Resultate des Gerätevergleichs zeigte sich ein eindeutiges Ergebnis. Sämtliche Beurteilungskriterien, bei denen signifikante Unterschiede zwischen den beiden Gruppen aufgetreten sind, u.a. Integrität der Elastica interna, Entnahmedauer, Vorkommen von Residualblutungen, Auftreten von sensorischen Störungen fallen zugunsten des LigaSure-Systems aus.
Dabei ist unserer Meinung nach der wichtigste Einzelaspekt, dass die histologisch ermittelte Integrität der Elastica interna als Indikator für die Qualität des entnommen Grafts in der LigaSure-Gruppe signifikant besser war als in der MiFusion-Gruppe. Dagegen konnten aus der histologischen Untersuchung des Endothels keine klaren Rückschlüsse gezogen werden. Insofern besteht Unsicherheit, ob die Schädigung der Endothelschicht durch die Entnahme selbst oder durch die anschließende Präparierung der entnommenen Proben verursacht wurde.
Bezüglich der sekundären Endpunkte zeigten sich für die Mifusion-Patientengruppe im Vergleich zu anderen Studien zur endoskopischen Entnahme der RA zufriedenstellende bis gute und für die LigaSure Gruppe gute bis sehr gute Ergebnisse. Unabhängig vom verwendeten Gerät kann diese Studie deshalb als eine Bestätigung bisheriger Studien zur Vorteilhaftigkeit der endoskopischen RA-Entnahme angesehen werden. Letztlich fehlt jedoch weiterhin der Nachweis, dass eine endoskopische Entnahme unbedenklich im Hinblick auf den langfristigen kardiologischen Outcome ist. Dies bleibt zukünftiger Forschung vorbehalten.
Darüber hinaus trägt die Studie dazu bei, das klinische Erfahrungswissen über operationstechnische Details bei der Entnahme der Radialarterie zu erweitern und somit die Akzeptanz für die Verwendung der Radialarterie als Bypass-Gefäß in der koronaren Herzchirurgie zu verbessern.
Tobacco smoke-associated particulate matter emissions in a car cabin using the TAPaC platform
(2023)
Zigarettenrauch enthält bis zu 5000 Inhaltsstoffe, von denen mindestens 250 gesundheits-schädlich und 98 krebserregend sind. Der freigesetzte Feinstaub erreicht hohe Konzentrati-onen in Innenräumen und ist somit besonders schädlich für Passivraucher (z.B. Kinder).
Ziel war es eine Messplattform zu etablieren, mit dessen Hilfe die Feinstaubexposition durch Zigarettenrauch im Fahrzeuginnenraum unter unterschiedlichen ventilatorischen Szenarien untersucht werden konnte. Zudem sollte der Einfluss verschiedener Tabakprodukte auf die Feinstaubkonzentration getestet werden.
Im ersten Teil dieser Dissertation wird die neuartige TAPaC Messplattform (tobacco-associated particulate matter emissions inside a car cabin: establishment of a new measuring platform) vorgestellt. Sie erlaubt die Auswirkungen verschiedener ventilatorischer Sze-narien auf die Feinstaubemission von Zigarettenrauch im Auto besser beurteilen zu können. Da niemand gesundheitsschädlichem Tabakrauch ausgesetzt wird, kann sie ohne jegliche ethische Bedenken eingesetzt werden. Die Zigaretten werden hierbei einzeln auf der Beifahrerseite verraucht. Der beim Rauchen freigesetzte Feinstaub wird auf der Fahrerseite gemessen und in PM10 (Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser <10 µm), PM2,5 (Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser <2,5 µm), und PM1 (Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser <1 µm) unterteilt. Hierbei konnten unter der Verwendung von 3R4F Research Cigarettes extrem hohe Feinstaubmesswerte bei geschlossenen Fenstern und ausgeschalteter Lüftung nachgewiesen werden (PM10: 1608 µg/m3, PM2,5: 1583 µg/m3, PM1: 1133 µg/m3). Diese Daten stellen Durchschnittwerte nach 10-minütiger Messung dar. Auch konnte eine Reduktion der Feinstaubkonzentration (PM10: -70,8 bis -74,4%, PM2,5: -70,6 bis -74,3%, PM1: -64,0 bis -68,0%) durch den Einsatz der Lüftung nachgewiesen werden.
Der zweite Teil dieser Dissertation befasste sich maßgeblich mit dem Einfluss unterschiedlicher ventilatorischer Szenarien auf die Feinstaubkonzentrationen im Auto. Unter Verwen-dung von drei unterschiedlichen Zigarettenprodukten (3R4F Research Cigarettes, Marlboro Red, Marlboro Gold) wurden insgesamt 7 ventilatorische Szenarien (Condition C1b–C7b) getestet. Für alle Szenarien, mit Ausnahme von C1b, war die Autolüftung auf Stufe 2/4 ge-stellt und in Richtung der Windschutzscheibe gerichtet. Die Szenarien beinhalteten: Condition 1 (C1b) Fenster geschlossen, Autolüftung aus und externer Ventilator aus, Condition 2 (C2b) Fenster 10 cm geöffnet und externer Ventilator aus, Condition 3 (C3b) Fenster 10 cm geöffnet und externer Ventilator auf höchster Stufe (3/3) an, Condition 4 (C4b) Fenster halb geöffnet und externer Ventilator aus, Condition 5 (C5b) Fenster halb geöffnet und externer Ventilator auf höchster Stufe (3/3) an, Condition 6 (C6b) Fenster vollständig geöffnet und externer Ventilator aus und Condition 7 (C7b) Fenster vollständig geöffnet und externer Ventilator auf höchster Stufe (3/3) an.
Es zeigten sich besonders hohe Feinstaubkonzentrationen bei Zigaretten, welche ohne Ventilation bei geschlossenem Fenster verraucht wurden. Unabhängig von der verwendeten Marke war die Feinstaubbelastung nach 10 min unter C1b (PM10: 1272–1697 µg/m3, PM2,5: 1253–1659 µg/m3, PM1: 964–1263 µg/m3) deutlich höher als unter C2b (PM10: 67–84 µg/m3, PM2,5: 68–83 µg/m3, PM1: 66–79 µg/m3), C3b (PM10: 100–139 µg/m3, PM2,5: 99–138 µg/m3, PM1: 95–132 µg/m3), C4b (PM10: 84–94 µg/m3, PM2,5: 84–93 µg/m3, PM1: 81–89 µg/m3), C5b (PM10: 94–120 µg/m3, PM2,5: 93–119 µg/m3, PM1: 90–114 µg/m3), C6b (PM10: 155–196 µg/m3, PM2,5: 154–195 µg/m3, PM1: 148–184 µg/m3), und C7b (PM10: 74–99 µg/m3, PM2,5: 72–97 µg/m3, PM1: 69–93 µg/m3). Ebenfalls wurden Feinstaubspitzenwerte bei 4,5 min und 10 min ausgewertet. Bei 4,5 min konnte PM10 unter C2b–C7b um 81,6–93,3% im Vergleich zu C1b reduziert werden. Bei 10 min sogar um 92,9–99,3%. Die 3R4F Zigarette hatte die höchste Feinstaubemission gefolgt von Marlboro Rod und Marlboro Gold. Zudem zeigte sich, dass die Feinstaubemission auch von den Tabakinhaltsstoffen und dessen Konzentrationen abhängig ist.
Die Etablierung der neuen Messplattform ermöglicht die Erforschung von Feinstaubexpositionen durch Zigarettenrauch im Auto ohne potentiell gesundheitliche Folgen. In Zusammenschau der Daten ließ sich nach Öffnen des Fensters und unter Einflussnahme verschiedener ventilatorischer Einstellungen eine deutliche Reduktion der Feinstaubkonzentration im Auto feststellen. Nichtsdestotrotz bleibt die Feinstaubbelastung im Autoinnenraum zu hoch und übersteigt die Richtwerte der Air Quality Guidelines aus dem Jahre 2021 der WHO. Die experimentell untersuchten Belüftungsszenarien sind somit insuffizient, da sie nicht vor der toxischen Feinstaubexposition durch Passivrauch beim Autofahren schützen können.
Raumkonstruktionen, die über Handlung und Bedeutungszuschreibungen im Kontext sozialer Medien entstehen, sind ein Fallbeispiel dafür, wie vor dem Hintergrund von Digitalität Fachinhalte re-innoviert werden müssen. Mit dem Ziel eines Beitrags zur Konzeption professionellen Lehrkräftewissens im Kontext von Digitalität werden, ausgehend von der Fragestellung, welche professionellen Fähigkeiten Lehrkräfte benötigen, um Raumkonstruktionen im Unterricht zu thematisieren, in dieser kumulativen Dissertation Raumkonstruktionen aus normativer und empirischer Perspektive als exemplarischer geographischer Fachinhalt adressiert.
Als theoretischer Rahmen dient dabei das TPACK Modell von Mishra & Koehler (2006), das professionelles Lehrkräftewissen in die Bereiche fachliches, pädagogisches und technologisches Wissen sowie deren Überschneidungsbereiche einteilt. Zunächst erfolgt eine Anwendung des Modells als Reflexionsperspektive auf Fachinhalte zur Erzeugung normativer Fähigkeitsbeschreibungen. Diese Fähigkeitsbeschreibungen fließen in die Entwicklung eines TPACK-Selbsteinschätzungsfragebogens für Lehramtsstudierende der Geographie ein. Im Rahmen der damit durchgeführten Studie (n= 364) zeigen sich auf deskriptiver Ebene vergleichsweise niedrige Selbsteinschätzungen der Bereiche inhaltlichen und fachdidaktischen Wissens. Durch die Anwendung einer konfirmatorischen Faktorenanalyse kann das TPACK Modell als zufriedenstellend für die Beschreibung der Daten identifiziert werden. Auffällig ist allerdings die niedrige Korrelation des Konstrukts technologischen Wissens mit den angrenzenden Wissensbereichen. In Bezug auf die Selbsteinschätzungen im phasen- und kontextübergreifenden Vergleich lässt sich, ausgehend von linearen Regressionsanalysen, eine tendenzielle Zunahme der selbsteingeschätzten Fähigkeiten entlang der Fachsemesterzahl ermitteln. Mittels Zweistichproben-t-Tests können außerdem höhere Selbsteinschätzungen der pädagogischen Wissensbereiche durch Studierende, die als Vertretungslehrkräfte tätig sind, festgestellt werden.
In Bezug auf die zur Thematisierung von Raumkonstruktionen im Unterricht benötigten Fähigkeiten ist zunächst die Relevanz der Förderung der Integration fachlichen, pädagogischen und fachdidaktischen Wissens hervorzuheben. Die Studie gibt darüber hinaus Hinweise auf eine niedrigere Bedeutung technologischen Wissens im Hinblick auf soziale Medien als Beispiele alltäglicher Technologien. Vor dem Hintergrund des positiven Effekts von Selbstwirksamkeitsprozessen bieten die Ergebnisse Implikationen für eine Diskussion von praktischen Erfahrungen als Aspekt professionellen Lehrkräftewissens im Sinne der Förderung einer kritisch-reflexiven Auseinandersetzung mit der Tätigkeit als Vertretungslehrkraft aus fachdidaktischer Perspektive. Insgesamt leistet die kumulative Dissertation einen Beitrag zum Diskurs um fachliche geographische Bildung im Kontext von Digitalität und zur Konzeption des professionellen Lehrkräftewissens vor diesem Hintergrund.
During my initial days here in Frankfurt, in October 2020 amidst the pandemic crisis, all my notes revolved around three articles by Bolthausen and Kistler, which now form the starting point of this work.
The ones introduced by Bolthausen and Kistler are abstract mean field spin glass models, reminiscent of Derrida’s Generalized Random Energy Model (GREM), which generalize the GREM while remaining rigorously solvable through large deviations methods and within a classical Boltzmann-Gibbs formalism. This allows to establish, by means of a second moment method, the associated free energy at the thermodynamic limit as an orthodox, infinite-dimensional, Boltzmann-Gibbs variational principle.
Dual Parisi formulas for the limiting free energy associated with these Hamiltonians hold, and are revealed to be the finite-dimensional (”collapsed”) versions of the classical, infinite-dimensional Boltzmann-Gibbs principles.
In the 2nd chapter of this thesis, we uncover the hidden yet essential connection between real-world spin glasses, like the Sherrington-Kirkpatrick (SK) model and the random energy models. The crucial missing element is that of TAP-free energies: integrating it with the framework introduced by Bolthausen and Kistler results in a correction to the Parisi formula for the free energy, which brings it much, much closer to the ”true” Parisi solution for the SK-model. In other words, we can identify the principles that transform the classical Boltzmann-Gibbs maximization into the unorthodox (and puzzling) Parisi minimization.
This arguably stands as the primary achievement of this work.
Neurodevelopmental psychiatric disorders (NPDs) like attention deficit hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder (ASD), and schizophrenia, affect millions of people worldwide. Despite recent progress in NPD research, much remains to be discovered about their underpinnings, therapeutic targets, effects of biological sex and age. Risk factors influencing brain development and signalling include prenatal inflammation and genetic variation. This dissertation aimed to build upon these findings by combining behavioural, molecular, and neuromorphological investigations in mouse models of such risk factors, i.e. maternal immune activation (MIA), neuron-specific overexpression (OE) of the cytoplasmatic isoforms of the RNA-binding protein RBFOX1, and neuronal deletion of the small Ras GTPase DIRAS2.
Maternal infections during pregnancy pose an increased risk for NPDs in the offspring. While viral-like MIA has been previously established elsewhere, this study was the first in our institution to implement the model. I validated NPD-relevant deficits in anxiety- and depression-like behaviours, as well as dose- and sex-specific social deficits in mouse offspring following MIA in early gestation. Proteomic analyses in embryonic and adult hippocampal (HPC) synaptoneurosomes highlighted novel and known targets affected by MIA. Analysis of the embryonic dataset implicated neurodevelopmental disruptions of the lipid, polysaccharide, and glycoprotein metabolism, important for proper membrane function, signalling, and myelination, for NPD-pertinent sequelae. In adulthood, the observed changes encompassed transmembrane trafficking and intracellular signalling, apoptosis, and cytoskeletal organisation pathways. Importantly, 50 proteins altered by MIA in embryonic and adult HPC were enriched in the NPD-relevant synaptic vesicle cycle. A persistently upregulated protein cluster formed a functional network involved in presynaptic signalling and proteins downregulated in embryos but upregulated in adults by MIA were correlated with observed social deficits. 49/50 genes encoding these proteins were significantly associated with NPD- and comorbidity-relevant traits in human phenome-wise association study data for psychiatric phenotypes. These findings highlight NPD-relevant targets for future study and early intervention in at-risk individuals. MIA-evoked changes in the neuroarchitecture of the NPD-relevant HPC and prefrontal cortex (PFC) of male and female mice highlighted sex- and region-specific alterations in dendritic and spine morphology, possibly underlining behavioural phenotypes.
To further investigate genetic risk factors of NPDs, I performed a study based on the implications of RBFOX1’s pleiotropic role in neuropsychiatric disorders and previous preclinical findings. Cytoplasmatic OE of RBFOX1, which affects the stability and translation of thousands of targets, was used to disseminate its role in morphology and behaviour. RBFOX1 OE affected dendritic length and branching in the male PFC and led to spine alterations in both PFC and HPC. Due to previously observed ASD-like endophenotypes in our Rbfox1 KO mice and the importance of gene × environment effects on NPD susceptibility, I probed the interaction of cytoplasmatic OE and a low-dose MIA on offspring. Both RBFOX1 OE alone and with MIA led to increased offspring loss during the perinatal period. Preliminary data suggested that RBFOX1 OE × MIA might increase anxiety- and anhedonia-like behaviours. Morphological changes in the adult male OE HPC and PFC suggested increased spine density and reduced dendritic complexity. A small post-mortem study in human dorsolateral PFC of older adults did not reveal significant effects of a common risk variant on RBFOX1 abundance.
To expand upon NPD genetic risks, I evaluated the effects of a homo- (KO) or heterozygous (HET) Diras2 deletion in a novel, neuron-specific mouse model. DIRAS2’s function is largely unknown, but it has been associated with ADHD in humans and neurodevelopment in vitro. In adult mice, there were subtle sex-specific effects on behaviour, i.e. more pronounced NPD-relevant deficits in males, in keeping with human data. KO mice had subtly improved cognitive performance, while HET mice exhibited behaviours in line with core ADHD symptoms, e.g. earning difficulties (females), response inhibition deficits and hyperactivity (males), suggesting Diras2 dose-sensitivity and sex-specificity. The morphological findings revealed multiple aberrations in dendritic and spine morphology in the adult PFC, HPC, and amygdala of HET males. KOs changes in spine and dendritic morphology were exclusively in the PFC and largely opposite to those in HETs and NPD-like phenotypes. Region- and genotype-specific expression changes in Diras2 and Diras1 were observed in six relevant brain regions of adult HET and KO females, also revealing differences in the survival and morphology regulator mTOR, which might underlie observed differences.
In conclusion, the effects of MIA and partial Diras2 knockdown resembled each other in core, NPD-associated behavioural and morphological phenotypes, while cytoplasmatic RBFOX1 OE and full Diras2 KO differed from those. My findings suggest complex dose- and sex-dependent relationships between these prenatal and genetic interventions, whose NPD-relevant influences might converge onto neurodevelopmental molecular pathways. An assessment of such putative overlap, based on available data from the MIA proteomic analyses of embryonic and adult HPC, suggested the three models might be linked via downstream targets, interactions, and upstream regulators. Future studies should disseminate both distinct and shared aspects of MIA, RBFOX1, and DIRAS2 relevant to NPDs and build upon these findings.
Bei 166 Patienten wurde eine perkutane transluminale Angioplastie (PTA) der A. carotis interna bzw. communis durchgeführt. 37/166 Patienten hatten symptomatische Stenosen (22,3 %). Der Stenosegrad lag bei 76,0 ± 9,9 % (57- 97 %). Bei 165/166 Patienten (99,4 %) wurde die PTA erfolgreich durchgeführt und der Stenosegrad auf 5,8 ± 21,2 % ( -73- 79 %) gesenkt. Perioperativ traten bei 8/166 Patienten neurologische Komplikationen auf (4,8 %), darunter fünf cerebrale Infarkte (3,0 %). Perioperative verstarben vier Patienten (2,4 %), zwei an Folgen einer Apoplexie, zwei an Folgen eines Myokardinfarktes. 152/166 Patienten wurden durchschnittlich 16 ± 18 Monate (ein Tag nach PTA bis maximal 87 Monaten) nachuntersucht. Bei 17 Patienten kam es zu Rezidivstenosen (10,2 %), drei davon zeigten neurologische Symptome, drei weitere bedurften einer wiederholten PTA (Re-PTA).
Die perioperativen Ergebnisse der vorgelegten Arbeit deckten sich weitgehend mit denen anderer Studien zur PTA 5, sowie zu denen bedeutender Studien zur Thrombendarteriektomie (TEA) 6. Diese Ergebnisse wurden durch die randomisierte CAVATAS- Studie
bestätigt, in der keine signifikanten Unterschiede bezüglich der Inzidenz neurologischer Symptome und der Mortalität der PTA und TEA nachgewiesen wurden [18]. Größer angelegte Studien hierzu werden zur Zeit in Europa und Nordamerika durchgeführt (CREST, SPACE). Rezidivstenosen scheinen häufiger nach PTAs aufzutreten, wobei Verbesserungen durch neue Techniken für die PTA und auch die TEA zu erwarten sind. Die klinische Bedeutung der Rezidivstenosen erwies sich bei der PTA als relativ unbedeutend.
Bei der Ermittlung von Risikofaktoren (Patientenalter; Stenoselänge; Kalzifikationen, Ulcerationen und Thromben in der Läsion) wurde festgestellt, dass bei der PTA andere Faktoren bedeutsam sind als bei der TEA. Zukünftig könnten Komplikationen vermieden werden, wenn Patienten aufgrund ihres Risikoprofils zur jeweils vorteilhafteren Behandlung zugewiesen würden.
Bei 91/166 Patienten wurde ein Embolieprotektionssystem verwandt. Es wurden verschiedene Methoden angewendet: distale Occlusion (PercuSurge™ System, n = 46), Filtersysteme (4 verschiedene Typen, n = 43) und proximale Occlusion (Arteriasystem, n = 2). Die Erfolgsrate lag bei 95,6 % und unterschied sich nicht signifikant innerhalb der einzelnen Systeme (PercuSurge™ System: 95,7 %; Filter: 95,3 %). Bei 67/91 Patienten wurde thrombotisches Material in den Filtern, bzw. im Aspirat festgestellt (73,6 %), wobei die Filter häufiger Partikel zurückhielten als das PercuSurge™ System (81,4 % versus 69,6 %). Bei vier Patienten kam es während der Protektion zu neurologischen Komplikationen, wobei in keinem dieser Fälle ein kausaler Zusammenhang zu den Protektionssysteme nachgewiesen werden konnte. Bei allen vier Patienten wurde thrombotisches Material nachgewiesen und entfernt. Die perioperative Inzidenz neurologischer Komplikationen lag bei 2,7 % (2/75 Patienten) ohne und bei 6,6 % (6/91 Patienten) mit Protektion. Die Mortalität lag bei 1,3 % (1/75 Patienten) ohne und bei 3,3 % (3/91 Patienten) mit Protektion. Diese Ergebnisse waren nicht signifikant. Die Ergebnisse der Filter und des PercuSurge™ Systems unterschieden sich ebenfalls nicht signifikant voneinander (PercuSurge™ System, Inzidenz neurologischer Komplikationen und Mortalität: 4,3 %; Filtersysteme, Inzidenz neurologischer Komplikationen: 9,3 %, Mortalität: 2,3 %). Während der PTA traten periprocedurale neurologische Symptome (PNS) bei Benutzung von Filtersystemen bei 8/43 Patienten (18,6 %), beim PercuSurge™ System bei 17/46 Patienten (37,0 %) auf.
Alle Protektionssysteme erwiesen sich in der vorliegenden Arbeit als praktikabel und für die klinische Routine geeignet. Der häufige Nachweis von Partikeln bestätigte den Nutzen der Protektion. In dieser Arbeit zeigte sich jedoch eine höhere Inzidenz neurologischer Komplikationen und Mortalität. Aufgrund der durchweg positiven Erfahrungen in vielen anderen Studien ist jedoch der klinische Nutzen der Protektion unzweifelhaft [70, 90, 132]. Kein signifikanter Unterschied konnte zwischen dem PercuSurge™ System den Filtersystemen festgestellt werden. Das PercuSurge™ System zeichnete eine geringere Inzidenz neurologischer Komplikationen und eine höhere technische Erfolgsrate aus, die Filter eine geringere Inzidenz von PNS und eine größere Effektivität beim Zurückhalten von thromboembolischen Partikeln.
Gerade in der Medizin besteht die Diagnostik nicht nur aus Zahlen und Werten, die Gesamtheit einer Diagnostik setzt sich häufig auch aus Bildern zusammen. Die bildgebende Diagnostik lässt nur wenig Spielraum für eine platzsparende Arbeitsweise, zu wichtig ist der wissenschaftliche Aussagewert feinster Details, seien es nun radiologische Aufnahmen, klinische Bilder oder Histologien. Moderne Computernetzwerke bieten eine geeignete Infrastruktur zum Austausch relevanter Daten in akzeptabler Geschwindigkeit bei guter Datenqualität. So ist die EDV nicht nur Datenverwalter, sondern ein aktives Hilfsmittel im medizinischen Alltagsgebrauch.
Diese Arbeit soll zeigen, welche technischen Voraussetzungen erfüllt sein müssen, um durch Einsatz digitaler Bilderfassungsgeräte eine optimale Datengrundlage für Forschung, Lehre und Dokumentation zu schaffen.
Die gezeigten Systeme sind grundsätzlich in statische „solid-state“ Systeme und dynamische „remote“-Systeme zu unterteilen.
Statische Systeme sind der asynchronen Telemedizin zuzuordnen und arbeiten nach dem store and forward Prinzip. Die Aufnahme ist nicht erweiterbar, in der Ferne wird zeitlich unabhängig die Diagnose gestellt. Dieses System bietet sich in strukturschwachen Regionen an.
Remotesysteme sind technisch sehr viel aufwendiger. Die sogenannte synchrone Telemedizin ist auch räumlich getrennt, findet jedoch zeitgleich statt. Das heißt, über eine Kamera und Datenleitung sind die Experten direkt mit dem Präparat oder dem Patienten verbunden. Aufgrund des technischen Aufwandes sind solche Systeme in der Regel in strukturstarken Regionen zu finden.
Beide Varianten messen sich bezüglich ihrer Validität an dem sogenannten „GoldStandard“, dem direkten Kontakt von Facharzt oder Pathologen zu Patient oder Präparat. Abhängig von der technischen Qualität haben sich beide telemedizinischen Prinzipien als in hohem Maße valide dargestellt.
Die Wahl der Kamera als zentrales Übersetzungsmedium von Bild in Daten setzt ein exaktes Studium der technischen Grundlagen voraus, wenn man bezüglich Auflösung und Lichtempfindlichkeit keine Kompromisse eingehen möchte, aber auch, wenn die physikalischen Grenzen, wie etwa die optische Auflösung eines Systems, die Notwendigkeit eines hochauflösendsten Systems nicht sinnvoll erscheinen lässt. Die Archivierung der Daten erfordert zudem Speicherplatz. Die Kompression von Bildern kann verlustfrei, aber auch verlustbehaftet stattfinden. Je nach Anwendungszweck gilt es daher abzuwägen, ob objektive Verlustfreiheit bei höherem Speicherbedarf oder wenig Platzbedarf bei einem eventuellen Qualitätsverlust gewünscht ist. Im hier gestellten Vergleich zwischen einem hochauflösenden Single-Shot System und einem Multishotaufbau hat sich gezeigt, dass die Qualität des Bildes bei einem hochauflösenden Einzelbild homogener ist, während das gekachelte Bild durch das Merging-Verfahren Belichtungs- und Schärfeunterschiede aufweist und die Bereiche der Bildteilzusammenführung erkennen lassen kann. Als Vorteil eines solchen Aufbaus ist sicherlich die technisch nahezu unbegrenzte Bildfläche zu nennen, da das aufgenommene Areal nicht von einem Einzelbild, sondern der Zahl der Segmente abhängt. Insofern haben beide Konzepte abhängig vom Einsatzanspruch ihre Existenzberechtigung.
Multilevel-Untersuchung des nitrinergen Systems bei affektiven Störungen und schizophrenen Psychosen
(2023)
Das nitrinerge System und damit auch NOx als Neurotransmitter werden mit der Entstehung verschiedener psychischer Erkrankungen in Verbindung gebracht. Die genaue Rolle des Botenstoffs ist jedoch nicht ausreichend geklärt und auch die Frage, ob dieser als diagnostischer oder prädiktiver Biomarker nützlich sein könnte, ist unbeantwortet. In der vorliegenden Arbeit wurde folglich untersucht, ob es Unterschiede zwischen den Diagnosegruppen MDD, BIP, SCZ und der Kontrollgruppe bezüglich peripherer NOx- Konzentrationen gibt. Darüber hinaus wurden Unterschiede innerhalb der Diagnosegruppen im Krankheitsverlauf im Sinne von Phasenunterschieden mittels zweier Messzeitpunkte untersucht und analysiert, ob es Korrelationen mit genetischen Variationen in NOS-Genabschnitten gibt. Insgesamt wurden 185 Probanden in die Studie mitaufgenommen: 52 gesunde CTRL, 43 Patienten mit MDD, 41 Patienten mit BIP und 49 Patienten mit SCZ. Biochemische, genetische und klinische Daten wurden bei Aufnahme und Entlassung in der psychiatrischen Abteilung des Universitätsklinikums Frankfurt erhoben. Klinische Daten, die den Symptomverlauf 90 und die Erkrankungsschwere beurteilten, nutzten dazu standardisierte teilstrukturierte klinische Interviews. Biochemische Daten wurden mittels im Serum gemessener NOx- Spiegel quantifiziert. Bezüglich der Untersuchung der Risikogenvarianten wurden Probanden anhand des NOS1 ex1f-VNTR-Polymorphismus sowie SNPs in den Genen NOS1, NOS3 und NOS1AP genotypisiert. Bei Aufnahme wiesen SCZ-Patienten im Vergleich zu CTRL-, MDD- und BIP-Gruppen signifikant höhere NOx- Konzentrationen auf. Während NOx- Spiegel im Behandlungsverlauf bei MDD- und BIP-Patienten signifikant zunahmen, konnte dies bei SCZ-Patienten nicht beobachtet werden. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Patienten, deren depressive Beschwerden nicht relevant zurückgingen, bei Entlassung signifikant höhere NOx- Konzentrationen aufwiesen, was durch die Beobachtung einer signifikant positiven Korrelation zwischen NOx- Serumspiegeln und depressiven Symptomen bei Entlassung unterstützt wurde. Bei der genetischen Untersuchung der Daten fiel auf, dass homozygote Träger des kurzen VNTR-Allels signifikant erhöhte NOx- Konzentrationen besaßen. Diese Ergebnisse blieben bei jenen Trägern auch nach Entlassung signifikant. Insgesamt gibt es Hinweise darauf, dass erhöhte periphere NOx- Metabolitkonzentrationen mit einer Zunahme der Psychopathologie bzw. der Erkrankungsschwere einhergehen könnten, was möglicherweise auf den NOS1 ex1f-VNRT-Polymorphismus zurückzuführen ist. Außerdem zeigten zwei SNPs, welche beide im NOS1AP-Gen lokalisiert sind, bei BIP Patienten signifikant gesteigerte NOx- Werte. Die vorliegenden Ergebnisse deuten darauf hin, dass NO-Signalübertragung und NOS-Genotypen in der Pathogenese psychischer Erkrankungen eine Rolle spielen könnten. Ob diese Veränderungen allerdings kausal mit Krankheitsprozessen zu tun haben oder ob es eher Epiphänomene der Erkrankungen sind, kann mit dieser Studie nicht geklärt werden. Die Genvarianten könnten wiederum bei der Regulierung von peripheren NOx- Konzentrationen von Bedeutung sein. Die Arbeit liefert zudem Hinweise, die Verwendung von NOx als möglichen peripheren Biomarker weiter zu verfeinern und zu untersuchen. Zukünftige Studien, die die Wirksamkeit von NOx- modulierenden Pharmaka untersuchen, könnten davon profitieren, Diagnosegruppen nach Subgruppen einzuteilen, die sowohl NOS Risikogenvarianten als auch periphere NOx- Spiegel im Sinne eines Biomarker beachten.
Polyunsaturated fatty acids (PUFAs) play essential roles in mediating inflammation and its resolution. PUFA metabolites generated by the cytochrome P450 (CYP) - soluble epoxide hydrolase (sEH) axis are known to regulate macrophage activation/polarization but little is known about their role in the resolution of inflammation. Monocytes were isolated from murine bone marrow or human peripheral blood and differentiated to naïve macrophages (M0). Thereafter cells were polarized using LPS and IFNγ (M1), IL-4 (M2a), or TGFβ1 (M2c). Gene expression was analyzed by RNA sequencing, RT-qPCR and Western blotting. Phagocytosis of zymosan and oxo-LDL were also assessed in vitro. Zymosan-induced peritonitis combined with immune cell profiling was used to evaluate the resolution of inflammation in vivo. The expression of sEH was comparable in M0, M1 and M2a macrophages but markedly elevated in M2c polarized cells. The increase in sEH expression elicited by TGFβ relied on the TGFβ receptor ALK5 and the phosphorylation of SMAD2, which was able to bind to the sEH promoter. In macrophages lacking sEH, M2c polarization was incomplete and characterized by lower levels of pro-resolving phagocytosis associated receptors (Tlr2 and Mrc1), as well as higher levels of the pro-inflammatory markers; Nlrp3, IL-1β and TNFα. Fitting with the failure to upregulate phagocytosis associated receptors, the uptake of zymosan and ox-LDL was less efficient in M2c macrophages from sEH-/- mice. The latter animals also demonstrated a retarded resolution of inflammation (zymosan-induced peritonitis) in vivo with fewer resident macrophages and recruited macrophages. PUFA profile analysis indicated decreased sEH substrates e.g., 11, 12-EET, as well as increased sEH products e.g., 11, 12-DHET, indicating an increased sEH activity in M2c macrophages. Taken together, our data indicates that sEH expression is required for the effective M2c polarization of macrophages and thus the resolution of inflammation.
This thesis investigates the structure of the translocase of the outer membrane (TOM) complex in mitochondria, focusing on the TOM holo complex through single-particle electron cryo-microscopy (cryoEM) complemented by mass spectrometry and computational structure prediction. Mitochondria, crucial for energy production in eukaryotic cells, import most of their proteins from the cytoplasm. These proteins enter through the TOM complex, which in its core form consists of a membrane-embedded homodimer of Tom40 pores, two Tom22 cytoplasmic receptors, and six small TOM stabilizing subunits (Tom7, Tom6, and Tom5). The holo complex includes two additional subunits, Tom70 and Tom20, whose stoichiometry and positioning are less understood due to their easy dissociation during isolation of the complex. CryoEM analysis revealed the high-resolution structure of the Neurospora crassa TOM core complex at 3.3 Å, containing all core subunits, and the presence of a central phospholipid causing the Tom40 dimer to tilt to 20°. Furthermore, a 4 Å resolution map indicated the binding of a precursor protein as it transitions through the translocation barrel. Finally, at 6-7 Å resolution, the structure of the TOM holo complex highlighted Tom20's flexibility as it interacts with the core complex, emphasizing its role in protein translocation. This work provides significant insights into the architecture and functioning of the TOM complex, contributing to the understanding of mitochondrial protein import mechanisms.
This work focused on the biosynthesis and characterization of esterified lipid mediators. Lipid mediators were generally thought to exert their effects as free molecules, and their esterification was regarded as a storage mechanism. However, more recent studies indicate that esterified lipid mediators are a distinct class of mediators. When this thesis started back in 2017, the idea of esterified lipids as a new class of mediators was relatively new so that respective compounds were either quite expensive or not commercially available at all. Therefore, a biosynthetic approach had to be established first to enable the study of the new lipid mediator class. Within the cell, esterified lipids are produced by activation and subsequent incorporation of polyunsaturated fatty acids. These steps are enzymatically catalyzed by members of the acyl-CoA synthetase family and the lysophosphatidylcholine acyltransferase family, respectively. Therefore, the enzymes acyl-CoA synthetase long-chain family member 4 (ACSL4) and lysophosphatidylcholine acyltransferase 2 (LPCAT2) were selected for a biosynthetic approach due to their broad substrate acceptance.
In a first attempt, recombinant protein expression in E. coli was studied. While the expression and purification of C-terminally His6x-tagged ACSL4 resulted in a pure and active protein, the expression of LPCAT2 turned out quite troublesome. Although several expression and purification parameters were varied, including purification tags, buffer compositions, and chromatography strategies, successful purification of LPCAT2 was not achieved.
Instead, a second approach was studied. This time, stably transfected cells overexpressing ACSL4 and/or LPCAT2 were generated from the human embryonal kidney (HEK) 293T cell line. Stably transfected cell lines were characterized on protein level and regarding their oxylipin profile. After confirming the overexpression and functionality of the enzymes, lipoxygenases (LOs) were co-expressed in a doxycycline-inducible manner to prevent premature cell death due to increased oxidative stress. As a result, LO product formation was enhanced and enabled the investigation of specific oxylipins. Since increased lipid peroxidation is also a key component of the ferroptosis cell death mechanisms, cell lines were investigated towards their cell viability. Indeed, expression of ACSL4 and/or LPCAT2 promoted cell death when treated with the ferroptosis inducers erastin or RSL3, even in the absence of LO expression. Furthermore, analysis by laser scanning confocal microscopy revealed that the localization of 15-LO1 was altered in the presence of LPCAT2, similar to treatment with RSL3 in vector control cells.
In conclusion, a stable overexpression system of ACSL4 and/or LPCAT2 was successfully established in HEK293T cells, which enabled the synthesis and characterization of esterified oxylipins. Interestingly, characterization of the cell lines revealed a correlation with the cell death mechanism ferroptosis. Although the expression of ACSL4 has already been reported as a biomarker for ferroptosis, this is the first time that a potential connection of LPCAT2 with ferroptosis was demonstrated. As a result, this may provide new therapeutic options for ferroptosis-related pathologies such as neurodegeneration, autoimmune diseases, or tumorigenesis.
Die klinische Pfade zielten in erster Linie darauf ab, die Aufenthaltsdauer zu verkürzen und unnötige Kosten zu sparen, während die Qualität der Pflege erhalten blieb oder verbessert wurde. Bei der laparoskopischen Cholezystektomie gibt es keine ausreichenden Beweise für einen Einfluss auf postoperative Komplikationen.
In dieser retrospektiven Studie wurde die logistische Regression verwendet, um einen Neigungswert zu berechnen, und nach dem Abgleich werden 296 Patienten in beiden Gruppen im Hinblick auf postoperative Komplikationen unter Verwendung des Clavien-Dindo-Klassifizierungssystems als primäres Ziel analysiert. Darüber hinaus wurden sekundäre Ziele wie Aufenthaltsdauer, Einhaltung und Abweichung vom klinischen Pfad in Bezug auf die Entlassung von Patienten analysiert. Das relative Risiko des primären Ergebnisses wurde berechnet und mit dem E-Wert als Ansatz für Sensitivitätstests verglichen.
Aufgrund des obligatorischen Teil der klinischen Pfad bei den Patienten betrug die Compliance 100 Prozent. In 16% der Fälle trat eine Abweichung vom Pfad in Bezug auf die geplante Entlassung des Patienten am zweiten Tag nach der Operation auf. Nach Anpassung um potenzielle Faktoren beträgt das relative Risiko beim Vergleich der Clavien-Dindo-Komplikationsbewertung 0 versus 1-4 ist 1,64 (95% CI 0,87; 3,11), was nicht signifikant unterschiedlich ist (p = 0,127).
Nach Matching beträgt die Verweildauer 3,69 Tage ohne bzw. 3,26 Tage mit dem klinischen Pfad.
Vergleich zu bereits implementierter strukturierter Standardoperationsverfahren kann ein klinischer Pfad postoperative Komplikationen nicht reduzieren.
Dennoch betrachten wir unseren klinischen Pfad als ein äußerst wertvolles Instrument für die interdisziplinäre Verwaltung des Krankenhausaufenthalts des Patienten unter der Aufsicht eines erfahrenen Chirurgen.
Komplexität und Zufälligkeit
(1978)
Pericytes are capillary-associated mural cells involved in the maintenance and the stability of the vascular network. This thesis aims to investigate the role of pericytes in the heart in the context of ageing and disease. We highlight the malignant effects of the remodelling in the heart and stress the focus on the role of cardiac pericytes in this context. We show that ageing reduces pericyte coverage and that myocardial infarction (MI) causes an activation of these cells. Single-nuclei and single-cell RNA sequencing analysis of murine hearts further revealed that the expression of the Regulator of G-protein signalling 5 (Rgs5) is reduced in cardiac pericytes both in ageing and transiently at day 1 and day 3 after MI. The loss of RGS5 in pericytes drives an entropic state of these mural cells characterized by morphological changes, excessive extracellular deposition and enhanced Gaq mediated GPCR signalling. The deletion of RGS5 in pericytes causes cardiac systolic dysfunction, induces myocardial fibrosis, and drives the activation of cardiac fibroblasts in a TGFb-dependent manner. In conclusion, our results describe the importance of pericytes maintaining cardiac homeostasis, identify RGS5 as a key regulator of this process and propose pericytes as crucial mediators of cardiac fibrosis and possible therapeutic targets to prevent cardiovascular disease.
Die Verwendung von Photoschaltern zur gezielten Kontrolle von Systemen birgt ein hohes Potential hinsichtlich biologischer Fragestellungen, bis hin zu optoelektronischen Anwendungen. Infolge einer Photoanregung kommt es zu Geometrieänderungen, die einen erheblichen Einfluss auf ihr photophysikalisches Verhalten haben. Die Änderungen der photochemischen, wie photophysikalischen Eigenschaften, beruht entweder auf der Isomerisierung von Doppelbindungen oder auf perizyklischen Reaktionen. Durch sorgfältige Modifikationen, wie beispielsweise die Änderung der Konjugation durch unterschiedlich große π-Elektronensysteme, der Molekülgeometrie oder der Veränderung des Dipolmoments, lassen sich intrinsische Funktionen variieren.
Die Kombination dieser Eigenschaften stellt eine komplexe Herausforderung dar, da diese Änderungen einen direkten Einfluss auf wichtige Charakteristika wie die Adressierbarkeit, die Effizienz und die Stabilität der Moleküle haben. Darüber hinaus spielt die thermische Stabilität eine erhebliche Rolle im Hinblick auf die Speicherung von Energie oder Informationen für Anwendungsbereiche in der Energiegewinnung und Datenverarbeitung.
Für die Anwendung solcher photochromen Moleküle ist hinsichtlich der oben genannten Eigenschaften auch das Wissen über den photoinduzierten Reaktionsmechanismus unabdingbar.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die Isomerisierungsdynamik organischer Photoschalter durch unterschiedliche Modifikationen mittels stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie untersucht. Im Bereich der Merocyanine konnte ein Derivat vorgestellt werden, das ausschließlich zwischen zwei MC-Formen (trans/cis) isomerisiert. Die interne Methylierung am Phenolatsauerstoff der Chromeneinheit verhindert die Ringschlussreaktion zum SP und somit seinen zwitterionischen Charakter. Die stabilen Grundzustandsisomere TTT und CCT weisen durch den Methylsubstituenten eine hypsochrome Verschiebung ihrer Absorptionsmaxima auf, während TTT das thermodynamisch stabilste Isomer darstellt. Das MeMC wies eine erstaunlich hohe Effizienz seiner Schaltamplituden, insbesondere der TTT → CCT Photoisomerisierung auf, sowie eine überaus hohe Quantenausbeute.
Das MeMC wies zudem eine signifikante Lösungsmittelabhängigkeit auf, die sich insbesondere in der Photostabilität bemerkbar macht. Während das MeMC in MeCN und EtOH photodegradiert, konnte in EtOH/H2O eine konstante Reliabilität festgestellt werden. Diese Zuverlässigkeit impliziert nicht nur eine Stabilisierung durch das Wasser, sondern auch eine Resistenz gegenüber Hydrolysereaktionen. Darüber hinaus konnten kinetische Studien eine hohe thermische Rückkonversion von CCT zu TTT bei Raumtemperatur nachweisen, womit auf schädliche UV-Bestrahlung verzichtet werden könnte.
Die Untersuchung der Kurzzeitdynamiken beider Grundzustandsisomere gab Aufschluss über die Beteiligung anderer möglicher MC-Intermediate und den Einfluss der Methylgruppe auf das System. Mittels quantenchemischer Berechnungen konnte eine erste Initiierung um die zentrale Doppelbindung beider Isomere bestimmt werden, die jeweils zu einem heißen Grundzustandsintermediat führt, bis nach einer zweiten Isomerisierung der endgültige Grundzustand der Photoprodukte populiert wird. Dies bedeutet, dass die trans/cis-Isomerisierung über TTT-TCT-CCT und die Rückkonversion über CCT-CTT-TTT erfolgt.
Im Bereich der Hydrazon-Photoschalter konnten unterschiedlich substituierte Derivate mittels statischer und zeitaufgelösten UV/Vis-Studien untersucht werden. Da ESIPT Prozesse eine wichtige Funktion bei der Kontrolle von biologischen Systemen spielen, wurden verschiedene Hydrazonderivate hinsichtlich ihrer Reaktionsmechanismen untersucht. Als Rotoreinheit diente zum einen eine Benzothiazolkomponente, die die interne H-Bindung des angeregten Z-Hydrazons schwächen sollte und zum anderen wurde ein Chinolinsubstituent eingesetzt, der als Elektronenakzeptor diente und den H-Transfer begünstigt. Der Einsatz der Benzothiazolkomponente bewirkte die gewünschte Vergrößerung der bathochromen Verschiebung des E-Isomers, sowie eine deutliche Erhöhung der thermischen Stabilität des metastabilen
Zustands. Dies bestätigten die zeitaufgelösten Studien der Z zu E Isomerisierung, bei denen die Isomere im Vergleich zum Chinolinhydrazonderivat, in beiden ausgewählten Lösungsmitteln metastabile Z-Intermediate zeigten und eine Lebenszeit bis in den µs-Zeitbereich aufwiesen. Die Rückreaktion beider Derivate (HCN) und (HBN) hingegen zeigte eine barrierelose Umwandlung in die beteiligten Photoprodukte. Trotz der Verwendung des Chinolinsubstituenten zusammen mit Naphthalin als Rotoreinheit (HCN), konnte kein ESIPT Prozess beobachtet werden. HCB mit einer Kombination aus einem Chinolinrotor und eines Benzothiazolsubstituenten, wies eine Hydrazon-Azobenzol-Tautomerie auf, die ein prototropes Gleichgewicht zwischen dem E-Hydrazon und der E-Azobenzolform (E-AB) ausbildete. Die Reaktionsdynamiken des Z-Hydrazons zum E-AB wiesen eine ultraschnelle Bildung des Photoproduktes auf, während die Rückreaktion über einen ESIPT im sub-ps-Bereich erfolgte. Dieser H-Transfer hat die Bildung des angeregten E-Hydrazons zur Folge. Interessanterweise wurde kein Rückprotonentransfer nachgewiesen, sondern die mögliche Formation eines Z-AB gefunden. Damit unterscheidet sich dieser Reaktionsmechanismus erheblich von den typischen ESIPT Prozessen, die normalerweise zu ihrem Ausgangsmolekül zurückrelaxieren. Des Weiteren konnte ein Pyridinoxid und Benzoylpyridin-substituiertes Hydrazon charakterisiert werden, bei denen die stationären Studien kein Schaltverhalten, sondern Photodegradation aufwiesen. Die zeitaufgelösten Daten ergaben ebenfalls keine Photoproduktbildung, was die These der Photozersetzung unterstützt. Die Verwendung von zusätzlich substituierten Rotoreinheiten, wie beispielsweise Pyridinoxid und Benzoylpyridin, die aufgrund fehlender Protonenakzeptormöglichkeit keine interne H-Bindung ausbilden, erlaubt keine Bildung des Z-Hydrazon Isomers.
Die Ergebnisse der Studie und die Diversität der Datenbanken ist groß.
Für 12 Datenbanken wurde ein Punktesystem mit elf Items entworfen, um die Qualität der einzelnen Datenbanken zu objektivieren. Keine Datenbank konnte alle Bewertungskriterien erfüllen. Der insgesamt schlechte Punktedurchschnitt ist ein Indikator für die Mängel der aktuell verfügbaren Datenbanken. Außerdem konnten wir einen Qualitätsunterschied zwischen kostenpflichtigen und kostenfreien Datenbanken beweisen und mussten im Zuge dieser Ergebnisse die Frage stellen, ob kostenfreie Datenbanken überhaupt nützlich sind. Zwischen den kostenpflichtigen Datenbanken fallen die Qualitätsunterschiede weniger gravierend aus, wenngleich Stärken und Schwächen sich deutlich unterscheiden. Die häufigsten Wechselwirkungen wurden in allen Datenbanken mit großem Abstand zwischen rein psychiatrischen Interaktionspaaren erfasst. Dieses zeigt, wie wechselwirkungsreich Psychopharmaka sind und dass psychiatrische Patienten besonders vulnerabel sind. Die Nutzung digitaler Hilfsmittel scheint bei Betrachtung der hohen Anzahl ausgegebener Warnmeldungen unabdingbar zu sein, dennoch existiert große Uneinheitlichkeit bei der Bewertung der einzelnen Interaktionen. Die Vorstellung, dass zwei Kliniker bei Nutzung zweier unterschiedlicher Datenbanken zu völlig unterschiedlichen Empfehlungen kommen, fällt nicht schwer. Gleichzeitig könnte die Kooperation von Heilberuflern, die unterschiedliche Datenbanken verwenden, die Chance auf zusätzlichen Informationsgewinn und Austausch erhöhen, was im Umkehrschluss in einer erhöhten Arzneimitteltherapiesicherheit resultiert. In Studien konnte der positive Effekt interdisziplinärer Zusammenarbeit bereits bewiesen werden.
Zusammenfassend konnten umfangreiche Differenzen zwischen allen untersuchten Datenbanken aufgezeigt werden. Um den Anforderungen des klinischen Alltags zu genügen, müssen digitale Unterstützungssysteme weiterentwickelt werden.
Die „ideale Datenbank“ gibt es bisher nicht – das lässt sich durch unser Punktesystem beweisen. Um im klinischen Alltag Patientensicherheit zu gewährleisten ist die Nutzung einer einzelnen Datenbank bisher nicht ausreichend.
Die Gewährung der Patientensicherheit sollte unser oberstes Ziel sein und um dieses zu erreichen, bedarf es vieler Komponenten. Neben der Nutzung und vor allem Weiterentwicklung digitaler Unterstützungssysteme sollte auch der zwischenmenschliche Austausch weiter gefördert werden. Interdisziplinäre Zusammenarbeit im Sinne pharmazeutischer Dienstleistungen zur Medikationsanalyse könnten ein zusätzliches Instrument zur Vermeidung arzneimittelbezogener Probleme werden.
Zukünftig werden unsere Patienten am meisten von optimaler Nutzung weiterentwickelter Technologien, sowie wachsendem zwischenmenschlichem Austausch profitieren.
Das Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) stellt Protonen-, Helium- und Kohlenstoff-Ionenstrahlen unterschiedlicher Energie und Intensität für die Krebsbehandlung und Sauerstoff-Ionenstrahlen für Experimente zur Verfügung. Der hierfür verwendete Beschleuniger ist darüber hinaus in der Lage auch Ionenstrahlintensitäten unterhalb der für Therapien verwendeten bereitzustellen. Allerdings ist das derzeit installierte Strahldiagnosesystems nicht in der Lage, das Strahlprofil bei solchen geringen Intensitäten (< 10^5 Ionen/s) zu messen. Dabei existieren mögliche medizinische Anwendung für diese niederintensiven Ionen-strahlen, wie beispielsweise eine neuartige und potentiell klinisch vorteilhafte Bildgebung: die Ionenradiographie. Eine essentielle Voraussetzung für diese und andere Anwendungen ist ein System zur Überwachung von Ionenstrahlen niedriger Intensität. Ein solches System wurde im Rahmen dieser Arbeit konzipiert, realisiert, getestet und optimiert.
Das Funktionsprinzip basiert auf szintillierenden Fasern, insbesondere solchen mit erhöhter Strahlungshärte für die Möglichkeit einer dauerhaften Platzierung im Therapiestrahl. Ein diese Fasern durchlaufendes Ion regt den darin enthaltenen Szintillator durch Stoßprozesse kurzzeitig an. Die dabei deponierte Energie wird anschließend in Form von Photonen wieder emittiert. Silizium-Photomultiplier sind an den Enden der Fasern montiert und wandeln die Photonensignale in verstärkte elektrische Impulse um. Diese Impulse werden von einer neuartigen und dedizierten Ausleseelektronik aufgezeichnet und verarbeitet. Ein Prototypaufbau, bestehend aus den genannten Teilen, wurde im Strahl getestet und kann das transversale Strahlprofil erfolgreich im Intensitätsbereich von 10^7 Ionen/s bis hinunter zu 10^2 Ionen/s aufzeichnen. Darüber hinaus konnte, durch die erfolgreiche Ankunftszeitmessung von einzelnen Ionen bis zu Intensitäten von 5*10^4 Ionen/s, ein Machbarkeitsnachweis für die Messung der Spur von einzelnen Teilchen erbracht werden.
Optimierung der Synthese eines neuen photolabil geschützten Nitroxid-Spin-Labels für RNA und DNA
(2023)
Im Rahmen dieser Arbeit konnte, ausgehend von den günstigen Ausgangsverbindungen Desoxyadenosin und Phthalsäureanhydrid, ein neues photolabil geschütztes Nukleotid 1 und sein Dummypartner 2 synthetisiert werden. Positiv zu bemerken ist, dass einige Schritte im Vergleich zu ähnlichen literaturbekannten Reaktionen in Einfachheit, Reinheit oder Ausbeute verbessert wurden. So konnte die Ausbeute der wichtigen Umwandlung des Amins 46 zum Iodid 47 durch den Ersatz des vorherigen DCM/DIM Gemisches durch reines DIM von 15 % auf akzeptable 50 % erhöht werden, was nicht nur Zeit, sondern auch zukünftige Chemikalienmengen einspart. Nicht nur hierbei, sondern auch bei der Nitrierung zu 61 oder auch der Oxidierung zu 63 war es von äußerster Wichtigkeit eine korrekte Temperaturkontrolle durchzuführen, da es sonst zu hohen Ausbeuteverlusten durch ungewollte Nebenreaktionen kommen konnte. Eine sehr interessante Beobachtung war die Kontrolle der Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung durch die Anwendung verschieden starker Basen. Während schwache Basen wie KOAc nur zur Miyaura-Borilierung führten, begünstigten starke Basen wie K3PO4 die Suzuki Miyaura-Kreuzkupplung. Die Zusammenführung des Zucker Bausteins 36 und des Isoindolin-Bausteins 37 funktionierte sehr gut, sodass das Nukleotid 1 durch die Schützung der exozyklischen Amingruppe und Phosphorylierung des 3´-OH dargestellt werden konnte.
Die Synthese der 14mer DNA bzw. RNA Sequenzen mit den neuen Nukleotiden 1 und 2 funktionierten mit zufriedenstellenden Ausbeuten, nur die Abspaltung der Pac-Gruppe benötigte etwas harschere Bedingungen von 50 °C in 32 % Ammoniak über Nacht. Die photolabile Schutzgruppe in Strang (V) mDNA-Tetramethyl konnte nun abgespalten und das Nitroxid an Luft reoxidiert werden. Anhand von EPR-Spektren und einer HPLC Analyse ergab sich jedoch eine Abspalteffizienz von nur 70 %. Dies bedeutet, dass für künftige PELDOR Messungen eine Aufreinigung des Spaltgemisches zur Isolierung des Radikal-Strangs von Nöten ist.
Anhand des Schmelzpunkts der verschiedenen Duplexe wurde anschließend die mögliche Anwendung des Nukleotids weiter analysiert. Hierbei stellte sich heraus, dass der Benzolring sowohl in 2 als auch in 1 eine erhebliche Destabilisierung des Duplex erzeugte. Somit ist das neue photolabil geschützte Nukleotid als EPR Sonde in der Mitte von Sequenzen nur bedingt geeignet. Zukünftige Experimente könnten das neue Spin Label nicht in der Mitte, sondern an den Enden der Sequenzen ähnlich anderer Arbeiten[92,94,164] einbauen, wo die Destabilisierung eine geringere Auswirkung hat, oder die Sequenz für eine bessere Stabilisierung verlängern.[164] Bei ausreichenden Duplexstabilitäten könnten hiermit dann PELDOR Messungen durchgeführt werden. Ähnlich starre, sterisch anspruchsvolle Nukleotide zeigten auch ähnliche Schmelzpunkte für ihre Duplexe[120], dennoch wurden sie für weitere Markierungsexperimente verwendet. Hierbei handelte es sich jedoch nicht um EPR Sonden, sondern um Fluoreszenzmarker. Da auch das neue Spin-Label 1 ein großes π-System besitzt, könnte eine komplett neue Herangehensweise die Anwendung als Fluoreszenzmarker sein. Genaue Absorptionsmessungen müssten noch durchgeführt werden, jedoch zeigte das Spin Label sehr stark fluoreszierende Eigenschaften unter der UV-Lampe während der Säulenchromatographie. Hierbei würde die Synthese um einiges kürzer ausfallen, da das EPR-aktive Nitroxid nicht mehr benötigt wird und geschützt werden muss, was Zeit und Chemikalien spart.
Zusammenfassend wurde über eine 22-stufige Synthese ein neues photolabil geschütztes Spin-Label synthetisiert, in ein 14mer integriert, erfolgreich entschützt und mittels EPR-Spektroskopie vermessen. Schmelzpunktmessungen zeigten jedoch eine große Destabilisierung und deuten darauf hin, dass 1 und Nukleotide mit ähnlich Benzolringen nur eingeschränkt als EPR-aktive Nukleotide geeignet sind.
Diese Arbeit hatte das Ziel, die Größe einer DVT-Aufnahme (FOV) mit der Größe der durch die Indikationsstellung definierten Region (ROI) zu vergleichen. Durch eine speziell dafür entwickelte Software sollten Messungen in den Datensätzen ermöglicht werden. Die dazu verwendeten 332 Datensätze wurden zufallsverteilt aus den mit einem Orthophos SL-3D DVT-Gerät der Firma Dentsply Sirona in der Poliklinik für zahnärztliche Chirurgie und Implantologie des ZZMK (Carolinum) in Frankfurt angefertigten Röntgenaufnahmen selektiert.
Es wurde die Auswertungssoftware ExRoi entwickelt, mit der die Werte des axialen Durchmessers, die Höhe (vertikale Dimension) sowie die Distanz der Mittelpunkte von FOV und ROI direkt in den Datensätzen bestimmt werden konnten. Zusätzlich wurde festgehalten, welche rechtfertigenden Indikationen gestellt und welche Auflösungsmodi verwendet wurden.
Die Stichprobe bestand aus Aufnahmen mit einem axialen Durchmesser von 8 cm [VOL 1] (n= 76, entsprechend 46,39%), 5 cm Durchmesser [VOL 2] (n = 102, entsprechend 30,72%) und 11 cm Durchmesser [VOL 3] (n= 154, entsprechend 22,89%). 95,18% der Aufnahmen wurden im HD-Modus mit laut Herstellerangaben vier Mal so vielen Aufnahmen im Vergleich zum SD-Modus angefertigt. Hauptindikationen waren Implantat Planung (45,1%) und Planungen komplizierter Zahn-Extraktionen (25,5%).
Die Messungen zum Vergleich des axialen Durchmessers zeigten, dass bei Verwendung des VOL 2 die ROI im Mittel den größten Anteil der FOV nutzt (78,52 %), den kleinsten Anteil nutzt durchschnittlich VOL 1 (56,04 %). Dazwischen liegt VOL 3 (69,12 %). In der Vertikalen nutzt die ROI von VOL 3 mittelwertig den größten Anteil der FOV (81,87 %), den kleinsten Mittelwert hat VOL 1 (58,76 %). VOL 2 liegt zwischen diesen Werten (64,47 %).
In allen Fällen war das FOV größer als die ROI und die ROI lag im Bereich des gewählten FOV.
Die Mittelpunkte von FOV und ROI lagen im Mittel in der axialen Ebene in Abhängigkeit vom gewählten Volumen um rund 9-13 mm auseinander, in der coronalen und sagittalen Ebene um rund 5-6mm.
Aus diesen Ergebnissen kann für das verwendete Gerät eine gute Trefferquote für die ROI abgeleitet werden. Höhe und Durchmesser des FOV hätten in den meisten Fällen kleiner gewählt werden können, liegen aber angesichts der vorhandenen Auswahl-Optionen des Röntgengeräts zur Dimensionierung der Volumina in einem akzeptablen Bereich.
How the brain evolved remains a mystery. The goal of this thesis is to understand the fundamental processes that are behind the evolutionary history of the brain. Amniotes appeared 320 million years ago with the transition from water to land. This early group bifurcated into sauropsids (reptiles and birds) and synapsids (mammals). Amniote brains evolved separately and display obvious structural and functional differences. Although those differences reflect brain diversification, all amniote brains share a common ancestor and their brains show multiple derived similarities: equivalent structures, networks, circuits and cell types have been preserved during millions of years. Finding these differences and similarities will help us understand brain historical evolution and function. Studying brain evolution can be approached from various levels, including brain structure, circuits, cell types, and genes. We propose a focus on cell types for a more comprehensive understanding of brain evolution. Neurons are the basic building blocks and the most diverse cell types in the brain. Their evolution reflects changes in the developmental processes that produce them, which in turn may shape the neural circuits they belong to. However, there is currently a lack of a unified criteria for studying the homology of connectivity and development between neurons. A neuron’s transcriptome is a molecular representation of its identity, connectivity, and developmental/evolutionary history. Hence the comparison of neuronal transcriptomes within and across species is a new and transformative development in the study of brain evolution. As an alternative, comparing neuronal transcriptomes across different species can provide insights into the evolution of the brain. We propose that comparing transcriptomes can be a way to fill this gap and unify these criteria. In previous studies, published in Science (Tosches et al., 2018) and Nature (Norimoto et al., 2020), we leveraged scRNAseq in reptiles to re-evaluate the origins and evolution of the mammalian cerebral cortex and claustrum. Motivated by the success of this approach, in this thesis we have now expanded single-cell profiling to the entire brain of a lizard species, the Australian dragon Pogona vitticeps, with a special focus in thalamus and prethalamus of. This approach allowed us to study the evolution of neuron types in amniotes. Therefore, we aimed to build a multilevel atlas of the lizard brain based on histology and transcriptomic and compare it to an equal mouse dataset (Zeisel et al., 2018).
Our atlas reveals a general structure that is consistent with that for other amniote brains, allowing us to make a direct comparison between lizard and mouse, despite their evolutionary divergence 320 million years ago. Through our analysis of the transcriptomes present in various neuron types, we have uncovered a core of conserved classes and discovered a fascinating dichotomy of new and conserved neuron types throughout the brain. This research challenges the traditional notion that certain brain regions are more conserved than others.
Our research also has uncovered the evolutionary history of the lizard thalamus and prethalamus by comparing them to homologous brain regions of the mouse. This pioneering research sheds new light on our understanding of the evolutionary history of the lizard brain. We propose a new classification of the lizard thalamic nuclei based on
transcriptomics. Our research revealed that the thalamic neuron types in lizards can be grouped into two large, conserved categories from the medial to lateral thalamus. These categories are encoded by a common set of effector genes, linking theories based on connectivity and molecular studies of these areas. In our data we have seen that there is a conservation of the medial-lateral transcriptomic axis in mouse and lizard, this conservation was most likely already present in the common ancestor. Although there is a shared medial-lateral axis, a deeper study of the thalamic cell types has allowed us to see the existence of a partial diversification of the thalamic population, specifically in the sensory-related lateral thalamus; in opposition, the medial thalamic nuclei neuron-types have been preserved.
On the other hand, the comparison with the mammalian prethalamus allowed us to confirm that the lizard ventromedial thalamic neuron types are homologous to mouse reticular thalamic neuron types (Díaz et al., 1994), even if they do not express the classical Reticular thalamic nucleus (RTn) marker PV/pvalb. We also discovered that there has been a simplification in the mammalian prethalamic neuron types in favor of an increase in the number of Interneurons (IN) types within their thalamus. We suggest that the loss of GABAergic neuronal types in the mammalian prethalamus is linked to the need for a more efficient control of the thalamo-pallial communication in mammals, while in lizards, where thalamo-pallial communication is probably simpler, the diversity prethalamus presents a higher diversity.
Biological membranes serve as physical barriers in cells and organelles, enabling the maintenance of chemical or ionic gradients that are essential for triggering various integral, peripheral, or lipid-anchored membrane proteins, necessary for their life-essential functions. The study of membrane proteins has unique challenges due to their hydrophobic nature, limited expression levels, and inherent flexibility. Single-particle analysis (SPA) enables the determination of high-resolution three-dimensional structures using minimal amounts of specimen without the need for crystallization. Additionally, cryogenic electron tomography (cryo-ET) and subtomogram averaging (StA) offer the ability to study membrane protein complexes, cellular architecture, and molecular interactions while preserving close-to-life conditions. With ongoing improvements in cryo-EM technologies, obtaining high-resolution structures of membrane proteins in vitro can allow people to understand their mechanisms and functions, and to facilitate the design and optimization of new therapeutic agents. Furthermore, there has been significant growth in the structural characterization of membrane proteins in situ, as studying biomolecules within their physiological context is an ultimate goal in structural biology for a comprehensive understanding of molecular networks in cells.
Due to the amphipathic nature of membrane proteins, their production, purification, and isolation pose significant challenges compared to soluble proteins. To maintain the membrane protein fold in an aqueous buffer after disrupting lipid membranes, the use of detergents, amphipols, lipid nanodiscs, saposin-lipoprotein (salipro), styrene-maleic acid co-polymer lipid particles (SMALPS) is common and often essential. A limitation of the membrane-mimetic systems is the absence of an actual lipid bilayer environment. To address this issue, membrane proteins can be reconstituted into liposomes, and this closed membrane environment closely mimics the physiological conditions of the proteins. The use of liposomes for structure determination is expected to significantly expand in the in vitro study of membrane proteins and membrane-associated proteins, particularly for capturing transient complexes in specific functional states.
Resolving the structures of membrane proteins in their native cellular context is considered the ideal approach for understanding their functions and associated molecular networks. While single-particle cryo-EM can achieve higher resolution than subtomogram averaging, it often requires at least partial purification of the target molecules from their native environment inside cells and tissues. By combining averaging tools on subvolumes obtained through cryo-ET, structures can currently be determined at resolutions of 10-30 Å. With ongoing advancements and refinements in cryo-ET methodologies, routine high-resolution structure determination in situ is poised to become a valuable tool for both structural and cell biologists in the long run, and the field holds great promise for further expanding our understanding of cellular structures and processes at the molecular level.
The main aim of this thesis is to further our knowledge of the structure and function of a small prokaryotic voltage-gated sodium ion channel, NaChBac in liposomes, and a large knob complex found on the surface of Plasmodium falciparum-infected human erythrocyte by cryo-ET and StA.
Chapter 2 presents the first StA map of the 120-kDa NaChBac embedded in liposomes under a resting membrane potential at a modest resolution of 16 Å. The approach presented in this study, which can be widely applied to cryo-EM analysis of membrane proteins, with a specific focus on membrane proteins with small soluble domains, lays the foundation for cryo-ET and StA of integral or peripheral membrane proteins whose functions are affected by transmembrane electrochemical gradients and/or membrane curvatures. Chapter 3 shows the first cryo-EM structure of the supramolecular knob complex in P. falciparum-infected human erythrocyte. While a previous study provided an overall architectural view of knobs using negative stain tomography, the in situ structure bridges this gap, guiding future investigations into the molecular composition and the role of these native knobs in Plasmodium infection and immunity.
This thesis opens up several promising lines for future studies of membrane proteins in vitro and in situ, where other membrane proteins can be studied in physiologically relevant environments. Already with the present generation of cryo-EM hardware and software, this thesis represents pioneering research in the field of membrane protein structural biology.
Impact of pectin dietary supplementation on experimental food allergy via gut microbiota modulation
(2023)
In recent years, dietary fibers gained focus in regard of their immune-modulatory effects and the potentially beneficial effect on allergies. The dietary fiber and prebiotic pectin is able to promote growth and activity of beneficial bacteria and thereby induce modulation of different immune responses. However, structurally different types of pectin might promote different immune-modulatory responses and to date the optimal pectin type for induction of beneficial health effects is not identified. Furthermore, it is still unclear, whether pectins provide a beneficial effect on certain allergies, such as food allergy.
Having this in consideration, this study examined the immune-modulatory effects of structurally different pectins on naive as well as peach allergic mice. Furhtermore, the impact of dietary pectin supplementation on composition and diversity of the murine gut microbiota was determined.
This study showed that dietary pectin intervention was able to suppress allergy-related Th2 responses considering humoral and cellular immune responses. Only apple-derived high-methoxyl pectin revealed an impact on total IgA levels and affected the microbial richness. Furthermore, it is not known whether the effects observed with the two pectins are caused by modulations of the bacterial composition or induced at least partly by direct interaction with the immune cells. Further studies are required to fully understand the mechanisms underlying the immune-modulatory capacities of different pectins.
Finally, the obtained results generated evidence that dietary pectin intervention can beneficially modulate the immune response in healthy mice and – at least partially – suppress allergy-related immune responses in a model of food allergy, depending on the structural characteristics of the used pectin.
Das Ziel in der vorliegenden systematischen Literaturrecherche ist es, den aktuellen Stand des Wissens über die Erfolgsfaktoren von Einzelzahnimplantaten, bei denen eine Sofortbelastung auf den provisorischen Implantatkronen zum Antagonisten erfolgt, wiederzugeben. In diesem Rahmen wurden Zusammenhänge zwischen der Implantatüberlebensrate, der Primärstabilität, der Implantatregion, des Implantatdesigns und des Implantationszeitpunktes getrennt nach okklusalem Belastungsprotokoll (mit versus ohne antagonistische Okklusionskontakte auf den provisorischen Implantatkronen) und der postoperativen Verhaltensweisen der Patienten analysiert. Der Prozess der systematischen Literaturrecherche wurde nach den PRISMA-Guidelines für den Suchzeitraum von 2012 bis 2022 durchgeführt.
Um die Forschungsfrage zu beantworten, wurde eine qualitative Analyse in deskriptiver Form durchgeführt.
In den analysierten Studien, wurde am häufigsten ein Eindrehmoment von ≥ 35 Ncm als Kriterium für eine Sofortbelastung gewählt. Die meisten Implantate wurden in der Oberkieferregion 15 bis 25 inseriert. Bei den Implantatkronen mit antagonistischen Okklusionskontakten fielen die Überlebensraten insgesamt niedriger aus als in den Studien, in denen die Implantatkronen ohne antagonistische Okklusionskontakte eingegliedert wurden. Die Überlebensraten waren weitestgehend vergleichbar mit den Ergebnissen konventioneller Belastungsprotokolle. Die Datenlage anhand dieser Recherche spricht zurzeit für die Realisierung der Sofortbelastung von provisorischen Implantatkronen ohne antagonistische Okklusionskontakte in Verbindung mit postoperativen Verhaltensmaßnahmen.
The prefrontal cortex (PFC) is considered the cognitive center of the mammalian brain. It is involved in a variety of cognitive functions such as decision making, working memory, goal-directed behavior, processing of emotions, flexible action selection, attention, and others (Fuster, 2015). In rodents, these functions are associated with the medial prefrontal cortex (mPFC). Experiments in mice and rats have shown that neurons in the mPFC are necessary for successful performance of many cognitive tasks. Moreover, measurements of neural activity in the mPFC show excitation or inhibition in different cells in relation to specific aspects of the tasks to be solved. To date, however, it is largely unknown whether prefrontal neurons are stably activated during the same behaviors within a task and whether similar aspects are represented by the same neurons in different tasks. In addition, it is unclear how specifically neurons are activated, for example, whether cells that are activated in response to reward are activated in a different task without reward in a different situation or remain inactive. To address these questions, we recorded the same neurons in the mPFC of mice over the course of several weeks while the animals performed various behaviors.
To do this, we expressed GCaMP6 in pyramidal neurons in the mPFC of mice. A small lens was implanted in the same location and a miniature microscope ("miniscope") was used to record neural activity. Later the extracted neurons got aligned based on their shape and position across multiple days and sessions. The mice performed five different behavioral tests while neural activity was measured: A spatial working memory test in a T-maze, exploration of the elevated plus maze (EPM), a novel object recognition (NO) test including free open field (OF) exploration, a social interaction (SI) test and discriminatory auditory fear conditioning (FC). Each task was repeated at least twice to check for stable task encoding across sessions. Behavioral performance and neural correlates to specific task events were similar to earlier studies across all tasks. We utilized generalized linear models (GLM) to determine which behavioral variables most strongly influence neural activity in the mPFC. The position of the mouse in the environment was found to explain most of the variance in neural activity, together with movement speed they were the strongest predictors of neural activity across all tasks. Reward time points in the working memory test, the conditioned stimulus after fear conditioning, or head direction in general were also strongly encoded in the mPFC.
Many of the recorded neurons showed a stable spatial activity profile across multiple sessions of the same task. Similarly, cells that coded for position in one task tended to code for position in other tasks. Not only did the same cells code for position across multiple tasks, but cells also coded for movement speed and head direction. This indicates that at least these general behavioral variables are each represented by the same neurons in the mPFC. Interestingly, the stability of position or speed coding did not depend on the time between two sessions, but only on whether it was within the same or across different tasks. Within the same task, stability was slightly higher than across different tasks.
To find out whether task-specific behavioral aspects were also stably encoded in the mPFC, difference scores as the difference in neural activity between two task aspects like left- and right-choice trials or exposed and enclosed locations were calculated. Many cells encoded these aspects stably across different sessions of each task. Both the left-right differences in the different phases of the working memory test, the open-closed-arm differences in the elevated plus maze, the different activity between center and corners in the open field, the social target-object differences in the social interaction test, and the differences between the two tones during fear conditioning were all stably encoded across the population of mPFC cells. Only the distinction between the novel and the familiar object during object recognition was not stably encoded, but also the preference for the novel object was not present in the second session of novel object exploration.
There was also an overlap in coding for different aspects within a task across multiple sessions. For example, cells stably encoded left-right differences in the T-maze between different sessions as a function of walking direction across different phases of working memory, an aspect that we could already show within one session (Vogel, Hahn et al., 2022). During fear conditioning, the same cells showed a discrimination between CS+ and CS- that also responded to the start of CS+.
Consistency in the neurons activity across different tasks was also found, but only between tasks with similar demands, the elevated plus-maze and free exploration of the open field. Cells that were more active in the open arms also showed more activity in the center of the open field and vice versa. This could be an indicator that the cells were coding for anxiety or exposure across those tasks, indicating that neurons in the mPFC also stably encode general task aspects independent of the specific environment. However, it remains unclear what exactly these neurons encode; in the case of a general fear signal, one would also expect activation during fear conditioning which could not be found.
Overall, we found that neurons in the mPFC of mice encoded multiple general behavioral variables across multiple tasks and task-specific variables were encoded stably within each of the tested tasks. However, we found little task-specific variables that were systematically encoded by the same neurons with the exception being the elevated plus-maze and open field exploration, two tasks with similar features.
Life and biological resilience rely on the execution of precise gene expression profiles. A key mechanism to ensure cellular homeostasis is the regulation of protein synthesis. Recent studies have unveiled an intrinsic regulatory capacity of ribosomes, previously considered mere executors of mRNA translation. Neurons in particular finely regulate protein synthesis, at both global and local levels. This sustains their complex morphology and allows them to rapidly transmit, integrate, and respond to external stimuli. In this thesis, I investigated the neuronal ribosome and how subcellular environments and physiological perturbations shape it, by profiling its molecular composition, functional interconnections, and cellular distribution.
First, I used genetic engineering, biochemical purification, and mass spectrometry, to characterize in an unbiased manner the translation machinery specifically from excitatory and inhibitory neurons of the mouse cortex. I found that neuronal ribosomes commonly interact with RNA-binding proteins, components of the cytoskeleton, and proteins associated with the endoplasmic reticulum and vesicles. In line with the requirement for local protein synthesis in the distal parts of neurons, we observed that neuronal ribosomes preferentially interact with proteins involved in cellular transport. Remarkably, I observed a strong association between ribosomes and pre-synaptic vesicles, which suggests a potential regulatory interaction between local translation and neuronal activity.
Intriguingly, I and others have observed mRNAs encoding for core ribosomal proteins (RPs) among the genes most enriched in neuronal processes. This observation challenges two historical assumptions of ribosome biology: (1) new RPs are incorporated only into newly forming ribosomes, and (2) this incorporation occurs only in the nucleus and perinuclear region. In my PhD, I aimed to directly test these two assumptions and if proven wrong ask whether and why neurons would localize RP mRNAs far from their known assembly site.
Employing a combination of metabolic labeling and highly sensitive mass spectrometry techniques, I discovered that a subset of RPs rapidly and dynamically binds on and off mature ribosomes. Strikingly, this incorporation does not depend on the supply of new ribosomes from the nucleus. Therefore, my data refuted the assumption that ribosomes are built and degraded as a unit and revealed a more dynamic view of these machines, which can actively exchange core components. In particular, I found that the association of certain exchanging RPs is influenced by location (e.g., cell body versus neurites) and cellular state (e.g., post-oxidative stress). Neurons may use this mechanism to repair and/or specialize their protein synthesis machinery in a rapid and context-dependent manner.
Finally, I asked whether some steps of ribosome biogenesis could also take place in distal processes. Although most steps of ribosome assembly occur within the nucleus, the final stages of maturation are known to occur in the cytosol. By combining several imaging and biochemical approaches, I found that cytosolic (but not nuclear) pre-ribosomal particles are present in neuronal processes. Through the incorporation of new RPs into these immature particles, neurons may be able to locally “turn on” previously incompetent ribosomes. This may enable regions near synapses to enhance and customize their translational capacity, independently of the central pool of ribosomes from the cell body. Indeed, I observed that synaptic plasticity induces a maturation of cytosolic pre-ribosomes.
In summary, this thesis shows how neuronal ribosomes can sense cellular states, respond by adjusting their core composition, and in doing so influence the local capacity for protein synthesis. By overturning long-held assumptions in ribosome biology, this work highlights new molecular mechanisms of gene expression and enriches our understanding of the rapid and dynamic strategies cells employ to operate, thrive, and adaptively respond to environmental changes.
Precise regulation of gene expression networks is required to develop and maintain a healthy organism before and after birth and throughout adulthood. Such networks are mostly comprised of regulatory proteins, but meanwhile many long non-coding transcripts (lncRNAs) are shown to participate in these regulatory processes. The functions and mechanisms of these lncRNAs vary greatly, however they are often associated with transcriptional regulation. Three lncRNAs, namely Sweetheart RNA (Swhtr), Fetal-lethal noncoding developmental regulatory RNA / Foxf1 adjacent non-Coding developmental regulatory RNA (Fendrr) and lncFsd2, were studied in this work to demonstrate the variety of cellular and biological processes that require lncRNA-mediated fine-tuning, in regard to the cardiopulmonary system.
Swhtr was found to be expressed exclusively in cardiomyocytes and became critical for regeneration after myocardial injury. Mice lacking Swhtr did not show issues under normal conditions, but failed to undergo compensatory hypertrophic remodeling after injury, leading to increased mortality. This effect was rescued by re-expressing Swhtr, demonstrating importance of the RNA. Genes dependent on Swhtr during cardiac stress were found to likely be regulated by NKX2-5 through physical interaction with Swhtr. Fendrr was found to be expressed in lung and interacted with target promoters through its RNA:dsDNA binding domain, the FendrrBox, which was partially required for Fendrr function. Fendrr, together with activated WNT signaling, regulated fibrosis related target genes via the FendrrBox in fibroblasts. LncFsd2, an ubiquitously expressed lncRNA, showed possible interaction with the striated muscle specific Fsd2, but its exact function and regulatory role remain unclear in muscle physiology. Immunoprecipitation and subcellular fractionation experiments suggest that lncFsd2 might be involved in nuclear retention of Fsd2 mRNA, thus fine-tuning FSD2 protein expression. These investigations have shed light on the roles of these lncRNAs in stress responses, fibrosis-related gene regulation, and localization processes, advancing our understanding of cardiovascular and pulmonary maintenance, reaction to injury, and diseases. The diverse and intricate roles of these three lncRNAs highlight how they influence various cellular processes and disease states, offering avenues for exploring lncRNA functions in different biological contexts.
Mitochondria perform essential energetic, metabolic and signalling functions within the cell. To fulfil these, the integrity of the mitochondrial proteome has to be preserved. Therefore, each mitochondrial subcompartment harbours its own system for protein quality control. However, if the capacity of mitochondrial chaperones and proteases is overloaded, mitochondrial misfolding stress (MMS) occurs. Upon this stress condition, mitochondria communicate with the nucleus to increase the transcription of nuclear encoded mitochondrial chaperones and proteases. This proteotoxic stress pathway was termed the mitochondrial unfolded protein response (UPRmt) aiming at restoring protein homeostasis. Despite being discovered over 25 years ago, the signalling molecules released by stressed mitochondria as well as the corresponding receptor and transcription factor remain poorly understood. With this study, we aimed at characterising the underlying signalling events and mechanisms of how mitochondria react to misfolded proteins. First, we aimed to establish different methods to induce MMS that triggers the transcriptional induction of mitochondrial chaperones and proteases detected by quantitative polymerase chain reaction. We were able to induce UPRmt signalling by overexpression of an aggregation-prone protein and by knock-down or inhibition of mitochondrial protein quality control components. To study the signalling in a time-resolved manner, we focused on the usage of the mitochondrial HSP90 inhibitor GTPP and the mitochondrial LONP1 protease inhibitor CDDO.
Early time point RNA sequencing analysis of cells stressed with GTPP or CDDO revealed upregulated genes in response to oxidative stress. Indeed, measurements of mitochondrial superoxide with the fluorescent dye MitoSOX showed increased levels of reactive oxygen species (ROS) upon MMS induction. In contrast, there was no induction of mitochondrial chaperones and proteases when combining MMS with antioxidants. Compartment-specific targeting of the hydrogen peroxide sensor HyPer7 revealed increased ROS levels in the intermembrane space and matrix of mitochondria, followed by elevated ROS levels in the cytosol at later time points. The importance of cytosolic ROS for the signalling was supported by preventing UPRmt induction with an inhibitor blocking the outer mitochondrial membrane pore. Thus, ROS were identified as an essential UPRmt signal.
To understand which cytosolic factor is modified by ROS, redox proteomics was performed. Here, reversible changes on cysteine residues of the HSP40 co-chaperone DNAJA1 were observed upon MMS. Consequently, transcriptional induction of UPRmt genes was abolished by DNAJA1 knock-down. To understand the function of DNAJA1 during UPRmt signalling, quantitative interaction proteomics upon MMS revealed an increased binding to mitochondrial proteins and its interaction partner HSP70. Immunoprecipitation confirmed a ROS-dependent interaction between HSP40 and HSP70. Increased binding to mitochondrial proteins represented a cytosolic interaction of DNAJA1 with mitochondrial precursor proteins, whose accumulation was confirmed by western blot. Moreover, a fluorescent protein targeted to mitochondria accumulated in the cytosol during GTPP treatment, confirming a reduced import efficiency upon MMS. Preventing the accumulation of precursors by a translation inhibitor or depletion of a general mitochondrial transcription factor resulted in reduced UPRmt activation. Thus, DNAJA1 is essential for UPRmt signalling, since its oxidation by mitochondrial ROS and its enhanced recruitment to mitochondrial precursors allows the integration of both MMS-induced signals.
To link these findings to an increased transcription of mitochondrial chaperones and proteases, we screened for transcription factors accumulating in the nucleus upon MMS by cellular fractionation mass spectrometry. We demonstrated that specifically HSF1 accumulates in nuclei of cells stressed with GTPP or CDDO. Depletion of HSF1 by knock-down or knock-out resulted in the abrogation of the UPRmt-specific transcriptional response. HSF1 activation was visualised by nuclear accumulation on western blot, a process inhibited by ROS and precursor suppression. Moreover, DNAJA1 depletion prevented HSF1 activation. Ultimately, we proved by immunoprecipitation that the inhibitory interaction between HSF1 and HSP70 is reduced upon MMS.
Thus, we conclude that MMS increases mitochondrial ROS that are released into the cytosol. In addition, the import efficiency is reduced upon MMS, resulting in the accumulation of non-imported mitochondrial precursor proteins in the cytosol. Both signals are recognised via DNAJA1 oxidation and substrate binding. The concurrent recruitment of HSP70 to DNAJA1 results in the loss of the inhibitory HSP70-HSF1 interaction. Thus, active HSF1 can migrate to the nucleus to initiate transcription of mitochondrial chaperones and proteases. These findings are in accordance with observations in yeast, where mistargeted mitochondrial proteins activate cellular stress responses. Our results highlight a surprising interconnection and dependence of the mitochondrial and the cytosolic proteostasis network, in which the UPRmt is activated by a combination of two mitochondria-specific proteotoxic stress signals.
Das Ziel der vorliegenden Studie war die vergleichende morphometrische Untersuchung der Molarenmorphologie rezenter Hominoidea. Im Mittelpunkt der Fragestellung stand die dreidimensionale Analyse des hominoiden Facettenmusters, neben dem quantitativen Vergleich der Relieftopographie und der konstruktiven Veränderung der Kauflächen mit zunehmender Abnutzung, im Hinblick auf die funktionellen Möglichkeiten zur effektiven Nahrungsaufschließung.
Die qualitative Analyse umfasst, neben der dentalmorphologischen Beschreibung, die digitale Fotodokumentation und die Klassifizierung der verschieden weit abgenutzten Molaren in vergleichende Abkauungsgrade.
Die quantitative Auswertung der virtuellen Zahnmodelle schließt die Vermessung der größten Länge, Breite und Höhe, die Berechnung des prozentualen Dentin- und Facettenflächenanteils, des Relief-Index sowie die Neigung und Orientierung der antagonistischen Facetten des Oberund Unterkiefers mit ein. Die Berechnung der korrespondierenden Facettenwinkel in einem einheitlichen Koordinatensystem erlaubt die Kalibrierung der okkludierenden Flächenareale und die Berechnung dreidimensionaler Richtungsvektoren, die die buccale und linguale Mandibelbewegung widerspiegeln. Je nach der Art der Verzahnung der in Okklusion tretenden Höckerflanken lassen sich aus dem räumlichen Zusammenspiel der Funktionselemente quetschende und scherende Komponenten differenzieren.
Die Ergebnisse, die am Rezentmaterial (244 Einzelzähne) gewonnen wurden, sind auf 16 ausgewählte Einzelzähne aus Sangiran und Punung (Java, Indonesien) der Sammlung VON KOENIGSWALD der Abteilung Paläoanthropologie und Quartärpaläontologie des Forschungsinstituts Senckenberg, übertragen worden.
Entsprechend der zu Anfang aufgeworfenen Fragestellung konnte ein für jede Gattung charakteristisches Reliefmuster der Okklusalfläche und dessen Veränderung im Laufe der Abkauung etabliert werden. Infolge des Abschleifens der konvexen Höckerspitzen kommt es zu einer unterschiedlich schnellen und intensiven Reliefverflachung. Die Reliefunterschiede zwischen den Gattungen bleiben im Laufe der Abnutzung erhalten. Gorilla besitzt das am stärksten ausgeprägte okklusale Relief und zeigt die intensivste Abnutzung der Kauflächen und grenzt sich von Pan und Hylobates und insbesondere von Pongo deutlich ab. Pongo besitzt das flachste okklusale Relief und zeigt eine geringere Abnutzung der Kauflächen.
Auf der Grundlage der rekonstruierten Facettenwinkel lässt sich das homologe Facettengrundmuster der Hominoidea weiter differenzieren. Alle Gattungen stimmen in der Position der Facettenareale weitgehend überein. Dieses homologe Facettenmuster resultiert aus der relativ zyklischen Kaubewegung. Die Relieftopographie und Profilierung der Kaufläche sind für die individuelle Bewegungsführung entscheident. Es konnte gezeigt werden, dass aus der unterschiedlichen Steilheit der Zahn-zu-Zahn-Kontakte, unter Berücksichtigung der auf der dreidimensionalen Orientierung der Facetten basierenden Bewegungsbahnen, verschiedene Funktionalitäten resultieren. Durch die Unterschiede in der räumlichen Facettenausdehnung prägt sich ein gattungsspezifisches Grundmusters aus, welches direkt mit der Funktion korreliert und die hohe Effizienz bei der unterschiedlichen Nahrungsaufbereitung bewirkt. Jene quantitativ erfassten Flächen und Bewegungen können funktionell interpretiert werden und stellen eine eindeutige Verbindung zu den in der Literatur aufgeführten Ernährungsweisen der Hominoidea her. Die Kauflächen der vier rezenten Gattungen können unter unterschiedlichen Nutzungsbedingungen im Hinblick auf eine spezifische Ernährungsweise verstanden werden.
Es wurde gezeigt, dass die dreidimensionale Ausrichtung homologer Facetten zu unterschiedlicher Funktionalität führen kann und demzufolge über die zweidimensionale Analyse hinausgeht.
Gorilla nutzt die Vielzahl steiler und kleiner Kontaktflächen zum Zerschneiden der überwiegenden faserigen Nahrungsbestandteile durch hohe Scherkräfte. Aufgrund der stark profilierten Kaufläche folgt die Bewegungsführung restriktiv dem Furchungsverlauf.
Pongo besitzt infolge der Konstruktion der Kaufläche große Kontaktareale, die in flachem Winkel aufeinandertreffen und so ein effizientes Quetschen oder Zermahlen der überwiegenden Früchtenahrung erlauben. Das flache Kauflächenprofil ermöglicht einen größeren Spielraum in der Bewegungsführung.
Pan und Hylobates besitzen ein Repertoire aus schneidenden und quetschenden Funktionselementen und somit einen geringeren Spezialisierungsgrad.
Die Beurteilung der Konstruktion und Funktion der pleistozänen Einzelmolaren im Vergleich mit den erarbeiteten Rezentmodellen ergibt eine Ähnlichkeit mit dem modernen Pongo. Die flache Relieftopographie, die geringe Steilheit der Winkel und die zusätzlichen Schmelzrunzelungen lassen auf ein Quetschen der Nahrung schließen. Eine phylogenetische Aussage zur Differenzierung zwischen Homo oder Pongo konnte aufgrund der kleinen und als exemplarisch anzusehenden Zahl fossilen Materials nicht eindeutig erfolgen.
Diese Versuchsreihe beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob günstige Handelsmarken- Zigaretten mehr Feinstaub als teure Markenzigaretten emittieren. Dabei wurde der Passivrauch untersucht, welcher durch das Verrauchen verschiedener Zigarettenmarken entstand. Feinstaub stellt heutzutage den wichtigsten einzelnen gesundheitsschädlichen Faktor in Innenräumen dar. Das Augenmerk liegt dabei hauptsächlich auf den feinen Partikeln (PM2,5, PM1). Tumore, chronische Atemwegserkrankungen und eine erhöhte Mortalität stellen nur einen Teil der massiven gesundheitlichen Folgen durch Feinstaub dar. Vulnerable Bevölkerungsgruppen wie Kinder und alte Personen sind besonders durch Passivrauch gefährdet. Die Ergebnisse der Versuchsreihe dienen als Grundlage, um den gesundheitsschädlichen Einfluss des Passivrauchs zu interpretieren. Günstige Handelsmarken-Zigaretten weisen, unter anderem wegen des beständig ansteigenden Zigarettenpreises als auch der anhaltenden Inflation in Deutschland, einen wachsenden Marktanteil auf. Daher müssen sie auch weiterhin in wissenschaftlichen Untersuchungen mit einbezogen werden.
Drei teure sowie drei günstige Zigarettenmarken wurden miteinander und mit der Referenzzigarette 3R4F der Universität Kentucky verglichen. Zu den teuren Marken zählten Marlboro, Camel und Nil. Die günstigeren Handelsmarken-Zigaretten waren Giants, Goldfield und Jakordia. Die Rauchpumpe „Automatic environmental tobacco smoke emitter“ (AETSE) ermöglichte in einem definierten Raum der abgeschlossenen Rauchkammer, Passivrauch zu erzeugen, ohne die menschliche Gesundheit zu gefährden. Ein standardisiertes Rauchprotokoll garantierte dabei reproduzierbare und vergleichbare Ergebnisse. Das Laser Aerosolspektrometer (LAS) Modell 1.109 der Firma Grimm wies eine Messspanne von 0,25 μm bis 32 μm auf. So konnte der Feinstaub gemessen und gruppiert werden. Obwohl der Versuchsaufbau nicht vollkommen realitätsgetreu war, entstand ein adäquater Vergleich der Feinstaubemissionen von (Handels-)Markenzigaretten.
PM10 und PM2,5 wurden erhoben, weil sie die von der EU und WHO standardisierten Messwerte für die Luftverschmutzung durch Feinstaub sind. Die Messung von PM1 rechtfertigt sich durch die stärker gesundheitsschädigende Komponente von Partikeln dieser Größenordnung. Für diese drei Größenfraktionen wurden die mittlere Konzentration Cmean sowie die Area Under The Curve (AUC) ermittelt. Die AUC stellt dabei die Höhe der Gesamtexposition durch Feinstaub dar.
Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe zeigen, dass PM1 den größten Anteil der Feinstaubemission der getesteten Zigaretten ausmachte. Alle Zigarettenmarken haben in einem abgeschlossenen Raum Feinstaubmengen in gesundheitsgefährdender Menge produziert. Die Handelsmarke Jakordia emittierte beim Verrauchen generell weniger Feinstaub als alle anderen Zigarettenmarken. Im Allgemeinen konnte kein Unterschied zwischen den günstigen Handels- und den teuren Markenzigaretten festgestellt werden. Es ist wissenschaftlich belegt, dass sich jede Feinstaubkonzentration negativ auf die Gesundheit auswirkt. Die Ergebnisse können dementsprechend in Gänze unter dem Gesichtspunkt der Gesundheitsschädlichkeit eingestuft werden.
Aufgrund veralteter und unspezifischer, beziehungsweise fehlender Angaben zu den Inhaltsstoffen der einzelnen Zigarettensorten, konnte die Ursache der Unterschiede zwischen Jakordia und den anderen Marken nicht geklärt werden. Die Zigarettenhersteller müssen verpflichtet werden, die detaillierten Zusammensetzungen der Tabakprodukte den Behörden wie dem BMEL oder dem Bundesgesundheitsministerium zugänglich zu machen. Dies wäre ein wichtiger Bestandteil für die zukünftige Forschung und Risikobewertung der verschiedenen Inhalts- und Zusatzstoffe.
This dissertation constitutes a series of successive research papers, starting with the characterization of various optogenetic tools up to the establishment of purely optical electrophysiology in living animals.
Optogenetics has revolutionized neurobiology as it allows stimulation of excitable cells with exceptionally high spatiotemporal resolution. To cope with the increasing complexity of research issues and accompanying demands on experimental design, the broadening of the optogenetic toolbox is indispensable. Therefore, one goal was to establish a wide variety of novel rhodopsin-based actuators and characterize them, among others, with respect to their spectral properties, kinetics, and efficacy using behavioral experiments in Caenorhabditis elegans. During these studies, the applicability of highly potent de- and hyperpolarizers with adapted spectral properties, altered ion specificity, strongly slowed off-kinetics, and inverted functionality was successfully demonstrated. Inhibitory anion channelrhodopsins (ACRs) stood out, filling the gap of long-sought equivalent hyperpolarizing tools, and could be convincingly applied in a tandem configuration combined with the red-shifted depolarizer Chrimson for bidirectional stimulation (Bidirectional Pair of Opsins for Light-induced Excitation and Silencing, BiPOLES). A parallel study aimed to compare various rhodopsin-based genetically encoded voltage indicators (GEVIs) in the worm: In addition to electrochromic FRET-based GEVIs that use lower excitation intensity, QuasAr2 was particularly convincing in terms of voltage sensitivity and photostability in C. elegans. However, classical optogenetic approaches are quite static and only allow perturbation of neural activity. Therefore, QuasAr2 and BiPOLES were combined in a closed-loop feedback control system to implement the first proof-of-concept all-optical voltage clamp to date, termed the optogenetic voltage clamp (OVC). Here, an I-controller generates feedback of light wavelengths to bidirectionally stimulate BiPOLES and keep QuasAr’s fluorescence at a desired level. The OVC was established in body wall muscles and various types of neurons in C. elegans and transferred to rat hippocampal slice culture. In the worm, it allowed to assess altered cellular physiology of mutants and Ca2+-channel characteristics as well as dynamical clamping of distinct action potentials and associated behavior.
Ultimately, the optogenetic actuators and sensors implemented in the course of this cumulative work enabled to synergistically combine the advantages of imaging- and electrode-based techniques, thus providing the basis for noninvasive, optical electrophysiology in behaving animals.
Die Bande q23 auf Chromosom 11 ist in zahlreiche reziproke chromosomale Translokationen verwickelt. Diese sind dominant mit dem Krankheitsphänotyp einer AML, ALL und seltener mit malignen Lymphomen und myelodysplastischen Syndromen assoziiert. Mittlerweile sind fünfundachtzig cytogenetische Aberrationen der Bande 11q23 bekannt. Das auf 11q23 betroffene Gen wird als das Mixed Lineage Leukemia (MLL), Acute Lymphoblastic Leukemia (ALL-1), Human Homolog of trithorax (HRX) oder als Human Trithorax 1 (Htrx1) bezeichnet. Die häufigsten Partnergene des MLL sind AF4 (40 %), AF9 (27 %), sowie ENL, AF6, ELL und AF10 (4-7 %).
Die Bruchpunkte von t(11;V) Translokationen sind nicht gleichmäßig über das gesamte, 92 kb große humane MLL-Gen verteilt, sondern liegen alle in der 8,3 kb großen Bruchpunktsregion Bpr. Auch innerhalb der Bpr ist die Verteilung der Translokationsbruchpunkte nicht homogen. Die Bruchpunkte von Patienten mit de novo Leukämien und einem Alter über einem Jahr liegen mehrheitlich in der 5’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster I. Dagegen liegen die Bruchpunkte von Patienten mit therapiebedingten Leukämien und einem Alter unter einem Jahr überwiegend in der 3’-Hälfte der Bpr, dem Subcluster II.
Neuere Forschungsergebnisse zeigten, daß DNA-Doppelstrangbrüche auf zwei verschiedenen Chromosomen eine hinreichende Voraussetzung für das Entstehen chromosomaler Translokationen sind. Aufgrund der inhomogenen Verteilung der Translokationsbruchpunkte im MLL-Gen stellte sich die Frage, ob bestimmte Regionen dieses Gens für DNA-Doppelstrangbrüche prädisponiert sind. Interessanterweise ist Subcluster II extrem sensitiv gegenüber DNA-Doppelstrangbrüchen, die durch cytotoxische Agenzien oder Apoptose-auslösende Ereignisse induziert werden können. In unserer Arbeitsgruppe konnte eine etwa 200 bp große Region lokalisiert werden, über die sich nahezu alle Etoposid-induzierten DNA-Doppelstrangbrüche verteilten.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen in dieser Region durch die Gabe eines Caspase-Inhibitors gehemmt werden kann. Eine Etoposid-induzierte Protein-DNA-Wechselwirkung konnte allerdings nicht nachgewiesen werden. In der Literatur fanden sich Hinweise darauf, daß Subcluster II im Gegensatz zu Subcluster I eine verstärkte Histonacetylierung aufweist. Basierend auf diesen Hinweisen sollte die Arbeitshypothese untersucht werden, ob Subcluster II einen geninternen Promotor des MLL-Gens darstellt.
Die potentielle Promotorregion wurde zunächst durch Computeranalysen eingegrenzt. Mit RT-PCR Experimenten wurde anschließend der potentielle geninterne Promotor des murinen Mll-Gens in einer murinen Fibroblastenzellinie lokalisiert, die einen Transkriptionsstop und eine Polyadenylierungssequenz in Exon 4 des Mll-Gens trug. Um die am Mausmodell gewonnenen Erkenntnisse auch im humanen System zu überprüfen, wurde die geninterne Promotorregion des humanen MLL Gens vor ein Luciferasereportergen kloniert. Durch RTPCR konnte der geninterne Transkriptionsstart im Subcluster II des humanen MLL-Gens lokalisiert werden. Damit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, daß Transkriptionsinitiation und genetische Instabilität im Subcluster II des humanen MLL-Gens kolokalisieren.
Durch Deletionsmutanten wurde die Bedeutung der einzelnen Module dieser Promotorregion ermittelt. Dabei zeigte sich, daß die Anwesenheit von zwei retromobilen Elementen eine Enhancer-Funktion haben. Demgegenüber zeigte die homologe murine Sequenz, die in unserer Arbeitsgruppe gleichzeitig von S. Scharf untersucht wurde und für die keine erhöhte Anfälligkeit für DNA-Doppelstrangbrüche bekannt ist, nur eine schwache Promotoraktivität. Dies weist auf einen Zusammenhang zwischen der genetischen Instabilität von Subcluster II und der Rate geninterner Transkriptionsinitiationsprozesse hin.
Das Protein, für das das Transkript des geninternen murinen Promotors kodiert, wurde mittels immunhistologischer und Western Blot Experimente nachgewiesen. Dabei konnte gezeigt werden, daß dieses Protein, wie auch das MLL-Protein, proteolytisch durch Taspase1 und daß sich ein Mini-MLL-Komplex bildet.
Ziel der vorliegenden In-vitro-Untersuchung war der Vergleich drei unterschiedlicher maschineller Nickel-Titan-Wurzelkanalinstrumente bezüglich ihres Vermögens, künstliche Wurzelkanäle mit einem standardisierten Krümmungsradius von 36° nach der Crown-downMethode aufzubereiten. Die verwendeten Systeme waren Profile .04- und Profile .06-Feilen, sowie Mity -Roto-Feilen; angetrieben wurden die Instrumente mit dem ATR Tecnika Motor, einem drehmomentbegrenztem, computergesteuerten Endodontiemotor. Insgesamt wurden vom selben Behandler 60 Kanäle aufbereitet, nachdem diese zuvor in drei Gruppen aufgeteilt wurden: Gruppe 1 wurde ausschließlich mit Profile .04-Instrumenten aufbereitet, Gruppe 2 mit Mity-Roto-Feilen und Gruppe 3 in der Kombination Profile .04-, sowie Profile .06-Feilen. Die einzelnen Kanäle wurden in Hinsicht der Parameter Aufbereitungszeit, Arbeitslängenverlust, Gewichtsverlust, Instrumentenfraktur, sowie Veränderungen der Kanalanatomie miteinander verglichen. Durch Übereinanderprojektion von DiapositivAufnahmen vor und nach Aufbereitung erfolgte die Auswertung der Veränderung der Kanalanatomie.
Hinsichtlich der Aufbereitungszeit gab es zwischen den Systemen Mity-Roto und Profile .04/06 keine statistisch signifikanten Unterschiede.
Die besten Ergebnisse bezüglich Verlust von Arbeitslänge wurden mit den Mity-Roto-Feilen erzielt. Bei allen 20 Kanälen wurde nach der Aufbereitung die volle Arbeitslänge wieder erreicht. Im Gegensatz dazu ergaben sich bei der Aufbereitung mit Profile .04-Instrumenten in allen 20 Kanälen Arbeitslängenverluste, diese betrugen im Mittel 2,8 mm. Mit nur 0,3 mm mittleren Verlusts an Arbeitslänge unterscheidet sich die Profile .04/06-Gruppen nicht statistisch signifikant von der Mity-Roto-Gruppe, es gilt aber hierbei zu berücksichtigen, dass die von einer Fraktur betroffenen Kanäle nicht in die statistischen Auswertungen einbezogen wurden. Insgesamt wurde bei der Kombination der Instrumente Profile .04 und .06, d.h. in Gruppe 3, bei ca. der Hälfte der Kanäle die ursprüngliche Arbeitslänge nicht erreicht.
Die Auswertung dieses Parameters weist darauf hin, dass eine Kombination der Profile .04-Instrumente mit den stärker konischen .06-Instrumenten für die oberen Kanalanteile zu einer Verbesserung der Ergebnisse führt. Demgegenüber sind die Mity-Roto-Instrumente mit ihrem 2-prozentigem Konus in der Lage, auch ohne den zusätzlichen Einsatz eines stärker konischen Instruments für den Kanaleingang bei allen Kanälen die Ursprungsarbeitslänge zu erreichen. Bei den Werten für den Gewichtsverlust nach Aufbereitung unterschieden sich die drei Aufbereitungsmethoden statistisch nicht voneinander.
Bei sechs von 60 aufbereiteten Kanälen ergaben sich Frakturen, dies entspricht einer Frakturrate von 10 %. Absolut gesehen traten nur bei den Profile 04-Instrumenten Frakturen auf, jeweils drei bei der Profile .04- Gruppe und ebenfalls drei bei der Profile .04/06-Gruppe. Häufigste Frakturstelle war das apikale Drittel des 16 mm langen Arbeitsteils der Feile. Betroffen waren vor allem die Feilen stärkeren Durchmessers, insbesondere kam es bei der Feile # 30 in vier Fällen zu einer Fraktur. Die Mity-Roto-Feilen verfügen über eine hohe Arbeitssicherheit, in keinem der 20 Wurzelkanäle kam es zum Auftreten einer Fraktur.
Bezüglich der Veränderung der Kanalanatomie lässt sich für die Mity-Roto-Feilen ein weitgehend zentriertes Aufbereitungsverhalten feststellen. Hingegen weisen die Profile .04-Gruppe, sowie die Profile .04/06-Gruppe lediglich im apikalen Kanalanteil ein zentriertes Aufbereitungsmuster auf, im mittleren Teil kommt es zu einem stärkeren Abtrag an der Außenkurvatur und koronal ist eine Verlagerung des stärksten Abtrags nach mesial festzustellen.
Bei der Bewertung der Veränderung der Kanalanatomie muss berücksichtigt werden, dass durch die Diapositivtechnik nur eine Betrachtung in zwei-dimensionaler Weise möglich war, die dritte Ebene ist ausgespart und entzieht sich somit der Möglichkeit der Bewertung. Der Großteil von Studien, der sich mit der Aufbereitung von Wurzelkanälen beschäftigt, bereitet diese häufig nicht in dem starken Maße auf, wie in der vorliegenden Untersuchung geschehen. Statt einer Masterfeile von # 40, wie in der vorliegenden Untersuchung, wird häufig lediglich bis # 30, beziehungsweise # 35 aufbereitet.
Unter den Bedingungen der vorliegenden Studie führte die maschinelle
Wurzelkanalpräparation mit Profile .04-Instrumenten zu unbefriedigenden Ergebnissen, die sich jedoch durch den zusätzlichen Einsatz der stärker konisch geformten .06-Instrumente deutlich verbessern lassen. Aufgrund der relativ hohen Frakturhäufigkeit kann der kombinierte Einsatz von Profile .04- und Profile .06-Instrumenten für die Aufbereitung von gekrümmten Kanälen eingeschränkt empfohlen werden.
In Bezug auf alle erhobenen Parameter erzielte die Aufbereitung mit den Mity-Roto-Feilen die besten Ergebnisse und kann für die maschinelle Aufbereitung gekrümmter Wurzelkanäle empfohlen werden.
Ziel dieser Arbeit war es, eine Methode zur akustischen Konditionierung speziell für cochleaimplantierte Katzen zu entwickeln. Die Methode sollte bei den Katzen Interesse an akustischen Reizen induzieren und mit einem geringen Aufwand Hör- und Unterschiedsschwellen bestimmbar machen.
Dabei konnte auf den Erfahrungen aus der Arbeit von Manos Pramateftakis aufgebaut werden.
Bei der Katze handelt es sich um ein gutgeeignetes Tiermodell, wodurch sich die gewonnenen Ergebnisse in gewissem Maße auf den Menschen übertragen lassen. Zusammen mit den Resultaten aus den neurophysiologischen und histologischen Untersuchungen sollen sie helfen, die Implantate und deren Codierungsstrategien zu verbessern.
Es wurden insgesamt sieben Katzen für die Konditionierungsexperimente verwendet, davon vier Tiere, zwei taub geborene und zwei künstlich vertäubte, mit einem Cochleaimplantat ausgestattet. Es wurde sichergestellt, daß die Tiere vor der Implantation taub waren und keinerlei Hörerfahrung hatten. Die Tiere wurden im Alter von 2,5 bis 6,5 Monaten implantiert. Drei weitere Katzen dienten als hörende Kontrollen. Die sieben Katzen wurden zwischen 12 und 102 Tage konditioniert.
Die verwendeten Cochleaimplantate wurden in unserem Institut speziell für den Einsatz bei Katzen entwickelt. Es handelt sich dabei um fünf kugelförmige Reizelektroden, die in die Scala tympani eines Ohres inseriert wurden, und eine indifferente Elektrode. Es wurde ein rein monopolares Reizmuster verwendet. Bei der entwickelten Methode handelte es sich um eine operante Konditionierung mit positiver Verstärkung und einem konstanten Verstärkungsmuster. Die Konditionierungssitzungen fanden einmal täglich, an sieben Tagen der Woche in einer schalldichten Kammer statt, mit 15 – 20 Trials (Tests) pro Sitzung. Die Tiere wurden nicht futterdepriviert, erhielten aber für mindestens sechs Stunden vor der Konditionierung keine Nahrung.
Ziel war es, daß die Katzen ein Verhalten zur Frequenzdiskrimination erlernten. Dazu mußten die Tiere bei zwei verschiedenen Reizfrequenzen unterschiedliche Futternäpfe aufsuchen, um eine Belohnung zu erhalten. Das Hinlaufen zu dem richtigen Futternapf wurde als Treffer (Hit) gewertet und in jedem Fall verstärkt. Bei den Versuchen wurde bewußt auf eine Automatisierung verzichtet. Damit es möglich war auf das individuelle Verhalten der Katzen zu reagieren, wurde einem Versuchsleiter der Vorzug gegeben. Es waren mit dieser Methode nur durchschnittlich sieben Sitzungen oder 122,2 Trials nötig, damit die Tiere zuverlässig den Zusammenhang zwischen Reiz und Verstärker erkannten. Die Methode kann aufgrund dieser Daten als sehr effektiv bezeichnet werden, die mit wenig Zeitaufwand durchzuführen ist. Es konnte kein Unterschied zwischen normal hörenden und implantierten Tieren bezüglich des Lernerfolges festgestellt werden. Einzig die Katze, die erst im Alter von über sechs Monaten implantiert wurde, zeigte einen deutlich schlechteren Lernfortschritt als alle anderen Tiere. Möglicherweise ein Zeichen, daß bei dem Tier zum Zeitpunkt der Implantation die kritische Periode der Gehirnentwicklung bereits abgeschlossen war.
Mit dieser Methode konnte allerdings keine der Katzen ein Verhalten zur Frequenzdiskrimination erlernen. Die Tiere vermochten nicht die unterschiedlichen Reize den verschiedenen Futterstellen zuzuordnen. Das Fehlen eines Manipulandums und damit einer eindeutigen, zu verstärkenden Verhaltensweise könnten hierfür der Grund sein. Es ist zu vermuten, daß die Anforderungen an die Tiere in letzter Konsequenz zu schwierig waren. Weiterführende Untersuchungen werden nötig sein, um die Methode zu optimieren.
Rafts: Rafts sind spezialisierte Domänen biologischer Membranen, die sich durch ihre spezifische Lipid- und Proteinzusammensetzung auszeichnen (zur Übersicht siehe Simons und Toomre, 2000). Die am besten beschriebenen Rafts sind die Caveolae, doch es gibt noch weitere weniger gut charakterisierte Rafttypen. Rafts werden verschiedene zelluläre Funktionen zugeschrieben wie z.B. gerichteter Transport von Membranproteinen, Endozytose und Signaltransduktion. Diese Funktionen erfüllen sie vornehmlich, indem sie verschiedene Proteine und Lipide bedingt durch ihre biophysikalischen Eigenschaften selektiv aufnehmen oder ausschließen. Viele Raftproteine sind über gesättigte Acylketten, wie Myristat oder Palmitat, oder einen GPIAnker mit der Membran assoziiert. Transmembranproteine, wie z.B. der EGFRezeptor, können jedoch auch in Rafts angereichert sein. Besonders an der Plasmamembran dienen Rafts als Signaltransduktionszentren, indem sie beteiligte Rezeptoren und Signalmoleküle konzentrieren.
Reggie-Proteine: Bei der Suche nach Proteinen, die bei der Regeneration von verletzten Sehnerven von Fischen hochreguliert werden, wurden Reggie-1 und Reggie-2 entdeckt (Schulte et al., 1997). Gleichzeitig wurden diese Proteine bei der Suche nach neuen Raftproteinen gefunden und als Flotillin-1 (=Reggie-2) und Flotillin-2 (=Reggie-1) bezeichnet (Bickel et al., 1997). Reggie-1 und -2 haben ein Molekulargewicht von 47 kDa und sind auf Aminosäuren-Basis zu 44% identisch. Homologe zu Reggie-1 wurden bislang in Mensch, Maus, Ratte und Fisch, wie auch in D. melanogaster gefunden. Die evolutionäre Konservierung der Reggies ist, mit beispielsweise 80% zwischen Ratte und Goldfisch, sehr hoch und weist auf eine wichtige Funktion hin, die Sequenzkonservierung verlangt. Reggie-1 wird ubiquitär exprimiert, wogegen Reggie-2 ein weniger verbreitetes Expressionsmuster aufweist. Reggie-1 ist vornehmlich an der Plasmamembran und an Endosomen lokalisiert. Die subzelluläre Lokalisation von Reggie-2 hängt vom Zelltyp ab...
Bioactive small molecules are used in many research areas as important tools to uncover biological pathways, interpret phenotypic changes, deconvolute protein functions and explore new therapeutic strategies in disease relevant cellular model systems. To unlock the full potential of these small molecules and to ensure reliability of results obtained in cellular assays, it is crucial to understand the properties of these small molecules. These properties encompass their activity and potency on their designated target(s), their selectivity towards unintended off-targets and their phenotypic effects in a cellular system. Approved drugs often engage with multiple targets, which can be beneficial for some applications such as treatment of cancer where several pathways need to be inhibited for treatment efficacy. However, targeting multiple key proteins in diverse pathways also increases the possibility for unspecific or unwanted side effects. For many drugs the entire target space that they modulate is not known. This makes it difficult to use these drugs for target deconvolution or functional assays with the aim to understand the underlying biological processes. In contrast to drugs, for mechanistic studies, a good alternative are chemical tool compounds so called chemical probes that are usually exclusively selective as well as chemogenomic compounds, that inhibit several targets but have narrow selectivity profiles. Because they are mechanistic tools, chemical tool compounds must meet stringent quality criteria and they are therefore well characterized in terms of their potency, selectivity and cellular on-target activity. To ensure that an observed phenotypic effect caused by a compound can be attributed to the described target(s), it is essential to study also properties of chemical tools leading to unspecific cellular effects. There are a variety of unspecific effects that can be caused by physiochemical compound properties that can interfere with phenotypic assays as well as functional compound evaluations. One of these effects is low solubility causing toxicity or intrinsic fluorescence potentially interfering with assay readouts. But unanticipated cellular responses can also arise from unspecific binding, accumulation in cellular compartments or damage caused to organelles such as mitochondria or the cytoskeleton that can result in the induction of diverse forms of cell death.
In this study, we investigated the influence of a variety of small molecules on distinct cell states, by establishing and validating high-content imaging assays, which we called Multiplex assay. This assay portfolio enabled us to detect different cellular responses using diverse fluorescent reporters, such as the influence of a compound on cell viability, induction of cell death programs and modulation of the cell cycle. Additionally, general compound properties such as precipitation and intrinsic fluorescence were simultaneously detected. The assay is adaptable to assess other cellular properties of interest, such as mitochondrial health, changes in cytoskeletal morphology or phospholipidosis. A significant advantage of the assay is that we are using live cells, so we can capture dynamic cellular changes and fluctuations that can be crucial for the understanding of cellular responses.
Der Hirntumor Glioblastom (GBM) ist aufgrund seines infiltrativen Wachstums, der hohen intra- und intertumoralen Heterogenität, der hohen Therapieresistenz als auch aufgrund der sogenannten gliomartigen Stammzellen sehr schwer zu behandeln und führt fast immer zu Rezidiven. Da es in den letzten Jahrzehnten kaum Fortschritte in der Behandlung des GBMs gab, bis auf die Therapie mit Tumortherapiefeldern, wird weiterhin nach alternativen Zelltodtherapien geforscht, wie zum Beispiel dem Autophagie-abhängigen Zelltod. Der Autophagie-abhängige Zelltod ist durch einen erhöhten autophagischen Flux gekennzeichnet und obwohl die Autophagie, als auch selektive Formen wie die Lysophagie und Mitophagie, normalerweise als überlebensfördernde Mechanismen gelten, konnten viele Studien eine duale Rolle in der Tumorentstehung, -progression und -behandlung aufzeigen, die vor allem vom Tumortyp und stadium abhängt. Um die zugrunde liegenden Mechanismen des durch Medikamente induzierten Autophagie-abhängigen Zelltods im GBM weiter zu entschlüsseln, habe ich in meiner Dissertation verschiedene Substanzen untersucht, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren.
In einer zuvor in unserem Labor durchgeführten Studie konnte gezeigt werden, dass das Antipsychotikum Pimozid (PIMO) und der Opioidrezeptor-Antagonist Loperamid (LOP) einen Autophagie-abhängigen Zelltod in GBM Zellen induzieren können. Darauf aufbauend habe ich die Fähigkeit zur Induktion des Autophagie-abhängigen Zelltods in weiteren Zellmodellen validiert. Dies bestätigte einen erhöhten autophagischen Flux nach PIMO und LOP Behandlung, während der Zelltod als auch der autophagische Flux in Autophagie-defizienten Zellen reduziert war. In weiteren Versuchen konnte ich die Involvierung der LC3-assoziierten Phagozytose (LAP), ein Signalweg der auf die Funktion einiger autophagischer Proteine angewiesen ist, ausschließen. Weiterhin konnte ich eine massive Störung des Cholesterin- und Lipidstoffwechsels beobachten. Unter anderem akkumulierte Cholesterin in den Lysosomen gefolgt von massiven Schäden des lysosomalen Kompartiments und der Permeabiliserung der lysosomalen Membran. Dies trug einerseits zur Aktivierung überlebensfördernder Lysophagie als auch der Zell-schädigenden „Bulk“-Autophagie bei. Letztendlich konnte aber die erhöhte Lysophagie die Zellen nicht vor dem Zelltod retten und die Zellen starben einen Autophagie-abhängigen lysosomalen Zelltod. Da die Eignung von LOP als Therapie für das GBM aufgrund der fehlenden Blut-Hirn-Schranken Permeabilität und von dem Antipsychotikum PIMO aufgrund teils schwerer Nebenwirkungen eingeschränkt ist, habe ich mich im weiteren Verlauf meiner Dissertation mit einer Substanz mit einem anderen Wirkmechanismus beschäftigt.
Der Eisenchelator und oxidative Phosphorylierungs (OXPHOS) Inhibitor VLX600 wurde zuvor berichtet mitochondriale Dysfunktion und Zelltod in Kolonkarzinomzellen zu induzieren. Allerdings hat meines Wissens nach bisher noch keine Studie die therapeutische Eignung von VLX600 für das GBM untersucht. Hier zeige ich eine neuartige Autophagie-abhängige Zelltod-induzierende Fähigkeit von VLX600 für GBM Zellen, da der Zelltod signifikant in Autophagie-defizienten Zellen aber nicht durch Caspase-Inhibitoren gehemmt wurde und der autophagische Flux erhöht war. Darüber hinaus konnte ich die Hemmung der OXPHOS und die Induktion von mitochondrialem Stress in GBM Zellen bestätigen und weiterhin aufzeigen, dass VLX600 nicht nur die mitochondriale Homöostase stört, sondern auch zu einer BNIP3-BNIP3L-abhängigen Mitophagie führt, die wahrscheinlich durch HIF1A reguliert wird aber keinen erkennbaren Nettoeffekt auf den von VLX600 induzierten Zelltod hat. Demnach induziert VLX600 letale „Bulk“-Autophagie in den hier verwendeten Zellmodellen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Eisenchelatierung durch VLX600 eine große Rolle für den von VLX600-induzierten Zelltod spielt aber auch für die Mitophagie Induktion, Histon Lysin Methylierung und den ribosomalen Stress. Letztendlich ist es wahrscheinlich ein Zusammenspiel all dieser Faktoren, die zur Zelltodinduktion durch VLX600 führen und interessanterweise werden Eisenchelatoren bereits in präklinischen und klinischen Studien für Krebstherapien untersucht. Dabei könnten gewisse metabolische Eigenschaften verschiedener Tumorzellen die Sensitivität von Wirkstoffen, die auf den Metabolismus wirken wie VLX600, beeinflussen was in zukünftigen Studien beachtet werden sollte um den bestmöglichsten Therapieerfolg zu erzielen. Zusammenfassend unterstützt meine Dissertation die duale Rolle der Autophagie, die stark vom jeweiligen Kontext abhängt und befürwortet die weitere Forschung von Substanzen, die einen Autophagie-abhängigen Zelltod induzieren, für das GBM.
Resilienz als Schutzfaktor vor der Entwicklung psychischer Erkrankungen ist angesichts der zunehmenden gesellschaftlichen Belastung durch chronischen Stress und stressassoziierte Folgeerkrankungen ein hochaktuelles Forschungsthema. Obwohl bereits zahlreiche Erhebungen zur Resilienz existieren, herrscht kein Konsens über die konkrete Operationalisierung des Konzepts. In der Folge differieren vorliegende Studienergebnisse stark voneinander, sind nur schwer miteinander vergleichbar und fraglich auf die Gesellschaft zu übertragen. Die vorliegende Arbeit untersucht daher, ob Haarcortisol einen geeigneten Biomarker in der Resilienzforschung darstellt und einen Beitrag zur Vereinheitlichung und Objektivierung dieses Forschungsgebietes leisten kann.
Zur Beantwortung dieser Frage wurde auf die Daten des aktuell laufenden Langzeitforschungsprojekts „Longitudinal Resilience Assessment“ der Universitätskliniken Frankfurt und Mainz aus den Jahren 2017 bis 2019 zurückgegriffen. Alle Proband*innen der psychisch gesunden Stichprobe (N= 192, 18-50 Jahre) füllten zu insgesamt drei Erhebungszeitpunkten nach Studieneinschluss und im Abstand von je drei Monaten Onlinefragebögen zur Ermittlung der aktuell vorherrschenden Stressexposition, der allgemeinen psychischen Gesundheit sowie des subjektiven Stresserlebens aus. Gleichzeitig fand die Entnahme von Haarproben für die Analyse der Haarcortisolkonzentration statt. Zum Studieneinschluss erfolgte ergänzend die Erhebung der Traumatisierung und negativen Erfahrungen im Kindesalter.
Mittels linearer multivariater Regression wurde ein Effekt möglicher anthropometrischer und soziodemographischer Einflussfaktoren auf die Cortisolkonzentration im Haar ausgeschlossen. Ferner wurde die Auswirkung der Lagerungszeit auf die Höhe der Cortisolwerte im Haar untersucht. Es zeigte sich, dass Haarproben mit einer kürzeren Lagerungszeit signifikant höhere Cortisolwerte aufwiesen als solche mit einer längeren Lagerungszeit. Die Stabilität der Cortisolkonzentrationen über die einzelnen Messzeitpunkte hinweg erwies sich dabei insgesamt nur als mäßig hoch. Zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen subjektivem und objektivem Stress, Traumatisierung und negativen kindlichen Erfahrungen, allgemeiner psychischer Gesundheit, Resilienz und HCC wurden Spearman-Rang-Korrelationen angewandt. Auch hier ließen sich keine statistisch signifikanten Zusammenhänge feststellen. Dennoch konnten bei Personen mit einer Veränderung des Stressniveaus während des Beobachtungszeitraumes eine insgesamt deskriptiv erhöhte Stressexposition sowie statistisch signifikant höhere Mengen an Haarcortisol beobachtet werden. Bei weiteren explorativen Datenanalysen innerhalb einer kleinen Subpopulation der Studienstichprobe konnten während des Einwirkens eines intensiven spezifischen Stressors erhöhte HCC-Werte in Verbindung mit schlechteren psychischen Gesundheitsergebnissen gebracht werden.
Auf Grundlage dieser Arbeit lässt sich kein relevanter Einfluss verschiedener Stressvariablen auf die Cortisolkonzentration im Haar ableiten. Auch die individuelle Resilienz steht in keinem Zusammenhang zum HCC. Die Ergebnisse der explorativen Untersuchungen deuten in Zusammenschau mit einer mäßig hohen Stabilität des HCC jedoch darauf hin, dass Haarcortisol ein veränderungssensitiver Biomarker sein kann. Bei intensiver spezifischer Stresseinwirkung steht es in Zusammenhang mit schlechteren Gesundheitsergebnissen und damit indirekt mit der individuellen Resilienz. In zukünftigen Arbeiten sollte untersucht werden, auf welche Weise die Höhe des Haarcortisols Hinweise auf die Auswirkungen einer spezifischen Stressexposition und damit auf den psychischen Gesundheitszustand eines Individuums liefern kann, um so Risikogruppen identifizieren und diese durch frühzeitige Interventionen vor der Entwicklung psychischer Erkrankungen schützen zu können.
Das CD-44-Molekül ist ein membranständiger Oberflächenrezeptor, der als Adhäsionselement von Tumorzellen im Rahmen der Metastasierung genutzt wird. Berichte verweisen auf eine direkte Korrelation zwischen CD-44-Expression eines Tumors und der klinischen Prognose. Darüber hinaus kann der CD-44-Rezeptor auch intrazelluläre Signalwege aktivieren, und als solches Signalelement in die Regulation des Zellzyklus eingreifen.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde postuliert, dass der CD-44-Rezeptor zellzyklusabhängige Veränderungen erfährt und sich daraus Modifikationen des Adhäsionsverhaltens von Tumorzellen ergeben.
Repräsentativ wurde an der Magenkarzinom-Zell-Linie MKN-45 die CD-44-Expression bzw. dessen Splice-Varianten während des Zellzyklus fluorometrisch untersucht (FACS-Analyse, konfokale Laserscan-Mikroskopie). Parallel wurde das Adhäsionsverhalten an isolierten und kultivierten humanen Endothelzellen evaluiert. Die Tumorzellen wurden zuvor mittels Aphidicolin synchronisiert. Als Kontrolle dienten nicht-synchronisierte Zellen.
Die Untersuchungen verdeutlichten eine spezifische Expression der CD-44-Varianten CD44v4, CD44v5, CD44v7. Die Inkubation der Tumorzellen mit Aphidicolin bewirkte eine ausgeprägte Akkumulation von MKN-45-Zellen in der S-Phase. Nach Absetzen des Aphidicolins und Freisetzung in den Zellzyklus kam es zur signifikanten zyklusabhängigen Modulation der Rezeptorexpression. CD44v4, CD44v5 und CD44v7 waren in der G2/MPhase gegenüber der G0/G1- und S-Phase deutlich vermehrt auf der Membran detektierbar. In der G2/M-Phase erhöhte sich zudem signifikant die Adhäsionskapazität der MKN-45-Zellen. Blockadestudien mit gegen die CD-44-Varianten gerichteten monoklonalen Antikörpern belegten die CD-44-abhängige Tumorzell-Endothelzell-Interaktion.
Die Studien belegen zumindest am in vitro Zellkulturmodell die zellzyklus-gesteuerte CD-44-Expression und CD-44-abhängige Invasionseigenschaften von Tumorzellen. Es lässt sich daraus ableiten, dass eine anti-tumorale Therapie an zuvor synchronisierten Tumorzellen womöglich besonders effektiv sein kann. Auch die pharmakologische Blockade des CD-44-Rezeptors könnte einen anti-tumoralen Effekt besitzen.
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines interaktionalen Simulationsmodells zum späteren Einsatz in der VR-Simulation Clasivir 2.0 (Classroom Simulator in Virtual Reality), welche in der Lehrkräftebildung eingesetzt werden soll. Das Clasivir-Simulationsmodell wurde im Rahmen eines Prototyps implementiert und zwei anderen Simulationsmodellen in einem Fragebogen entgegengestellt. Ein Simulationsmodell beschreibt im Kontext einer digitalen Schulunterrichtssimulation, wie sich SuS in der Simulation verhalten.
Die drei Simulationsmodelle wurden über zwei unterschiedliche Typen von Video-Visualisierungen, genannt Mockup-Videos, dargestellt: Zum einen über eine 2D-Darstellung aus Vogelperspektive, zum anderen über eine 3D-Darstellung, in welcher 3D-Modelle von SuS animiert wurden. Bei dem realen Simulationsmodell handelt es sich um eine Übertragung einer authentischen Videoaufzeichnung von Unterricht einer hessischen Realschule in 2D/3D-Visualisierungen. Im randomisierten Simulationsmodell führen SuS ihre Verhalten zufällig aus. Alle Modelle basieren auf zweisekündigen Intervallen. Im Falle des realen Simulationsmodells wurde dies durch Analyse aller beobachtbaren einundzwanzig SuS gewonnen, im Falle des Clasivir-Simulationsmodells wurden die Vorhersagen des Simulationsmodells übertragen. Das Simulationsmodell von Clasivir basiert auf behavior trees, stellt eine Art von künstlicher Intelligenz dar und modelliert das SuS-Verhalten größtenteils in Abhängigkeit von Lehrkrafthandlungen. Die Entwicklung des interaktionalen Simulationsmodells von Clasivir ist eine Kernkomponente dieser Arbeit. Das Simulationsmodell basiert auf empirischen Ergebnissen aus den Bereichen der Psychometrie, der pädagogischen Psychologie, der Pädagogik und Ergebnissen der Simulations-/KI-Forschung. Ziel war die Entwicklung eines Modells, das nicht nur auf normativen Vorhersagen basiert, sondern empirisch und theoretisch valide ist. Nur wenige Simulationsmodelle in Unterrichtssimulationen werden mit dieser Art von Transparenz beschrieben, was eines der Alleinstellungsmerkmale dieser Arbeit ist. Es wurden Anstrengungen unternommen die vorliegenden empirischen Ergebnisse in einen kausalen Zusammenhang zu bringen, der mathematisch modelliert wurde. Im Zentrum steht die Konzentration von SuS, welche Ein uss auf Stör-, Melde- und Antwortverhalten hat. Diese Variable wird durch andere situative und personenbezogene Variablen (im Sinne von traits) ergänzt. Wo keine direkten empirischen Ergebnisse vorlagen wurde versucht plausibles Verhalten anhand der Übertragung von Konzeptionsmodellen zu gewinnen.
Da die bisherige Verwendung der angrenzenden Begriffe rund um die Simulationsentwicklung bislang sehr inkonsistent war, wurde es notwendig diese Termini zu definieren. Hervorzuheben ist die Entwicklung einer Taxonomie digitaler Unterrichtssimulationen, die so bislang nicht existierte. Anhand dieser Taxonomie und der erarbeiteten Fachtermini wurden Simulationen in der Lehrkräftebildung auf ihre Modellierung des Simulationsmodells hin untersucht. Die Untersuchung der Simulationen simSchool und VCS war, da sie einen verwandten Ansatz zu Clasvir verfolgen, besonders ergiebig.
Nach der Generierung der Mockup-Videos wurden N=105 Studierende, N=102 davon Lehramtsstudierende, aufgefordert, in einem Online-Fragebogen zwei der Simulationsmodelle miteinander zu vergleichen. Lehramtsstudierende wurden ausgewählt, da sie die Zielgruppe der Simulation sind. Welche Modelle die Partizipantinnen verglichen, war abhängig von der Gruppe der sie zugeteilt wurden. Hierbei wurde neben den Simulationsmodellen auch die visuelle Darstellung variiert. Insbesondere wurden die Partizipantinnen darum gebeten, den Fidelitätsgrad des Simulationsmodells, also den Maßstab, wie realistisch die Partizipantinnen das Verhalten der SuS in der Simulation fanden, zu bewerten. Inferenzstatistisch bestätigte sich, dass Partizipantinnen keinen Unterschied zwischen dem realen Simulationsmodell und dem Clasivir-Simulationsmodell erkennen konnten (t=1.463, df=178.9, p=.1452), aber das randomisierte Simulationsmodell mit einer moderaten Effektstärke von d=.634 als signifikant schlechter einschätzten (t=-2.5231, df=33.581, p=.008271). Die Art der Darbietung (2D oder 3D) hatte keinen statistisch signifikanten Einfluss auf die wahrgenommene Schwierigkeit der Bewertung (z=1.2426, p=.107). Damit kann festgestellt werden, dass eine komplexe und zeitintensive 3D-Visualisierung eines Simulationsmodells bei noch nicht vorliegender Simulation nicht erforderlich ist. Das Clasivir-Simulationsmodell wird als realistisch wahrgenommen. Es kann damit empfohlen werden, es in der VR-Simulation zu verwenden.
Im Ausblick werden bereits während des Schreibens der Arbeit gemachte Entwicklungen beschrieben und Konzepte zum weiteren Einsatz der Ergebnisse entwickelt. Es wird darauf verwiesen, dass eine erste Version eines VR-Simulators entwickelt wurde (Clasivir 1.0), der jedoch rein deterministisch funktioniert und noch nicht das in dieser Arbeit entwickelte Simulationsmodell inkludiert.
Anthropogenic activities have a major impact on our planet and rapidly drive biodiversity loss in ecosystems at a global scale. Particularly over the last century, rising CO2 emissions significantly raised global temperatures and increased the intensity and frequency of droughts and heatwaves. Additionally, agricultural land use and fossil fuel combustion contribute to the continuous release of nitrogen (N) and phosphorus (P) into ecosystems worldwide through extensive fertilization and deposition from the atmosphere. It is important to understand how these rapid changes affect the evolution of plant populations and their adaptive potential. Adaptation by natural selection (i.e., adaptive evolution) within a few generations is an essential process as a response to rapid environmental changes. Rapid evolution of plant populations can be detected by using the so-called resurrection approach. Here, diaspores (i.e., seeds) from a population are collected before (ancestors) and after (descendants) a potential selection pressure (e.g., consecutive years of drought or changes in nutrient supply). Comparing phenotypes of ancestors and descendants in a common environment such as an outside garden, greenhouse, or climate chamber, may then reveal evolutionary changes. Ideally, plants are first grown in a common environment for an intermediate refresher generation to reduce parental and storage effects.
The aim of this thesis was to investigate the occurrence of adaptive evolution in natural plant populations in response to rapidly changing environments over the past three decades. I conducted three experiments using the resurrection approach to generate comprehensive data on the adaptive processes that acted on three plant populations from three different species over the last three decades. Furthermore, I filled knowledge gaps in plant evolutionary ecology and conceptually developed the resurrection approach further.
In Chapter I, I performed a novel approach by testing for adaptive evolution in natural plant populations using the resurrection approach in combination with in-situ transplantations. I cultivated seedlings from ancestors (23 – 26 years old) and contemporary descendants of three perennial species (Melica ciliata, Leontodon hispidus and Clinopodium vulgare) from calcareous grasslands in the greenhouse and In Chapter III, I assessed the reproducibility of phenotypic differences between genotypes among three different growth facilities (climate chamber, greenhouse, and outdoor garden). I also evaluated differences in phenotypic expression between plants grown after one vs. two intermediate generations (i.e., refresher generations). I performed this experiment within the framework of the resurrection approach and compared ancestors and descendants of the same population of Leontodon hispidus.
I observed very strong differences among plants growing in the different growth facilities. I found a significant interaction between the growth facility and the temporal origin (ancestors vs. descendants): descendants had significantly larger rosettes than ancestors only in the greenhouse and they flowered significantly later than ancestors exclusively in the climate chamber. I did not find significant differences between intermediate generations within the growth facilities. Overall, Chapter III shows that the use of a particular experimental system can dictate the presence and magnitude of phenotypic differences. This implies that absence of evidence is not evidence of absence when it comes to investigating genetically based trait differentiation among plant origins (in space or time). Experimental systems should be carefully designed to provide meaningful conditions, ideally mimicking the environmental conditions of the population’s origins. Finally, growing a second intermediate generation did not impact the genetic differences of ancestors and descendants within the environments, supporting the idea that only one intermediate generation may be sufficient to reduce detectable parental and storage effects.
The resurrection approach allows a better understanding of rapid plant adaptation, but some limitations deserve to be highlighted. I only studied one population per species, and Chapters II and III only focus on one population of L. hispidus, which is also hampering generalizations, as adaptive potential can vary greatly among populations of the same species. I only compared the ancestral genotypes to one descendant sample with a long time span in between (26 – 28 years), which makes it hard to pinpoint the selection agents that caused the genetic differentiation among the sampling years. Hence, closely monitoring biotic and abiotic factors of the studied populations between the ancestral and descendant sampling in future studies, would make identifying the responsible selection pressures more precise. I also recommend sampling multiple populations over consecutive years to improve the robustness of results and make generalizations more approachable.Furthermore, combining the resurrection approach with other methods such as in-situ transplantations will be valuable to offset the limitation that adaptations cannot be proven under artificial conditions (e.g., in the greenhouse).
The strong force is one of the four fundamental interactions, and the theory of it is called Quantum Chromodynamics (QCD). A many-body system of strongly interacting particles (QCD matter) can exist in different phases depending on temperature (T) and baryonic chemical potential (µB). The phases and transitions between them can be visualized as µB−T phase diagram. Extraction of the properties of the QCD matter, such as compressibility, viscosity and various susceptibilities, and its Equation of State (EoS) is an important aspect of the QCD matter study. In the region of near-zero baryonic chemical potential and low temperatures the QCD matter degrees of freedom are hadrons, in which quarks and gluons are confined, while at higher temperatures partonic (quarks and gluons) degrees of freedom dominate. This partonic (deconfined) state is called quark-gluon plasma (QGP) and is intensively studied at CERN and BNL. According to lattice QCD calculations at µB=0 the transition to QGP is smooth (cross-over) and takes place at T≈156 MeV. The region of the QCD phase diagram, where matter is compressed to densities of a few times normal nuclear density (µB of several hundreds MeV), is not accessible for the current lattice QCD calculations, and is a subject of intensive research. Some phenomenological models predict a first order phase transition between hadronic and partonic phases in the region of T≲100 MeV and µB≳500 MeV. Search for signs of a possible phase transition and a critical point or clarifying whether the smooth cross-over is continuing in this region are the main goals of the near future explorations of the QCD phase diagram.
In the laboratory a scan of the QCD phase diagram can be performed via heavy-ion collisions. The region of the QCD phase diagram at T≳150 MeV and µB≈0 is accessible in collisions at LHC energies (√sNN of several TeV), while the region of T≲100 MeV and µB≳500 MeV can be studied with collisions at √sNN of a few GeV. The QCD matter created in the overlap region of colliding nuclei (fireball) is rapidly expanding during the collision evolution. In the fireball there are strong temperature and pressure gradients, extreme electromagnetic fields and an exchange of angular momentum and spin between the system constituents. These effects result in various collective phenomena. Pressure gradients and the scattering of particles, together with the initial spatial anisotropy of the density distribution in the fireball, form an anisotropic flow - a momentum (azimuthal) anisotropy in the emission of produced particles. The correlation of particle spin with the angular momentum of colliding nuclei leads to a global polarization of particles. A strong initial magnetic field in the fireball results in a charge dependence and particle-antiparticle difference of flow and polarization.
Anisotropic flow is quantified by the coefficients vₙ from a Fourier decomposition of the azimuthal angle distribution of emitted particles relative to the reaction plane spanned by beam axis and impact parameter direction. The first harmonic coefficient v₁ quantifies the directed flow - preferential particle emission either along or opposite to the impact parameter direction. The v₁ is driven by pressure gradients in the fireball and thus probes the compressibility of the QCD matter. The change of the sign of v₁ at √sNN of several GeV is attributed to a softening of the EoS during the expansion, and thus can be an evidence of the first order phase transition. The global polarization coefficient PH is an average value of the hyperon’s spin projection on the direction of the angular momentum of the colliding system. It probes the dynamics of the QCD matter, such as vorticity, and can shed light on the mechanism of orbital momentum transfer into the spin of produced particles.
In collisions at √sNN of several GeV, which probe the region of the QCD phase diagram at T≲100 MeV and µB≳500 MeV, hadron production is dominated by u and d quarks. Hadrons with strange quarks are produced near the threshold, what makes their yields and dynamics sensitive to the density of the fireball. Thus measurement of flow and polarization, in particular of (multi-)strange particles, provides experimental constraints on the EoS, that allows to extract transport coefficients of the QCD matter from comparison of data with theoretical model calculations of heavy-ion collisions.
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Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden drei Schwerpunkte behandelt: 1) Die hocheffektive Beschleunigung von Elektronen und Protonen durch die Wechselwirkung von relativistischen Laserpulsen mit Schäumen. 2) Die Erzeugung und Messung hochintensiver Betatronstrahlung von direkt laserbeschleunigten (DLA-) Elektronen. 3) Die Anwendung von DLA-Elektronen für den biologischen FLASH-Effekt mit einer rekordbrechenden Dosisrate.
Die direkte Laserbeschleunigung von Elektronen wurde durch die Wechselwirkung eines sub-ps-Laserpulses mit einer Intensität von ~ 10^19 W/cm^2 mit einem Plasma nahe kritischer Elektronendichte (NCD) untersucht. Ein sub-mm langes NCD-Plasma wurde durch Erhitzen eines Schaums mit einer niedrigen Dichte mit einem ns-Puls von 10^13-10^14 W/cm^2 erzeugt. Die Experimente wurden an der PHELIX-Anlage (Petawatt Hoch- Energie Laser für Schwerionenexperimente) in den Jahren 2019 – 2023 durchgeführt. Während der Suche nach optimalen Bedingungen für die Beschleunigung von Elektronen und Protonen wurden die Parameter des ns-Pulses variiert und verschiedene Targets verwendet. Es wurde gezeigt, dass das Plasma im Schaum gute Voraussetzungen für die Erzeugung gerichteter, ultrarelativistischer DLA-Elektronen mit Energien von bis zu 100 MeV bietet. Die Elektronen weisen eine Boltzmann-ähnliche Energieverteilung mit einer Temperatur von 10-20 MeV auf.
Optimale Bedingungen für eine effektive Beschleunigung von DLA-Elektronen wurden bei der Kombination eines CHO-Schaums mit einer Dichte von 2 mg/cm3 und einer Dicke von 300-500 µm mit einer Metallfolie erreicht. Die Gesamtladung der detektierten Elektronen mit Energien über 1,5 MeV erreichte 0,5-1 µC mit der Umwandlungseffizienz der Laserenergie von ~ 20-30%.
Außerdem wird die Beschleunigung von Protonen durch DLA-Elektronen anders verursacht als bei typischer Target Normal Sheath Acceleration (TNSA). Für die Untersuchung der lokalen Protonenenergieverteilung wurden Magnetspektrometer unter verschiedenen Winkeln zur Laserachse verwendet. Dafür wurde eine Filtermethode entwickelt, welche es ermöglicht, Spektren von Protonen mit Energien von bis zu 100 MeV zu rekonstruieren. Es wurde gezeigt, dass am PHELIX durch die Kombination von einem ~ 300-400 µm dicken CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer 10 µm dicken Au-Folie bei einer Intensität des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2 und unter Verwendung eines optimierten ns-Vorpulses eine optimale Protonenbeschleunigung erreicht wurde. Es wurde ein TNSA-ähnliches Regime mit einer maximalen Cut-off-Energie von 34±0,5 MeV beobachtet. Im Vergleich dazu wurde bei der typischen TNSA unter Verwendung einer 10 µm dicken Au-Folie als Target und derselben Laserintensität eine maximale Cut-off-Energie von 24±0,5 MeV gemessen. Darüber hinaus beobachteten wir einen sehr schwachen Abfall der Protonenanzahl in Abhängigkeit von der Protonenenergie (anders als bei der typischen TNSA) und eine sehr regelmäßige Protonenstrahlverteilung in einem breiten Winkelbereich bis zu hohen Energien. Dies könnte zur Verbesserung der Qualität der Protonenradiographie von Plasmafeldern genutzt werden.
Beim DLA-Prozess (im NCD-Plasma) entsteht Betatronstrahlung durch die Oszillationen von Elektronen in quasi-statischen elektrischen und magnetischen Feldern des Plasmakanals. Um diese Strahlung zu untersuchen, wurde ein neues modifiziertes Magnetspektrometer (X-MS) konstruiert. Das X-MS ermöglicht die 1D-Auflösung mehrerer Quellen. Dank dieser Spezifikation war es möglich, Betatronstrahlung von Bremsstrahlung der ponderomotorischen Elektronen im Metallhalter zu trennen und zu messen.
Im Experiment mit einem CHO-Schaum mit einer Dichte von 2 mg/cm^3 und einer Dicke von ~ 800 µm als Target wurde die von den optimierten DLA-Elektronen erzeugte Betatronstrahlung gemessen. Bei einer Peak-Intensität des dreieckigen ns-Pulses von ~ 3·10^13 W/cm^2 und des sub-ps-Pulses von ~ 10^19 W/cm^2, welcher 4±0,5 ns gegenüber dem ns-Puls verzögert war, betrug der Halbwinkel im FWHM-Bereich des Elektronenstrahls 17±2°. Unter diesen Bedingungen war die Betatronstrahlung mit einem Halbwinkel im FWHM-Bereich von 11±2° für die Photonen mit Energien über 10 keV ebenfalls gerichtet. Die Photonenanzahl mit Energien über 10 keV wurde auf etwa 3·10^10 / 3·10^11 (gerichtete Photonen / Photonen im Halbraum entlang der Laserstrahlrichtung) abgeschätzt. Die maximale Photonenanzahl pro Raumwinkel betrug ~2·10^11 photons/sr. Die Brillanz der registrierten Betatronstrahlung erreichte ~ 2·10^20 photons/s/mm^2/mrad^2/(0.1% BW) bei 10 keV.
Die Verwendung eines Hochstromstrahls aus DLA-Elektronen für die FLASH-Strahlentherapie ermöglicht das Erreichen einer Dosis von bis zu 50-70 Gy während eines sub-ps-Laserpulses. Im Jahr 2021, während der P213-Strahlzeit am PHELIX wurde der Sauerstoffkonzentrationsabfall bei der Bestrahlung von Medien (Wasser und andere biologische Medien) mit DLA-Elektronen in Abhängigkeit von der Dosis untersucht. Die Strahlendosis wurde hierbei indirekt gemessen. Hierfür wurde eine Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Dosis innerhalb des „Wasser-Containers“ auf Basis von Messungen außerhalb des Containers mit einem untersuchten Medium zu ermitteln. Es wurde eine gute Übereinstimmung zwischen dem Experiment und einer Monte-Carlo-Simulation für Wasser gezeigt. Die registrierte Dosisrate erreichte einen Rekordwert von ~ 70 TGy/s.
This thesis aims to investigate the properties of hadronic matter by analyzing fluctuations of conserved charges. A transport model (SMASH) is used for these studies to achieve this. The first part of this thesis focuses on examining transport coefficients, specifically the diffusion coefficients of conserved charges and the shear viscosity. The second part investigates equal-time correlations of particle numbers in the form of cumulants. The last chapter studies different aspects of the isobar collision systems Ru and Zr.
As a first step, the hadronic medium and interactions between its constituents are introduced, and simultaneously, their impact on transport coefficients is investigated. The methodology is verified by comparing the results of SMASH with Chapman-Enskog calculations, followed by examining 3-to-1 multi-particle reactions, revealing their influence on shear viscosity and electrical diffusion. The analysis of the full hadron gas considers angle-dependent cross-sections and additional elastic cross-sections via the AQM description, showing significant impacts on transport coefficients. The dependency on the number of degrees of freedom is explored, with noticeable effects on diffusion coefficients but a smaller influence on the shear viscosity. At non-zero baryon chemical potential, the diffusion coefficients are strongly influenced, while the shear viscosity remains unaffected. Overall, the study underscores the importance of individual cross-sections and the modeling of interactions on transport coefficients.
The following chapter explores fluctuations of conserved charges, crucial for understanding phase transitions in heavy-ion collision from the quark-gluon plasma to the hadronic phase. Using SMASH, the impact of global charge conservation on particle number cumulants in subvolumes of boxes simulating infinite matter is studied. Comparisons with simpler systems highlights the influence of hadronic interactions on cumulants, especially via charge annihilation processes and the results from SMASH shows agreement with analytical calculations. Calculations at finite baryon chemical potential reveals a transition from a Poisson to Skellam distribution within the net proton cumulants. It is shown that an unfolding procedure to obtain the net baryon fluctuations from the net proton ones deviates from the actual net baryon result, particularly in larger volumes. Finally, net proton correlations at vanishing baryon chemical potential align with ALICE measurements and the net proton cumulants are unaffected by deuteron formation.
In the next step, the goal is to investigate critical fluctuations in the hadronic medium. Therefore, the hadronic system is initialized with critical equilibrium fluctuations by coupling the hadron resonance gas with the 3D Ising model. The single-particle probability distributions are derived from the principle of maximum entropy. Evolving these distributions in SMASH, their development in an expanding sphere adjusted to experimental conditions can be analyzed. It reveals resonance decay and formations as the primary source that affects the particle cumulants. Because of isospin randomization processes, critical fluctuations are better preserved in net nucleon numbers. However, for the strongest coupling investigated in this work, correlations of the critical field are still present in the final state of the evolution in the net proton fluctuations. Examining cumulant dependence on rapidity windows shows a non-monotonic trend.
In the third part, collisions involving the isobars Ru and Zr are studied at a center-of-mass energy of 200 GeV. Initially, SMASH is used to study the initial conditions to hydrodynamical simulations, emphasizing the importance of the nuclear structure of isobars on the geometry of the collision area. It is found that the deformation parameters notably influence the initial state. Correlations between nucleon-nucleon pairs on eccentricity fluctuations yield no significant effect. Subsequently, the hydrodynamic model vHLLE evolves the previously explored initial conditions and for the transition between the hydrodynamic and kinetic descriptions, the Cooper-Frye formula is used. Usage of the canonical ensemble ensures the exact conservation of the conserved charges B, Q, and S. The neutron skin effect, which changes the charge distribution within Ru nuclei, is additionally considered. Fluctuations are assessed, revealing suppression in large rapidity windows due to global charge conservation. The hadronic phase modifies fluctuations of net pions, net kaons, and net protons via annihilation processes, yet fluctuations remain unaffected by the neutron skin effect.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden zum ersten Mal die Ökologie, Morphologie und Systematik von Pilzen untersucht, die assoziiert mit Haut- und Nagelläsionen von ambulanten Patienten sowie von Patienten dermatologischer Praxen in der Provinz Chiriquí im Westen Panamas nachgewiesen wurden. Die Pilze werden klassifiziert nach dem klinischen D-H-SSystem von Rieth und entsprechend ihrer Position im phylogenetischen System der Pilze. Die Morphologie der verschiedenen Arten wird dokumentiert auf der Grundlage von Kulturen und lichtmikroskopischer Untersuchungen durch Beschreibungen sowie Zeichnungen und Fotographien charakteristischer Strukturen. Die Pathogenität der einzelnen Pilzstämme wurde nicht nachgewiesen, sondern auf der Grundlage von Angaben aus der Literatur diskutiert. Außerdem lieferte die Literatur Daten zum Vorkommen der Pilze an Pflanzen und anderen Substraten in der Natur.
In Panama wurden zahlreiche klinische Proben untersucht, von denen ca. 100 Pilzstämme nach Deutschland geschickt wurden. Dort konnten 80 Stämme weiter kultiviert und detailliert untersucht werden. Mehr als 22 verschiedene Arten wurden beobachtet, die 17 verschiedenen Gattungen angehören. Sie entsprechen drei verschiedenen Arten von Dermatophyten, mindestens drei Arten von Hefen und 16 verschiedenen Schimmel- oder sonstigen Pilzarten.
Mit Ausnahme von Hormographiella verticillata wurden ausschließlich imperfekte Stadien beobachtet, und zwar überwiegend von verschiedenen Vertretern der Ascomycota: Dothideales: Scytalidium dimidiatum (6 Stämme), Eurotiales: Aspergillus spp. (4), Paecilomyces lilacinus (2), Penicillium sp. (2), Hypocreales: Fusarium lichenicola (3), F. solani (4), F. subglutinans (1), Microascales: Scopulariopsis brevicaulis (2), Onygenales: Trichophyton mentagrophytes (2), T. rubrum (9), T. tonsurans (7), Ophiostomatales: Sporothrix schenckii (1), Pleosporales: Curvularia geniculata (1), Polystigmatales: Colletotrichum gloeosporioides (1), Sordariales: Nigrospora sphaerica (1), Saccharomycetales: Candida spp. (12), Geotrichum candidum (8), incerte sedis: Pestalotiopsis cf. tecomicola (1), Tritirachium oryzae (1). Vertreter der Basidiomycota sind: Agaricales: Hormographiella verticillata bzw. Coprinellus domesticus (3), Polyporales: Unbekannter Basidiomycet (1), Trichosporonales: Trichosporon cutaneum (6).
Im Rahmen dieser Studie waren Schimmelpilze die am häufigsten bei Haut- und Nagelläsionen angetroffenen Pilze. Unter diesen waren Fusarium-Arten und Scytalidium dimidiatum besonders häufig vertreten. Candida-Arten wurden ebenfalls oft isoliert. Die wichtigste Art unter den Dermatophyten war Trichophyton rubrum. Die prozentualen Anteile der verschiedenen Gruppen entsprechen gut den von anderen Autoren aus anderen Regionen publizierten Ergebnissen. Dies erklärt sich aufgrund der ökologischen Tatsache, dass die Sporen der Schimmelpilze fast überall in der Natur vorhanden sind und diese Pilze viele verschiedene Substrate nutzen können. Candida-Arten gehören zur normalen Flora des Menschen, können aber bei immunodefizienten Patienten, Diabetikern u.a. schwere Haut- und Schleimhautinfektionen, sowie Organerkrankungen verursachen. Dermatophyten sind als Krankheitserreger oberflächlicher Hautmykosen bekannt.
Zum ersten Mal wird das Vorkommen von Hormographiella verticillata in Amerika nachgewiesen. Dieses imperfekte Stadium eines Basidiomyceten hat in Kultur Fruchtkörper gebildet, die als Coprinellus domesticus bestimmt wurden. Damit wurde zum ersten Mal die Anamorph-Teleomorph-Verbindung zwischen diesen beiden Arten festgestellt, die durch eine molekular-phylogenetische Analyse von LSU rDNA (große Untereinheit der ribosomalen DNA) unterstützt wird. Für diese Analyse wurden andere Stämme und Genbank-Daten zum Vergleich herangezogen.
In den Kulturen von H. verticillata entstehen vor der Entwicklung der Fruchtkörper asexuelle sterile Hyphen, die als Ozonium-Stadium bezeichnet werden können. Zum Vergleich wurden Herbarbelege von verschiedenen Arten dieser Gattung bearbeitet. Die Arten sind morphologisch nicht unterscheidbar, weshalb vorgeschlagen wird, nur den Gattungsnamen zur Bezeichnung des entsprechenden Entwicklungsstadiums zu benutzen.
Es war nicht möglich, aufgrund morphologischer Merkmale den Stamm des Unbekannten Basidiomyceten zu bestimmen. Erst eine molekular-phylogenetischer Analyse von LSU rDNA mit Vergleichssequenzen aus der Genbank zeigte, dass der Pilz nahe verwandt ist mit Vertretern der Polyporales.