TY  - THES
A1  - Trinks, Nora Isabel
T1  - Super-resolution fluorescence microscopic visualization and analysis of interactions between human immune cells and \(Aspergillus\) \(fumigatus\)
T1  - Hochaufgelöste, fluoreszenzmikroskopische Visualisierung und Analyse der Interaktionen zwischen humanen Immunzellen und \(Aspergillus\) \(fumigatus\)
N2  - The mold Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) is known as human pathogen and can cause life-threatening infections in humans with a weakened immune system. This is a known complication in patients receiving glucocorticoids, e.g. after hematopoietic stem cell transplantation or solid organ transplantation. Although research in the field of immune cell/fungus interaction has discovered key strategies how immune cells fight against infectious fungi, our knowledge is still incomplete. In order to develop effective treatment options against fungal infections, a detailed understanding of their interactions is crucial. Thus, visualization of immune cell and fungus is an excellent approach to gain further knowledge. For a detailed view of such interaction processes, a high optical resolution on nanometer scale is required. There is a variety of super resolution microscopy techniques, enabling fluorescence imaging beyond the diffraction limit. This work combines the use of three complementary super resolution microscopy techniques, in order to study immune cell/fungus interaction from different points of view.
Aim of this work is the introduction of the recently invented imaging technique named expansion microscopy (ExM) for the study of immune cell/fungus interactions. The core aspect of this method is the physical magnification of the specimen, which increases the distance between protein structures that are close to each other and which can therefore be imaged separately.
The simultaneous magnification of primary human natural killer (NK) cells and A. fumigatus hyphae was established in this work using ExM. Reorganization of cytoskeletal components of interacting NK cells was demonstrated here, by expansion of the immunological synapse (IS), formed between NK cells and A. fumigatus. In addition, reorganization of the microtubule-organizing center (MTOC) towards fungal hyphae and an accumulation of actin at the IS has been observed. Furthermore, ExM has been used to visualize lytic granules of NK cells after degranulation. After magnification of the specimen, lysosome associated protein 1 (LAMP1) was shown to surround perforin. In absence of the plasma membrane-exposed degranulation marker LAMP1, a “ring-shaped” structure was often observed for fluorescently labeled perforin. Volume calculation of lytic granules demonstrated the benefit of ExM. Compared to pre-expansion images, analyses of post-expansion images showed two volume distributions for degranulated and non-degranulated NK cells. In addition, this work emphasizes the importance of determining the expansion factor for a structure in each species, as variations of expansion factors have been observed. This factor, as well as possible sample distortions should be considered, when ExM is used in order to analyze the interaction between two species.
A second focus of this work is the visualization of a chimeric antigen receptor (CAR), targeting an epitope on the cell wall of A. fumigatus. Structured illumination microscopy (SIM) revealed that the CAR is part of the immunological synapse of primary human CAR T cells and CAR-NK-92 cells. At the interaction site, an accumulation of the CAR was observed, as well as the presence of perforin. CAR accumulation at fungal hyphae was further demonstrated by automated live cell imaging of interacting CAR-NK-92 cells, expressing a fluorescent fusion protein.
Additionally, the use of direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM) gave first insights in CAR expression levels on the basal membrane of CAR-NK-92 cells, with single molecule sensitivity. CAR cluster analyses displayed a heterogeneous CAR density on the basal membrane of transfected NK 92 cells.
In summary, this work provides insights into the application of ExM for studying the interaction of primary human NK cells and A. fumigatus for the first time. Furthermore, this thesis presents first insights regarding the characterization of an A. fumigatus-targeting CAR, by applying super-resolution fluorescence microscopy, like SIM and dSTORM.
N2  - Der Schimmelpilz Aspergillus fumigatus (A. fumigatus) ist bekannt als Humanpathogen und kann lebensbedrohliche Infektionen bei Menschen mit einem geschwächten Immunsystem verursachen. Dies ist eine bekannte Komplikation bei Patienten die Glucocorticoide erhalten, z.B. nach einer hämatopoetischen Stammzelltransplantation oder soliden Organtransplantation. Obwohl die Forschung im Bereich der Immunzelle/Pilz Interaktion Schlüsselstrategien entdeckt hat, wie Immunzellen infektiöse Pilze bekämpfen, ist unser Wissen immer noch unvollständig. Um effektive Therapieoptionen gegen Pilzinfektionen zu entwickeln, ist ein detailliertes Verständnis ihrer Interaktionen äußerst wichtig. Die Visualisierung von Immunzelle und Pilz ist daher ein exzellenter Ansatz um weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Für einen detaillierten Einblick in solche Interaktionsprozesse ist eine hohe optische Auflösung im Nanometerbereich erforderlich. Hierzu gibt es eine Vielzahl an hochauflösenden Mikroskopietechniken, die es ermöglichen, Fluoreszenzbildgebung jenseits der Beugungsbegrenzung zu erzielen. Diese Arbeit kombiniert die Nutzung von drei sich ergänzenden hochauflösenden Mikroskopietechniken, um die Interaktion von Immunzelle/Pilz aus verschiedenen Blickwinkeln zu studieren.
Ziel dieser Arbeit ist das Einführen der kürzlich entwickelten Bildgebungsmethode, namens Expansions-Mikroskopie (engl. expansion microscopy, kurz: ExM), um Immunzelle/Pilz Interaktionen zu studieren. Kernaspekt dieser Methode ist die physische Vergrößerung der Probe, wodurch der Abstand zwischen nahe beieinanderliegenden Proteinstrukturen vergrößert wird und diese daher separiert aufgenommen werden können.
Die simultane Vergrößerung von primären humanen Natürlichen Killerzellen (engl. Natural Killer, kurz: NK) und A. fumigatus Hyphen wurde in dieser Arbeit mittels ExM etabliert. Durch Expansion der Immunologischen Synapse (engl. immunological synapse, kurz: IS), ausgebildet zwischen NK Zellen und A. fumigatus, konnte hier die Reorganisation von Bestandteilen des Zytoskeletts interagierender NK Zellen gezeigt werden. Darüber hinaus konnte eine Reorganisation des Mikrotubuli-organisierenden Zentrums (engl. microtubule-organizing center, kurz: MTOC) in Richtung Pilzhyphen, sowie eine Anreicherung von Aktin an der IS beobachtet werden. Außerdem konnte ExM genutzt werden, um lytische Granula von NK Zellen nach Degranulation zu visualisieren. Für das Lysosom-assoziierte Membranprotein 1 (engl. lysosome-associated protein 1, kurz: LAMP1) konnte nach Vergrößerung der Probe gezeigt werden, dass es Perforin umgibt. Unter Abwesenheit des Plasmamembran-exponierten Degranulations-Markers LAMP1 wurde oft eine „ringförmige“ Struktur für fluoreszenzmarkiertes Perforin beobachtet. Die Volumen Berechnung von lytischen Granula demonstrierte den Nutzen der ExM. Im Vergleich zu Analysen von Bildern vor Expansion, zeigten Analysen von Bildern nach Expansion zwei Verteilungen für die Volumengröße degranulierter und nicht-degranulierter NK Zellen. Zusätzlich unterstreicht diese Arbeit die Wichtigkeit, den Expansionsfaktor für eine Struktur aus jeder Spezies zu bestimmen, da Variationen für Expansionsfaktoren beobachtet wurden. Dieser Faktor sollte ebenso wie mögliche Proben-Deformationen in Betracht gezogen werden, wenn ExM genutzt wird, um die Interaktion zwischen zwei Spezies zu analysieren.
Ein zweiter Fokus dieser Arbeit ist die Visualisierung eines chimärischen Antigenrezeptors (engl. chimeric antigen receptor, kurz: CAR), der ein Epitop auf der Zellwand von A. fumigatus erkennt. Strukturierte Beleuchtungs-Mikroskopie (engl. structured illumination microscopy, kurz: SIM) zeigte, dass der CAR Teil der Immunologischen Synapse von primären CAR-T Zellen und CAR-NK-92 Zellen ist. Eine Anreicherung des CARs, an der Interaktionsseite wurde beobachtet, so wie das Vorhandensein von Perforin. Die Anreicherung vom CAR an der Pilz-Hyphe wurde ferner durch automatisierte Lebend-Zell-Bildgebung interagierender CAR-NK-92 Zellen demonstriert, die ein fluoreszierendes Fusionsprotein exprimieren.
Zusätzlich lieferte das Nutzen von direkter stochastischer optischer Rekonstruktions-Mikroskopie (engl. direct stochastic optical reconstruction microscopy, kurz: dSTORM) erste Einblicke in CAR Expressionslevel auf der basalen Membran von CAR-NK-92 Zellen, mit Einzelmolekül Empfindlichkeit. CAR Cluster Analysen zeigten eine heterogene CAR Dichte auf der basalen Membran transfizierter NK-92 Zellen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit erstmals Einblicke in die Anwendung von ExM für die Untersuchung der Interaktion von primären humanen NK Zellen und A. fumigatus liefert. Zudem präsentiert die Thesis erste Einblicke hinsichtlich der Charakterisierung eines A. fumigatus-erkennenden CARs, unter Anwendung von hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie, wie SIM oder dSTORM.
KW  - Mikroskopie
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Aspergillus fumigatus
KW  - Natürliche Killerzelle
KW  - Expansion Microscopy
KW  - Structured Illumination Microscopy
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266407
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TY  - THES
A1  - Meiser, Elisabeth
T1  - Single-molecule dynamics at a bottleneck: a systematic study of the narrow escape problem in a disc
T1  - Einzelmoleküldynamik an einem Engpass: Eine systematische Untersuchung des Narrow Escape Problems in einer Scheibe
N2  - Diffusion facilitates numerous reactions within the biological context of a cell. It is remarkable how the cost-efficient random process of Brownian motion promotes fast reactions. From the narrow escape theory, it is possible to determine the mean first passage time of such processes based on their reaction space and diffusion coefficient. The narrow escape theory of Brownian particles is characterized by a confining domain with reflective boundaries and a small reaction site. In this thesis, the mean first passage time was systematically tested in a disc as a function of the escape opening size in vitro and in silico. For the in vitro experiments, a model system of patterned supported-lipid bilayers (SLB) was established. Such a model is prepared by a combined colloid metalization approach, where a gold scaffold on glass facilitates assembly of SLB patches of distinct sizes through vesicle fusion. The model setup was evaluated and found to match all necessary requirements to test the nar- row escape problem in vitro. In particular, the reflectivity of the boundaries, the unhindered, free diffusion of the tracer lipids, and the distinct area were assessed. Observed results of the mean first passage time agreed with the theory of the narrow escape problem. There was excellent agreement in both absolute values and across a range of small escape opening sizes. Additionally, I developed a straightforward method, a correction factor, to calculate the mean first passage time from incomplete experimental traces. By re-scaling the mean first passage time to the fraction of particles that escaped, I was able to overcome the lifetime limitations of fluorescent probes. Previously inaccessible measurements of the mean first passage time relying on fluorescent probes will be made possible through this approach. The in vitro experiments were complemented with various in silico experiments. The latter were based on random walk simulations in discs, mimicking the in vitro situation with its uncertainties. The lifetime of single particles was either set sufficiently long to allow all particles to escape, or was adjusted to meet the lifetime limitations observed in the in vitro experiments. A comparison of the mean first passage time from lifetime-unlimited particles to the corrected, lifetime-limited particles did support the use of the correction factor. In agreement with the narrow escape theory, it was experimentally found that the mean first passage time is independent of the start point of the particle within the domain. This is when the particle adheres to a minimum distance to the escape site. In general, the presented random walk simulations do accurately represent the in vitro experiments in this study. The required hardware for the establishment of an astigmatism-based 3D system was installed in the existing microscope. The first attempts to analyze the obtained 3D imaging data gave insight into the potential of the method to investigate molecule dynamics in living trypanosome cells. The full functionality will be realized with the ongoing improvement of image analysis outside of this thesis.
N2  - Diffusion erleichtert zahlreiche Reaktionen im biologischen Kontext einer Zelle. Es ist bemerkenswert, wie der kosteneffiziente Zufallsprozess der Brownschen Bewegung schnelle Reaktionen fördert. Mit Hilfe der Narrow Escape Theorie kann die mittlere erste Durchgangszeit (mean first passage time) solcher Prozesse auf der Grundlage ihres Reaktionsraums und des Diffusionskoeffizienten bestimmt werden. Die Narrow Escape Theorie von Brownschen Teilchen wird durch einen begrenzten Bereich mit reflektierenden Grenzen und einen kleinen Reaktionsraum gekennzeichnet. In dieser Arbeit wurde die mittlere erste Durchgangszeit in einer Scheibe systematisch als Funktion der Größe der Fluchtöffnung in vitro und in silico untersucht. Fur die in vitro-Experimente wurde ein Modellsystem aus strukturierten, Glas gestützten Lipiddoppelschichten (SLB) erstellt. Dieses Modell wurde durch einen kombinierten Kolloid-Metallisierungsansatz hergestellt, bei dem eine strukturierte Goldschicht auf Glas die Bildung von SLB-Scheiben unterschiedlicher Größe durch die Vesikelfusion ermöglicht. Es wurde festgestellt, dass das Modell alle Anforderungen erfüllt, um das Narrow escape problem in vitro zu testen. Insbesondere wurde das Reflexionsvermögen der Grenzen, die ungehinderte, freie Diffusion der Lipide und die Präzision der Fläche bewertet. Die beobachteten Ergebnisse der mittleren ersten Durchgangszeit stimmen mit der NEP-Theorie ̈uberein. Es besteht eine hervorragende ̈Ubereinstimmung sowohl bei den absoluten Werten als auch systematisch ̈uber einen Bereich von kleinen Fluchtöffnungsgrößen. Außerdem zeige ich eine einfache Methode, einen Korrekturfaktor, zur Berechnung der mittleren ersten Durchgangszeit aus unvollstandigen Lipid Trajektorien des Experimentes. Indem ich die mittlere erste Durchgangszeit auf den Anteil der entkommenen Par- tikel skalierte, konnte ich die Einschränkungen der Lebensdauer von fluoreszenten Farbstoffen ausgleichen. Mit dieser Technik werden bisher unzugängliche Messungen der mittleren ersten Durchgangszeit auf der Grundlage von fluoreszenten Farbstoffen möglich. In einem umfassenden Ansatz wurden die in vitro-Experimente durch verschiedene in silico-Experimente ergänzt. Letztere basierten auf Random- Walk-Simulationen in Scheiben, die die in vitro-Situation mit ihren Unsicherheiten nachahmten. Die Lebensdauer einzelner Partikel wurde entweder so lang angesetzt, dass alle Partikel entkommen konnten, oder sie wurde so angepasst, dass sie den in den in vitro-Experimenten beobachteten Lebensdauerbeschränkungen entsprach. Ein Vergleich der mittleren ersten Durchgangszeit von unsterblichen Partikeln mit den korrigierten, lebensdauerbegrenzten Partikeln hat die Verwendung des Korrekturfaktors bestätigt. In ̈Ubereinstimmung mit der Narrow Escape Theorie wurde experimentell festgestellt, dass die mittlere erste Durchgangszeit unabhängig vom Startpunkt des Teilchens innerhalb der Domäne ist. Dies ist dann der Fall, wenn das Teilchen einen Mindestabstand zur Austrittsstelle einhält. Im Allgemeinen bilden die vorgestellten Random-Walk-Simulationen die in dieser Studie durchgeführten Experimente genau ab. Die erforderliche Hardware für die Einrichtung eines auf Astigmatismus basierenden 3D-Systems wurde in ein vorhandenes Mikroskop eingebaut. Erste Versuche, die gewonnenen 3D-Bilddaten zu analysieren, gaben einen Einblick in das Potenzial der Methode zur Untersuchung der Moleküldynamik im lebenden Trypanosom. Die volle Funktionalität wird mit der laufenden Verbesserung der Bildanalyse außerhalb dieser Arbeit realisiert werden. Ein Teil der Ergebnisse und Methoden dieser Dissertation wurde zur Veröffentlichung unter dem Titel ’Experiments in micro-patterned model membranes support the narrow escape theory’ eingereicht.
KW  - Freies Molekül
KW  - Kolloid
KW  - Bimolekulare Lipidschicht
KW  - Mikroskopie
KW  - Brownsche Bewegung
KW  - Narrow escape problem
KW  - mean first passage time
KW  - single-molecule localization microscopy
KW  - single particle tracking
KW  - Random-walk simulations
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-319650
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TY  - THES
A1  - Erbacher, Christoph
T1  - Systemic and local mechanisms of small fiber pathology in female patients with fibromyalgia syndrome
T1  - Systemische und lokale Mechanismen der Kleinfaserpathologie bei Patientinnen mit Fibromyalgie Syndrom
N2  - Fibromyalgia syndrome (FMS) is a largely heterogeneous chronic pain syndrome of unclear pathophysiology, which lacks objective diagnostics and specific treatment. An immune-related shift towards a pro-inflammatory profile is discussed at a systemic level. Small fiber pathology (SFP) and local participation of non-neuronal skin cells like keratinocytes in cutaneous nociception are potential peripheral contributors. Small RNAs, particularly microRNAs (miRs) and newly described tRNA fragments (tRFs) act as posttranscriptional key regulators of gene expression and may modulate systemic and peripheral cell pathways. On cellular level, the exact mechanisms of keratinocyte-intraepidermal nerve fiber (IENF) interaction in the skin are insufficiently understood. 
Via small RNA sequencing and quantitative real-time PCR, we investigated miR and tRF signatures in whole blood cells and skin biopsy-derived keratinocytes of female FMS patients versus healthy controls. We applied gene target prediction analysis to uncover underlying cellular pathways affected by dysregulated small RNAs. Altered FMS small RNAs from blood were compared with their expression in disease controls, i.e. Parkinson`s patients and patients with major depression and chronic pain. Association of SFP with small RNAs was investigated via correlation with clinical parameter. To explore keratinocyte-nerve fiber interactions with high relevance for SFP and cutaneous nociception, we adapted a super-resolution array tomography (srAT) approach and expansion microscopy (ExM) for human skin samples. Further, we created a fully human 2D co-culture model of primary keratinocytes and induced pluripotent stem cell derived sensory neurons.
Blood miR deregulation indicated systemic modulation of immune processes exerted by CholinomiRs and by miRs targeting the FoxO signaling pathway. Short sized tRFs were associated with mRNA metabolism and splicing. This supports the hypothesis of an inflammatory/autoimmunity component in FMS. Expression of blood small RNAs in FMS were discriminative against disease controls, highlighting their potential as objective biomarker. Blood small RNAs were predominantly upregulated and correlations between miR and clinical parameter reflected rather pain in general than SFP.
In FMS keratinocytes, a downregulation of miRs and tRFs was evident. Pathways for adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK), adherens junction, and focal adhesion were predicted to be affected by miRs, while tRFs may influence proliferation, migration, and cell growth. Similar to blood miRs, altered miRs in keratinocytes correlated mostly with widespread pain and pain severity parameter. TRFs were partially associated with more severe IENF loss. Small RNAs in FMS keratinocytes may modulate pathways that define how keratinocytes interact with each other and with IENF.
These interactions include nerve fiber ensheathment, a conserved epithelial mechanism, which we visualize in human epidermis and a fully human co-culture model. Additionally, we revealed plaques of connexin 43, a pore forming protein involved in intercellular communication, at keratinocyte- nerve fiber contact sites. Objective quantification of these morphological findings in FMS and other diseases with SFP may inherit diagnostic value similar to IENF density. 
We provide evidence for distinct miR and tRF signatures in FMS with implications for systemic immune regulation and local cell-cell interaction pathways. In the periphery we explored novel keratinocyte-nerve fiber interactions relevant for SFP and cutaneous nociception.
N2  - Das Fibromyalgie Syndrom (FMS) umfasst ein sehr heterogenes chronisches Schmerzsyndrom mit ungeklärter Pathophysiologie, ohne objektive Diagnostik und gezielt wirkende Behandlungsmöglichkeiten. Auf systemischer Ebene wird eine entzündungsfördernde Verschiebung von Immunprozessen diskutiert. In der Peripherie stellen die Kleinfaserpathologie (SFP) und Beteiligungen nicht-neuronaler Hautzellen, beispielsweise Keratinozyten, an kutaner Nozizeption potenziell beitragende Faktoren dar. Kleine RNAs, vor allem microRNAs (miRs) und die kürzlich beschriebenen tRNA Fragmente (tRFs) agieren als posttranskriptionelle Schlüsselregulatoren der Genexpression und könnten daher systemische und periphere Zellprozesse modulieren. Die genauen zellulären Mechanismen bei der Interaktion von Keratinozyten mit intraepidermalen Nervenfasern (IENF) in der Haut sind nur unzureichend verstanden.
Mittels Sequenzierung von kleinen RNAs und quantitativer Real-Time PCR untersuchten wir miR und tRF Signaturen in Vollblutzellen und in durch Hautbiopsie gewonnene Keratinozyten von FMS Patientinnen im Vergleich zu gesunden weiblichen Kontrollen. Um zugrundeliegende Zellprozesswege aufzudecken, die von der Deregulierung kleiner RNAs betroffen sind, verwendeten wir Vorhersageprogramme für regulierte Gene. In FMS verändert vorliegende kleine RNAs im Blut verglichen wir mit ihrer Expression in Krankheitskontrollen, d.h. Parkinson Patientinnen und Patientinnen mit schwerer Depression und chronischem Schmerz. Die Beziehung zwischen SFP und kleinen RNAs wurde mittels der Korrelation mit klinischen Parametern untersucht. Zur Erforschung von Keratinozyten-Nervenfaser Interaktionen, mit großer Relevanz für SFP und kutane Nozizeption, adaptierten wir eine superauflösende Array-Tomographie (srAT) Methodik und Expansionsmikroskopie (ExM) für humane Hautproben. Außerdem entwickelten wir ein rein humanes 2D Ko-Kultur Zellmodell, bestehend aus primären Keratinozyten und sensiblen Neuronen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen generiert wurden. 
MiR Deregulierungen in Blut wiesen auf systemische Modulierung von Immunprozessen hin, ausgeübt durch CholinomiRs und miRs, die auf den FoxO Signalweg einwirken. Die tRFs mit kurzer Fragmentlänge waren mit mRNA Metabolismus und Splicing verknüpft. Diese Ergebnisse unterbauen die Hypothese einer entzündungsfördernden/autoimmunen Komponente in FMS. Die Expression kleiner RNAs aus FMS Blut war unterschiedlich zu Krankheitskontrollen, was ihr Potenzial als objektive Biomarker hervorhebt. Kleine RNAs im Blut waren überwiegend erhöht exprimiert und Korrelation zwischen miRs und klinischen Parametern spiegelten eher Schmerzen im Allgemeinen wider als SFP. 
In Keratinozyten von FMS Patientinnen war eine Herunterregulierung von miRs und tRFs ersichtlich. Der Signalweg der Adenosinmonophosphat aktivierten Proteinkinase (AMPK), sowie Adherens Junction und Fokale Adhäsion waren prognostiziere Prozesse unter Einfluss von miRs. Ähnlich wie bei den Blut miRs, korrelierten veränderte miRs in Keratinozyten vor allem mit der Verbreitung des Schmerzes über den Körper und der Schmerzintensität. TRFs waren teilweise mit einem höheren Verlust an IENF verknüpft. Kleine RNAs in Keratinozyten von FMS Patientinnen könnten jene Prozesse modulieren, die festlegen, wie Keratinozyten miteinander und mit IENF interagieren.	
Diese Interaktionen beinhalten den konservierten Mechanismus der Nervenfaserumhüllung, den wir in humaner Epidermis und einem komplett humanen Ko-Kultur Modell auflösen konnten. Zusätzlich zeigten wir Anhäufungen von Connexin 43, einem an interzellulärer Kommunikation beteiligten porenformenden Protein, an Keratinozyten-Nervenfaser Kontaktstellen. Eine objektive Quantifizierung dieser morphologischen Befunde in FMS und weiteren Erkrankungen mit SFP könnte einen diagnostischen Wert vergleichbar mit dem der IENF Dichte innehaben. 	
Wir liefern Belege für klare miR und tRF Signaturen in FMS mit Bedeutung für systemische Immunregulation und lokale Zell-Zell Interaktionsprozesse. In der Peripherie erkundeten wir neueartige Keratinozyten-Nervenfaser Interaktionen relevant für SFP und kutane Nozizeption.
KW  - Fibromyalgiesyndrom
KW  - Small RNA
KW  - Keratinozyt
KW  - Mikroskopie
KW  - Fibromyalgia syndrome
KW  - small RNA expression
KW  - super-resolution microscopy
KW  - Fibromyalgie
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-290203
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TY  - THES
A1  - Reinhard, Sebastian
T1  - Improving Super-Resolution Microscopy Data Reconstruction and Evaluation by Developing Advanced Processing Algorithms and Artifcial Neuronal Networks
T1  - Verbesserung von Datenrekonstruktion und -auswertung in der Super-Resolution Mikroskopie durch die Entwicklung von fortgeschrittenen Verarbeitungsalgorithmen und künstlichen neuronalen Netzen
N2  - The fusion of methods from several disciplines is a crucial component of scientific development. Artificial Neural Networks, based on the principle of biological neuronal networks, demonstrate how nature provides the best templates for technological advancement. These innovations can then be employed to solve the remaining mysteries of biology, including, in particular, processes that take place on microscopic scales and can only be studied with sophisticated techniques. For instance, direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy combines tools from chemistry, physics, and computer science to visualize biological processes at the molecular level. One of the key components is the computer-aided reconstruction of super-resolved images. Improving the corresponding algorithms increases the quality of the generated data, providing further insights into our biology. It is important, however, to ensure that the heavily processed images are still a reflection of reality and do not originate in random artefacts.
Expansion microscopy is expanding the sample by embedding it in a swellable hydrogel. The method can be combined with other super-resolution techniques to gain additional resolution. We tested this approach on microtubules, a well-known filamentous reference structure, to evaluate the performance of different protocols and labelling techniques.
We developed LineProfiler an objective tool for data collection. Instead of collecting perpendicular profiles in small areas, the software gathers line profiles from filamentous structures of the entire image. This improves data quantity, quality and prevents a biased choice of the evaluated regions. On the basis of the collected data, we deployed theoretical models of the expected intensity distribution across the filaments. This led to the conclusion that post-expansion labelling significantly reduces the labelling error and thus, improves the data quality. The software was further used to determine the expansion factor and arrangement of synaptonemal complex data.
Automated Simple Elastix uses state-of-the-art image alignment to compare pre- and post-expansion images. It corrects linear distortions occurring under isotropic expansion, calculates a structural expansion factor and highlights structural mismatches in a distortion map. We used the software to evaluate expanded fungi and NK cells. We found that the expansion factor differs for the two structures and is lower than the overall expansion of the hydrogel.
Assessing the fluorescence lifetime of emitters used for direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy can reveal additional information about the molecular environment or distinguish dyes emitting with a similar wavelength. The corresponding measurements require a confocal scanning of the sample in combination with the fluorescent switching of the underlying emitters. This leads to non-linear, interrupted Point Spread Functions. The software ReCSAI targets this problem by combining the classical algorithm of compressed sensing with modern methods of artificial intelligence. We evaluated several different approaches to combine these components and found, that unrolling compressed sensing into the network architecture yields the best performance in terms of reconstruction speed and accuracy.  
In addition to a deep insight into the functioning and learning of artificial intelligence in combination with classical algorithms, we were able to reconstruct the described non-linearities with significantly improved resolution, in comparison to other state-of-the-art architectures.
N2  - Für die Weiterentwicklung der Wissenschaft wird es immer wichtiger, Methoden aus verschiedenen Gebieten zu kombinieren. Die künstliche Intelligenz beruht beispielsweise auf dem Prinzip biologischer neuronaler Netze. Hier wird die Natur als Vorlage für unsere technische Entwicklung genutzt. Diese Innovationen können dazu eingesetzt werden, die verbliebenen Rätsel der Biologie zu lösen. Dazu gehören insbesondere Prozesse, die sich auf mikroskopischer Ebene abspielen und nur mit hochentwickelten Techniken untersucht werden können. Die direkte Stochastisch Optische Rekonstruktionsmikroskopie kombiniert Methoden der Chemie, Physik und Informatik, um biologische Prozesse auf molekularer Ebene sichtbar zu machen. Eine der Schlüsselkomponenten ist die computergestützte Rekonstruktion von hochaufgelösten Bildern. Die Verbesserung der zugrunde liegenden Algorithmen erhöht die Qualität der erzeugten Daten und ermöglicht weitere Einblicke in unsere Biologie. Es muss jedoch sichergestellt
werden, dass die künstlich erstellten Bilder immer noch ein Abbild der Realität sind und nicht auf zufälligen Artefakten beruhen.
Expansionsmikroskopie vergrößert die Probe durch Einbettung in ein Hydrogel. Die Methode kann mit anderen hochauflösenden Techniken kombiniert werden, um die Auflösung noch weiter zu verbessern. Dieser Ansatz wurde an Mikrotubuli, einer bekannten flamentösen Referenzstruktur, verwendet, um verschiedene Protokolle und 
Markierungstechniken zu testen. Mit LineProfiler wurde ein objektives Werkzeug zur Datenerfassung entwickelt. Anstatt Linienprofle in kleinen Bereichen zu erfassen, wertet die Software das gesamte Bild aus. Dies verbessert die Datenmenge und Datenqualität und verhindert eine voreingenommene Auswahl der ausgewerteten Regionen. Auf Grundlage der gesammelten Daten wurden theoretische Modelle für die erwartete Intensitätsverteilung über die Filamente erstellt. Daraus konnte geschlossen werden, dass die Markierung nach der Expansion den Markierungsfehler erheblich reduziert und somit die Qualität der Daten
verbessert. Die Software wurde außerdem zur Bestimmung des Expansionsfaktors und der Anordnung der Daten des synaptonemalen Komplexes verwendet. Automated Simple Elastix verwendet modernste Bildregistrierung, um Bilder vor und nach der Expansion zu vergleichen. Lineare Verzerrungen, die bei isotroper Expansion auftreten, werden korrigiert. Der strukturelle Expansionsfaktor wird berechnet und strukturelle Unstimmigkeiten werden in einer Verzerrungskarte hervorgehoben. Die Software wurde zur Bewertung expandierter Pilze und NK-Zellen eingesetzt. Dabei wurde festgestellt, dass der Expansionsfaktor für die beiden Strukturen unterschiedlich
ist und unter der Gesamtexpansion des Hydrogels liegt.
Die Auswertung der Fluoreszenzlebensdauer von Emittern, die für die direkte Stochastische Optische Rekonstruktionsmikroskopie eingesetzt werden, kann zusätzliche Informationen über die molekulare Umgebung liefern oder Farbstoffe unterscheiden, die VI eine ähnliche Lichtwellenlänge emittieren. Die entsprechenden Messungen erfordern
eine konfokale Abtastung der Probe in Kombination mit dem fluoreszenten  Schalten der zugrunde liegenden Emitter. Dies führt zu nichtlinearen, unterbrochenen Punktspreizfunktionen. Die Software ReCSAI löst dieses Problem, indem sie den klassischen Algorithmus des Compressed Sensing mit modernen Methoden der künstlichen Intelligenz kombiniert. Es wurden verschiedene Ansätze zur Kombination der Komponenten ausgewertet und festgestellt, dass die Integration von Compressed Sensing in die Netzwerkarchitektur die beste Performance in Bezug auf Rekonstruktionsgeschwindigkeit und -genauigkeit bringt. Neben einem tiefen Einblick in die Funktionsweise und das Lernen von künstlicher Intelligenz in Kombination mit klassischen Algorithmen konnten die beschriebenen Nichtlinearitäten mit einer deutlich verbesserten Auflösung im Vergleich zu anderen modernen Architekturen rekonstruiert werden.
KW  - Mikroskopie
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - Datenanalyse
KW  - Bildverarbeitung
KW  - Compressed Sensing
KW  - Lifetime Imaging
KW  - dSTORM
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-316959
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aigner, Max
T1  - Establishing successful protocols and imaging pipelines for Expansion Microscopy in murine blood platelets
T1  - Etablierung erfolgreicher Protokolle zur Probenpräparation und Bildgebung für die ‚Expansion Microscopy‘ in murinen Thrombozyten
N2  - Platelets play an important role in the body, since they are part of the hemostasis
system, preventing and stopping blood loss. Nevertheless, when platelet or
coagulation system function are impaired, uncontrolled bleedings but also irreversible
vessel occlusion followed by ischemic tissue damage can occur. Therefore,
understanding platelet function and activation, mechanisms which are controlled by a
variety of platelet membrane receptors and other factors is important to advance out
knowledge of hemostasis and platelet malfunction. For a complete picture of platelet
function and their modulating behavior it is desired to be able to quantify receptor
distributions and interactions of these densely packed molecular ensembles in the
membrane. This challenges scientists for several reasons. Most importantly, platelets
are microscopically small objects, challenging the spatial resolution of conventional
light microscopy. Moreover, platelet receptors are highly abundant on the membrane
so even super-resolution microscopy struggles with quantitative receptor imaging on
platelets.
With Expansion microscopy (ExM), a new super-resolution technique was introduced,
allowing resolutions to achieve super-resolution without using a super-resolution
microscope, but by combining a conventional confocal microscopy with a highly
processed sample that has been expanded physically. In this doctoral thesis, I
evaluated the potential of this technique for super-resolution platelet imaging by
optimizing the sample preparation process and establishing an imaging and image
processing pipeline for dual-color 3D images of different membrane receptors. The
analysis of receptor colocalization using ExM demonstrated a clear superiority
compared to conventional microscopy. Furthermore, I identified a library of
fluorescently labeled antibodies against different platelet receptors compatible with
ExM and showed the possibility of staining membrane receptors and parts of the
cytoskeleton at the same time.
N2  - Thrombozyten spielen eine wichtige Rolle im Körper, denn als Teil des
Gerinnungssystems, sind sie daran beteiligt Blutverlust vorzubeugen und zu stoppen.
Gleichwohl können sie bei Störungen des Gerinnungssystems zu unkontrollierbaren
Blutungen und auch durch Aggregation zu kardiovaskulären Ereignissen, wie
Herzinfarkt und Schlaganfällen führen. Für ein besseres Verständnis von Hämostase
und Gerinnungsstörungen ist es deshalb nötig die Funktion und Aktivierung von
Thrombozyten zu verstehen, welche durch eine Vielzahl von Membranrezeptoren und
anderen Faktoren gesteuert wird. Eine Methode, um weitere Einblicke in diese
Prozesse zu bekommen ist die mikroskopische Darstellung von Rezeptorverteilungen
auf der Zellmembran und deren Interaktionen. Dies zu realisieren ist aus
verschiedenen Gründen anspruchsvoll. Der mikroskopisch kleine Durchmesser der
Thrombozyten macht es konventioneller Lichtmikroskopie schwer, einzelne
Rezeptoren auf der Membran darzustellen. Außerdem befinden sich sehr viele
Rezeptoren dicht gepackt auf der Membran, sodass sogar superhochauflösende
Mikroskope Schwierigkeiten haben, die Rezeptoren quantitativ zu beurteilen.
Mit ‚Expansion microscopy‘ (ExM) wurde eine relativ junge superhochaufösende
Technik auf Thrombozyten angewendet. Diese Technik erreicht Auflösungen
vergleichbar mit sogenannten ‚super-resolution‘ Mikroskopen, ohne die Benutzung
selbiger, sondern durch die Kombination von konfokaler Mikroskopie mit einer
physikalisch expandierten Probe. In dieser Arbeit evaluierte ich das Potential dieser
Technik für superhochauflösende Bilder von Thrombozytenrezeptoren und optimierte
die Probenvorbereitung, sodass zweifarbige 3D Bilder von verschiedenen
Membranrezeptoren möglich waren. Die Ergebnisse der Kolokationsanalyse zeigten
einen deutlich vergrößerten Dynamikumfang durch ExM. Außerdem katalogisierte ich
fluoreszenzmarkierte Antikörper gegen verschiedene Thrombozyten Rezeptoren
bezüglich ihrer Tauglichkeit mit ExM und zeigte, dass es möglich ist
Membranrezeptoren und Bestandteile des Zytoskeletts gleichzeitig zu färben.
KW  - Expansion Microscopy
KW  - platelets
KW  - Mikroskopie
KW  - Microscopy
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-309003
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niehörster, Thomas
T1  - Spektral aufgelöste Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie mit vielen Farben
T1  - Spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy with many colours
N2  - Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine vielseitig einsetzbare Untersuchungsmethode für biologische Proben, bei der Biomoleküle selektiv mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden, um sie dann mit sehr gutem Kontrast abzubilden. Dies ist auch mit mehreren verschiedenartigen Zielmolekülen gleichzeitig möglich, wobei üblicherweise verschiedene Farbstoffe eingesetzt werden, die über ihre Spektren unterschieden werden können.

Um die Anzahl gleichzeitig verwendbarer Färbungen zu maximieren, wird in dieser Arbeit zusätzlich zur spektralen Information auch das zeitliche Abklingverhalten der Fluoreszenzfarbstoffe mittels spektral aufgelöster Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy, sFLIM) vermessen. Dazu wird die Probe in einem Konfokalmikroskop von drei abwechselnd gepulsten Lasern mit Wellenlängen von 485 nm, 532nm und 640nm angeregt. Die Detektion des Fluoreszenzlichtes erfolgt mit einer hohen spektralen Auflösung von 32 Kanälen und gleichzeitig mit sehr hoher zeitlicher Auflösung von einigen Picosekunden. Damit wird zu jedem detektierten Fluoreszenzphoton der Anregungslaser, der spektrale Kanal und die Ankunftszeit registriert. Diese detaillierte multidimensionale Information wird von einem Pattern-Matching-Algorithmus ausgewertet, der das Fluoreszenzsignal mit zuvor erstellten Referenzpattern der einzelnen Farbstoffe vergleicht. Der Algorithmus bestimmt so für jedes Pixel die Beiträge der einzelnen Farbstoffe.

Mit dieser Technik konnten pro Anregungslaser fünf verschiedene Färbungen gleichzeitig dargestellt werden, also theoretisch insgesamt 15 Färbungen. In der Praxis konnten mit allen drei Lasern zusammen insgesamt neun Färbungen abgebildet werden, wobei die Anzahl der Farben vor allem durch die anspruchsvolle Probenvorbereitung limitiert war. In anderen Versuchen konnte die sehr hohe Sensitivität des sFLIM-Systems genutzt werden, um verschiedene Zielmoleküle voneinander zu unterscheiden, obwohl sie alle mit demselben Farbstoff markiert waren. Dies war möglich, weil sich die Fluoreszenzeigenschaften eines Farbstoffmoleküls geringfügig in Abhängigkeit von seiner Umgebung ändern. Weiterhin konnte die sFLIM-Technik mit der hochauflösenden STED-Mikroskopie (STED: stimulated emission depletion) kombiniert werden, um so hochaufgelöste zweifarbige Bilder zu erzeugen, wobei nur ein einziger gemeinsamer STED-Laser benötigt wurde.

Die gleichzeitige Erfassung von mehreren photophysikalischen Messgrößen sowie deren Auswertung durch den Pattern-Matching-Algorithmus ermöglichten somit die Entwicklung von neuen Methoden der Fluoreszenzmikroskopie für Mehrfachfärbungen.
N2  - Fluorescence microscopy is an important and near-universal technique to examine biological samples. Typically, biomolecules are selectively labelled with fluorophores and then imaged with high contrast. This can be done for several target molecules simultaneously, using different fluorophores that are usually distinguished by their spectra.

This thesis describes a method to maximize the number of simultaneous stainings. Not only the spectral information but also the temporal information of the fluorescence decay is exploited by means of spectrally resolved fluorescence lifetime imaging microscopy (sFLIM). Using a confocal laser scanning microscope, the sample is excited by three alternatingly pulsed lasers at 485 nm, 532 nm, and 640 nm. Fluorescence light is detected on 32 spectrally separated detection channels with high time resolution of a few picoseconds. Thus, in this setup, we record the excitation laser, the spectral channel, and the time of arrival for each fluorescence photon. This detailed multi-dimensional information is then processed by a pattern-matching algorithm that compares the fluorescence signal with reference patterns of the used fluorophores to determine the contribution of each fluorophore in each pixel.

Using this technique we imaged five different stainings per excitation laser, implying that 15 simultaneous stainings should theoretically be achievable. Current constraints in the sample preparation procedure limited the number of simultaneous stainings to nine. In additional experiments, we exploited the sensitivity of the sFLIM system to image several different target molecules simultaneously with the same fluorophore, taking advantage of slight changes in the fluorescence behaviour of the fluorophore due to environmental changes. We also combined sFLIM with stimulated emission depletion (STED) to perform super-resolution multi-target imaging with two stainings that operated with one common STED laser.

Thus, the simultaneous exploitation of several photophysical parameters, in combination with algorythmic evaluation, allowed us to devise novel modes of multi-target imaging in fluorescence microscopy.
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie
KW  - Konfokale Mikroskopie
KW  - STED-Mikroskopie
KW  - Fluoreszenz
KW  - Mustervergleich
KW  - Pattern Matching
KW  - sFLIM
KW  - TCSPC
KW  - Mikroskopie
KW  - Microscopy
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296573
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wäldchen, Sina
T1  - Super-Resolution-Mikroskopie zur Visualisierung und Quantifizierung von Glutamatrezeptoren und ADHS-assoziierten Proteinen
T1  - Super-resolution microscopy for visualization and quantification of Glutamate receptors and ADHD-associated proteins
N2  - Die Entwicklung hochauflösender Fluoreszenzmikroskopiemethoden hat die Lichtmikroskopie revolutioniert. Einerseits ermöglicht die höhere erzielte räumliche Auflösung die Abbildung von Strukturen, die deutlich unterhalb der beugungsbedingten Auflösungsgrenze liegen. Andererseits erhält man durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopiemethoden
wie dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) Informationen, welche man für quantitative Analysen heranziehen kann. Aufgrund der sich dadurch bietenden neuen Möglichkeiten, hat sich die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie rasant entwickelt und kommt mittlerweile zur Untersuchung einer Vielzahl biologischer und medizinischer Fragestellungen zum Einsatz. Trotz dieses Erfolgs ist jedoch nicht zu verleugnen, dass auch diese neuen Methoden ihre Nachteile haben. Dazu zählt die Notwendigkeit relativ hoher Laserleistungen, welche Voraussetzung für hohe Auflösung ist und bei lebenden Proben zur Photoschädigung führen kann.
Diese Arbeit widmet sich sowohl dem Thema der Photoschädigung durch Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie,
als auch der Anwendung von dSTORM und SIM (Structured Illumination Microscopy) zur Untersuchung neurobiologischer Fragestellungen auf Proteinebene.
Zur Ermittlung der Photoschädigung wurden lebende Zellen unter typischen Bedingungen bestrahlt und anschließend für 20−24 h beobachtet. Als quantitatives Maß für den Grad der Photoschädigung wurde der Anteil sterbender Zellen bestimmt. Neben der zu erwartenden Intensitäts- und Wellenlängenabhängigkeit, zeigte sich, dass die Schwere der Photoschädigung auch von vielen weiteren Faktoren abhängt und dass sich Einzelmoleküllokalisationsmikroskopie bei Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse durchaus mit Lebendzellexperimenten vereinbaren lässt.
Ein weiteres Projekt diente der Untersuchung der A- und B-Typ-Glutamatrezeptoren an der neuromuskulären Synapse von Drosophila melanogaster mittels dSTORM. Dabei konnte eine veränderte Anordnung beider Rezeptortypen infolge synaptischer Plastizität beobachtet, sowie eine absolute Quantifizierung des A-Typ-Rezeptors durchgeführt werden.
Im Mittelpunkt eines dritten Projekts standen Cadherin-13 (CDH13) sowie der Glucosetransporter Typ 3 (GluT3), welche beide mit der Aufmerksamkeitsdefizit-Hyperaktivitätsstörung in Verbindung gebracht werden. CDH13 konnte mittels SIM in serotonergen Neuronen, sowie radiären Gliazellen der dorsalen Raphekerne des embryonalen Mausgehirns nachgewiesen werden. Die Rolle von GluT3 wurde in aus induzierten pluripotenten Stammzellen differenzierten Neuronen analysiert, welche verschiedene Kopienzahlvariation des für GluT3-codierenden SLC2A3-Gens aufwiesen. Die Proteine GluT3, Bassoon und Homer wurden mittels dSTORM relativ quantifiziert. Während die Deletion des Gens zu einer erwartenden Verminderung von GluT3 auf Proteinebene führte, hatte die Duplikation keinen Effekt auf die GluT3-Menge. Für Bassoon und Homer zeigte sich weder durch die Deletion noch die Duplikation eine signifikante  Veränderung.
N2  - The emergence of super-resolution microscopy techniques caused a revolution of light microscopy. On the one hand, the higher achieved structural resolution allows for the visualization of structures below the diffraction limit. On the other hand, single molecule localization microscopy methods like dSTORM (Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) provide information that can be used for quantitative analysis. The new possibilities, offered by these approaches, lead to rapid development of the same and by now they are applied to investigate a broad range of biological and medical questions. Besides this success, it can’t be denied, that these methods also have some disadvantages like the necessity of relative high laser intensities that are needed for the high resolution and might cause photodamage in living samples.

This work deals with the issue of photodamage induced by single molecule localization microscopy methods as well as the examination of neurobiological problems on protein level by the usage of dSTORM and SIM (Structured Illumination Microscopy). To identify photodamage, living cells were irradiated at typical conditions and were observed for 20−24 h afterwards. As a quantitative measure for the severity
of photodamage, the fraction of dying cells was determined. Besides the expected dependency on intensity and wavelength, a lot of other factors showed to affect the severity. It could be demonstrated that single molecule localization microscopy can be combined with live-cell imaging if one takes those results into account. 

Another project aimed for the investigation of A- and B-type Glutamate receptors at the neuromuscular junction of Drosophila melanogaster via dSTORM. Thus, an altered arrangement of both receptor types could be observed and A-type receptors could be quantified absolutely.

A third project focused on cadherin-13 (CDH13) and glucose transporter 3 (GluT3), which are connected with attention deficit hyperactivity disorder. CDH13 could be detected in serotonergic neurons and radial glial cells of dorsal raphe in embryonic mouse brains using SIM. The role of GluT3 was analyzed in neurons, differentiated from induced pluripotent stem cells, which possessed different copy-number variations of the gene SLC2A3, which codes for GluT3. Proteins GluT3, Bassoon and Homer were quantified relatively using dSTORM. While the deletion of the gene resulted in an expected decrease of GluT3 at the protein level, the duplication didn’t affect
the amount of GluT3. In the case of Homer and Bassoon, neither the deletion, nor the duplication caused any significant changes.
KW  - Mikroskopie
KW  - Einzelmolekülmikroskopie
KW  - Quantitative Mikroskopie
KW  - Glutamatrezeptor
KW  - Aufmerksamkeitsdefizit-Syndrom
KW  - dSTORM
KW  - Photoschädigung
KW  - Neuromuskuläre Synapse
KW  - Glucosetransporter Typ3
KW  - Cadherin-13
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192834
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kaiser, Lena Franziska
T1  - Wirkmechanismus von Sphingolipiden und Sphingosin gegen mikrobielle Erreger
T1  - Mechanism of the bactericidal effect of sphingolipids and sphingosine against microbial pathogens
N2  - Die zunehmende Antibiotikaresistenz vieler Krankheitserreger ist ein weltweites Problem, welches zu einem klinischen Bedarf an neuen antimikrobiellen Substanzen führt. Sphingolipide einschließlich Ceramide stellen eine vielfältige Gruppe strukturverwandter Lipide dar und bestehen aus einem Sphingosin-Grundgerüst, welches mit einer Fettsäure verbunden ist. Sowohl das Sphingosin-Grundgerüst allein als auch Sphingolipide zeigen eine antibakterielle Wirkung gegenüber einer Vielzahl pathogener Mikroorganismen. Die Intensität der Hemmung hängt von der Sphingolipidstruktur und dem Mikroorganismus ab. Neuere Studien konnten zeigen, dass Sphingosin, Ceramide und Ceramid-Analoga in N. meningitidis aufgenommen werden und eine bakteriostatische oder bakterizide Wirkung zeigen. Jedoch ist die antibakterielle Wirkungsweise noch nicht genau bekannt. Um mehr über den Wirkmechanismus zu erfahren haben wir die ultrastrukturellen Veränderungen von N. meningitidis nach Inkubation mit azido-funktionalisierten Sphingolipiden mit elektronenmikroskopischen Verfahren (transmissionselektronenmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen) untersucht. Mittels korrelativer Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) konnten wir die azido-funktionalisierten Sphingolipide nach Aufnahme in N. meningitidis lokalisieren. Zum Anfärben der funktionalisierten Sphingolipide wurde die kupferfreie Azid-Alkin-Cyccloaddition verwendet.
N2  - The increasing antibiotic resistance of many pathogens is a worldwide problem that leads to a clinical need of new anti-microbial compounds. Sphingolipids, including ceramides, represent a diverse group of structurally related lipids and are composed of a sphingosine backbone coupled to a fatty acid. Solely the sphingosine backbone as well as the sphingolipids show antibacterial activity against a wide range of pathogenic microorganisms. The rate of inhibition depends on the sphingolipid structure and the microbial strain. Recent studies revealed the uptake of sphingosine, ceramides and ceramide analogues by N. meningitidis and a bacteriostatic or bactericidal effect. However, the mechanism of the bactericidal effect is still unknown. To elucidate the antibacterial mechanism, we studied the ultrastructural changes after incubation of N. meningitidis with azido-modified sphingolipids by using electron microscopy techniques (transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). Due to correlative light-electron microscopy (CLEM) we were able to localize the azido-modified sphingolipids after incorporation in N. meningitidis. Copper-free azide-alkyne cycloaddition was used to stain the azido-modified sphingolipids.
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Sphingolipide
KW  - Sphingosin
KW  - Antimikrobieller Wirkstoff
KW  - Mikroskopie
KW  - sphingolipids
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218970
ER  - 
TY  - THES
A1  - Götz, Ralph
T1  - Super-resolution microscopy of plasma membrane receptors and intracellular pathogens
T1  - Hochauflösende Mikroskopie von Plasmamembran Rezeptoren und intrazellulären Pathogenen
N2  - Humans tend to believe in what they can see with their own eyes. Hence, visualization methods like microscopy have always been extremely popular since their invention in the 17th century. With the advent of super-resolution microscopy, the diffraction limit of ~200 - 250 nm could be overcome to enable more detailed insights into biological samples. Especially the single molecule localization microscopy method dSTORM offers the possibility of quantitative bioimaging. Hereby, the repetitive photoswitching of organic dyes in the presence of thiols is exploited to enable a lateral resolution of 20 nm. Another, recently introduced super-resolution method is expansion microscopy (ExM) which physically expands the sample to increase the resolution by the expansion factor from four to even twenty. To enable this, the sample is embedded into a hydrogel, homogenized using an unspecific proteinase and expanded in distilled water. Within this thesis, both methods were used to shed light on plasma membrane receptor distributions and different bacterial and fungal pathogens. In the first part of this thesis dSTORM was used to elucidate the “Receptome”, the entirety of all membrane receptors, of the cell line Jurkat T-cells and primary T-cells. Within this project we could successfully visualize and quantify the distribution of the plasma membrane receptors CD2, CD3, CD4, CD5, CD7, CD11a, CD20, CD28, CD45, CD69 and CD105 with receptor densities ranging from 0.8 cluster/µm² in case of CD20 and 81.4 cluster/µm² for the highly abundant CD45 in activated primary T-cells at the basal membrane. Hereby, we could also demonstrate a homogeneous distribution of most receptors, while only few were clustered. In the case of CD3-clusters were detected in Jurkat T-cells and in primary activated T-cells, but not in naïve ones, demonstrating the activation of this receptor. This was followed by the application of dSTORM to three different clinical projects involving the receptors CD38, BCMA and CD20 which are immunotherapeutic targets by monoclonal antibodies and CAR T-cells. In the first two projects dSTORM was applied to determine the receptor upregulation upon exposure of various drugs to MM1.S cells or primary multiple myeloma patient cells. This increase in membrane receptor expression can subsequently enhance the efficacy of therapies directed against these receptors. Within the CD20-project, the superior sensitivity of dSTORM compared to flow cytometry could be demonstrated. Hereby, a substantially higher fraction of CD20-positive patient cells was detected by dSTORM than by flow cytometry. In addition, we could show that by dSTORM CD20-positive evaluated cells were eradicated by immunotherapeutic CAR T-cell treatment. These studies were followed by whole cell super-resolution imaging using both LLS-3D dSTORM and 10x ExM to exclude any artifacts caused by interactions with the glass surface. In 10x ExM signal amplification via biotinylated primary antibodies and streptavidin ATTO 643 was essential to detect even single antibodies directed against the heterodimer CD11a with standard confocal microscopes. Albeit probably not quantitative due to the process of gelation, digestion and expansion during the ExM protocol, even some putative dimers of the receptor CD2 could be visualized using 10x ExM-SIM, similar to dSTORM experiments. Within the second part of this thesis, expansion microscopy was established in bacterial and fungal pathogens. ExM enabled not only an isotropic fourfold expansion of Chlamydia trachomatis, but also allowed the discrimination between the two developmental forms by the chlamydial size after expansion into reticulate and elementary bodies. Hereafter, a new α-NH2-ω-N3-C6-ceramide was introduced enabling an efficient fixation and for the first time the use of lipids in both, 4x and 10x ExM, termed sphingolipid ExM. This compound was used to investigate the ceramide uptake and incorporation into the cell membrane of Chlamydia trachomatis and Simkania negevensis. For Chlamydia trachomatis the combined resolution power of 10x ExM and SIM even allowed the visualization of both bacterial membranes within a distance of ~30 nm. Finally, ExM was applied to the three different fungi Ustilago maydis, Fusarium oxysporum and Aspergillus fumigatus after enzymatic removal of the fungal cell wall. In case of Ustilago maydis sporidia this digestion could be applied to both, living cells resulting in protoplasts and to fixed cells, preserving the fungal morphology. This new protocol could be demonstrated for immunostainings and fluorescent proteins of the three different fungi.
N2  - Menschen neigen schon immer dazu, vor allem das zu glauben, was sie mit eigenen Augen sehen können, weswegen mikroskopische Methoden seit ihrer Erfindung im 17. Jahrhundert schon immer sehr beliebt waren. Mit der Einführung der hochauflösenden Mikroskopie konnte das Auflösungslimit von ~200 - 250 nm durchbrochen werden, was genauere Einblicke in biologische Proben ermöglichte. Insbesondere die Einzelmolekül-Lokalisations-Mikroskopie Methode dSTORM bietet hierbei die Möglichkeit der quantitativen Bildgebung. Sie nutzt das wiederholte Schalten organischer Farbstoffe in Anwesenheit von Thiolen, was eine Auflösung von bis zu 20 nm möglich macht. Eine weitere kürzlich entwickelte hochauflösende Mikroskopiemethode ist die Expansionsmikroskopie (ExM), in welcher die Probe isotrop vier- bis sogar zwanzigfach vergrößert wird, womit sich auch die Auflösung um diesen Faktor vergrößert. Um dies zu ermöglichen, wird die Probe in ein Hydrogel eingebettet, mittels einer unspezifischen Proteinase homogenisiert und in destilliertem Wasser expandiert. Innerhalb dieser Arbeit wurden beide Methoden genutzt, um sowohl die Verteilung von Plasmamembran Rezeptoren als auch unterschiedliche bakterielle und pilzliche Pathogene zu beleuchten Im ersten Teil dieser Arbeit wurde dSTORM genutzt, um das „Rezeptom“, die Gesamtheit aller Membranrezeptoren, sowohl von Jurkat T-Zellen als auch von primären Patientenzellen zu entschlüsseln. In dieser Arbeit konnten die Rezeptoren CD2, CD3, CD4, CD5, CD7, CD11a, CD20, CD28, CD45, CD69 und CD105 erfolgreich visualisiert und quantifiziert werden, welche Dichten von 0,8 Cluster pro µm² im Falle von CD20 und 81,4 Cluster pro µm² für den stark exprimierten Rezeptor CD45 in aktivierten primären T-Zellen auf der basalen Membran aufwiesen. Hierbei konnten wir für einen Großteil der Rezeptoren eine homogene Verteilung nachweisen, wohingegen nur wenige andere Rezeptoren Cluster zeigten. Für CD3 konnten sowohl in Jurkat T-Zellen als auch in aktivierten primären Zellen Cluster detektiert werden, was auf deren Aktivierung hinweist, wohingegen CD3 in naiven Zellen homogen verteilt war. Im Weiteren wurde dSTORM im Rahmen von drei klinischen Fragestellungen angewandt, in welche die Rezeptoren CD38, BCMA und CD20 involviert waren, die in Immuntherapien mit monoklonalen Antikörpern oder auch CAR T-Zellen adressiert werden. In den beiden erstgenannten Projekten wurde dSTORM genutzt, um die Erhöhung der Rezeptoren-Expression nach Zugabe verschiedener Medikamente sowohl in der Zelllinie MM1.S als auch in primären Zellen von Patienten mit multiplen Myelomen zu bestimmen. Durch das CD20-Projekt hingegen wurde die überlegene Sensitivität von dSTORM gegenüber der Durchflusszytometrie unter Beweis gestellt. Hier konnte verglichen mit der Durchflusszytometrie eine deutlich höhere CD20-positive Fraktion in Patientenzellen detektiert werden, welche nach Behandlung mit CD20 CAR T-Zellen eliminiert wurde. Hierauf folgte hochauflösende Bildgebung ganzer Zellen sowohl mit LLS-3D dSTORM als auch 10x ExM, um Interaktionen mit der Glasoberfläche ausschließen zu können. Bei 10x ExM wurde eine Signalamplifikation mittels Biotin und Streptavidin ATTO 643 benötigt, wonach sogar einzelne Antikörper, welche gegen den Heterodimer CD11a gerichtet waren, an einem herkömmlichen konfokalen Mikroskop detektiert werden konnten. Obwohl dies aufgrund der Prozesse von Gelierung, Verdau und Expansion während des ExM-Protokolls vermutlich nicht quantitativ ist, konnten sogar mutmaßliche Dimere des Rezeptors CD2 mit 10x ExM-SIM visualisiert werden, welche ähnlich in dSTORM Experimenten auftraten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Expansionsmikroskopie für bakterielle und pilzliche Pathogene eingesetzt. ExM ermöglichte nicht nur eine isotrope vierfache Expansion von Chlamydia trachomatis, sondern auch die Unterscheidung der beiden Entwicklungsformen, der Retikulär- und Elementarkörperchen, aufgrund der Größe der einzelnen Chlamydien. Anschließend wurde ein neues α-NH2-ω-N3-C6-Ceramid eingeführt, was eine effiziente Fixierung und zum ersten Mal die Nutzung von Lipiden in 4x und 10x ExM ermöglichte, was wir Sphingolipid ExM nannten. Diese Verbindung wurde genutzt, um die Ceramid-Aufnahme und den -Einbau in die Zellmembran von Chlamydia trachomatis und Simkania negevensis zu untersuchen. Im Falle von Chlamydia trachomatis wurde die hohe Auflösung von 10x ExM mit SIM kombiniert, was die Visualisierung beider bakterieller Membranen in einem Abstand von ~30 nm ermöglichte. Hiernach wurde ExM bei den drei unterschiedlichen Pilzen Ustilago maydis, Fusarium oxysporum und Aspergillus fumigatus nach enzymatischen Verdau der pilzlichen Zellwand angewandt. Im Falle von Ustilago maydis Sporidien konnte der Verdau sowohl an lebenden Zellen, was in Protoplasten resultierte, als auch an fixierten Zellen verwendet werden, was die Morphologie erhielt. Mittels dieses neuen Protokolls konnten sowohl Immunfärbungen als auch fluoreszierende Proteine der drei genannten Pilze expandiert werden.
KW  - Mikroskopie
KW  - Microscopy
KW  - Super-resolution microscopy
KW  - Hochauflösende Mikroskopie
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207165
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwedhelm, Ivo Peter
T1  - A non-invasive microscopy platform for the online monitoring of hiPSC aggregation in suspension cultures in small-scale stirred tank bioreactors
T1  - Entwicklung und Etablierung einer Mikroskopieplattform zur zerstörungsfreien Messung der Aggregierung von hiPSCs in kleinmaßstäbigen Bioreaktor-Suspensionskulturen
N2  - The culture of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) at large-scale becomes feasible with the aid of scalable suspension setups in continuously stirred tank reactors (CSTRs). Suspension cul- tures of hiPSCs are characterized by the self-aggregation of single cells into macroscopic cell aggre- gates that increase in size over time. The development of these free-floating aggregates is dependent on the culture vessel and thus represents a novel process parameter that is of particular interest for hiPSC suspension culture scaling. Further, aggregates surpassing a critical size are prone to spon- taneous differentiation or cell viability loss. In this regard, and, for the first time, a hiPSC-specific suspension culture unit was developed that utilizes in situ microscope imaging to monitor and to characterize hiPSC aggregation in one specific CSTR setup to a statistically significant degree while omitting the need for error-prone and time-intensive sampling. For this purpose, a small-scale CSTR system was designed and fabricated by fused deposition modeling (FDM) using an in-house 3D- printer. To provide a suitable cell culture environment for the CSTR system and in situ microscope, a custom-built incubator was constructed to accommodate all culture vessels and process control devices. Prior to manufacture, the CSTR design was characterized in silico for standard engineering parameters such as the specific power input, mixing time, and shear stress using computational fluid dynamics (CFD) simulations. The established computational model was successfully validated by comparing CFD-derived mixing time data to manual measurements. Proof for system functionality was provided in the context of long-term expansion (4 passages) of hiPSCs. Thereby, hiPSC aggregate size development was successfully tracked by in situ imaging of CSTR suspensions and subsequent automated image processing. Further, the suitability of the developed hiPSC culture unit was proven by demonstrating the preservation of CSTR-cultured hiPSC pluripotency on RNA level by qRT-PCR and PluriTest, and on protein level by flow cytometry.
N2  - Die Vermehrung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) im Indus- triemaßstab wird durch skalierbare Bioprozesse in aktiv durchmischten Rührkessel-Bioreaktoren (CSTRs) ermöglicht. Hierbei zeichnet sich das Wachstum von hiPSCs durch die charakteristische Bildung von sphäroidischen Zellaggregaten aus, deren Durchmesser sich im Laufe der Kultivierung vergrößert. Die Agglomeration von hiPSCs ist sowohl abhängig vom Grad der Durchmischung als auch vom jeweiligen Kulturgefäß, und stellt somit einen wichtigen Prozessparameter dar, welcher während der Prozessskalierung berücksichtigt werden muss. Weiterhin weisen hiPSCs in Aggregaten, welche eine kritische Größe überschreiten, eine erhöhte Wahrscheinlichkeit auf, ihre Pluripotenz zu verlieren oder hinsichtlich ihrer Viabilität beeinträchtigt zu werden. Auf Grundlage dessen wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Plattform für die Durchführung von hiPSCs-Suspensionskulturen en- twickelt, welche die zerstörungsfreie Überwachung des hiPSC-Aggregatwachstums in Echtzeit durch den Einsatz von in situ-Mikroskopie ermöglicht. Neben den eigens entworfenen Bioreaktoren, welche zum Großteil aus 3D-gedruckten Komponenten bestehen, wurde eine Peripherie in Form eines Inkubator-Prototyps entwickelt und konstruiert, welcher die Unterbringung der Bioreaktoren, der Systemkomponenten zur Erzeugung von Zellkulturbedingungen sowie einer in situ-Mikroskop- Spezialanfertigung gewährleistet. Als Ausgangspunkt der Entwicklung des CSTR Systems diente ein Strömungssimulationsmodell, welches dazu verwendet wurde, prozesstechnische Kennzahlen zu er- mitteln um das CSTR System hinsichtlich des spezifischen Leistungseintrags, der Mischzeit und der Scherbelastung zu charakterisieren. Das erstellte Simulationsmodell wurde zudem erfolgreich an- hand eines Messdatenabgleichs der Mischzeit hinsichtlich seiner Aussagekraft validiert. Des Weit- eren wurde die Funktionsfähigkeit des gesamten Systems durch Langzeitversuche belegt. Hierbei wurden hiPSCs in den entwickelten Bioreaktoren über einen Zeitraum von vier Passagen expandiert und das Aggregatwachstum mittels in situ-Mikroskopie in Kombination mit einer automatisierten Bildauswertung beschrieben. Überdies hinaus wurde die Qualität der kultivierten hiPSCs hinsichtlich ihrer Differenzierungskapazität durch den Nachweis von Pluripotenzmarkern auf RNA (qRT-PCR und PluriTest) sowie Proteinebene (Durchflusszytometrie) untersucht.
KW  - Induzierte pluripotente Stammzelle
KW  - Mikroskopie
KW  - Suspensionskultur
KW  - Aggregation
KW  - in situ microscopy
KW  - bioreactor
KW  - hiPSC aggregation
KW  - Bioreaktor
KW  - iPSC
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192989
ER  -