TY - JOUR A1 - Dirscherl, Mariel A1 - Dietz, Andreas J. A1 - Kneisel, Christof A1 - Kuenzer, Claudia T1 - A novel method for automated supraglacial lake mapping in Antarctica using Sentinel-1 SAR imagery and deep learning JF - Remote Sensing N2 - Supraglacial meltwater accumulation on ice sheets can be a main driver for accelerated ice discharge, mass loss, and global sea-level-rise. With further increasing surface air temperatures, meltwater-induced hydrofracturing, basal sliding, or surface thinning will cumulate and most likely trigger unprecedented ice mass loss on the Greenland and Antarctic ice sheets. While the Greenland surface hydrological network as well as its impacts on ice dynamics and mass balance has been studied in much detail, Antarctic supraglacial lakes remain understudied with a circum-Antarctic record of their spatio-temporal development entirely lacking. This study provides the first automated supraglacial lake extent mapping method using Sentinel-1 synthetic aperture radar (SAR) imagery over Antarctica and complements the developed optical Sentinel-2 supraglacial lake detection algorithm presented in our companion paper. In detail, we propose the use of a modified U-Net for semantic segmentation of supraglacial lakes in single-polarized Sentinel-1 imagery. The convolutional neural network (CNN) is implemented with residual connections for optimized performance as well as an Atrous Spatial Pyramid Pooling (ASPP) module for multiscale feature extraction. The algorithm is trained on 21,200 Sentinel-1 image patches and evaluated in ten spatially or temporally independent test acquisitions. In addition, George VI Ice Shelf is analyzed for intra-annual lake dynamics throughout austral summer 2019/2020 and a decision-level fused Sentinel-1 and Sentinel-2 maximum lake extent mapping product is presented for January 2020 revealing a more complete supraglacial lake coverage (~770 km\(^2\)) than the individual single-sensor products. Classification results confirm the reliability of the proposed workflow with an average Kappa coefficient of 0.925 and a F\(_1\)-score of 93.0% for the supraglacial water class across all test regions. Furthermore, the algorithm is applied in an additional test region covering supraglacial lakes on the Greenland ice sheet which further highlights the potential for spatio-temporal transferability. Future work involves the integration of more training data as well as intra-annual analyses of supraglacial lake occurrence across the whole continent and with focus on supraglacial lake development throughout a summer melt season and into Antarctic winter. KW - Antarctica KW - Antarctic ice sheet KW - supraglacial lakes KW - ice sheet hydrology KW - Sentinel-1 KW - remote sensing KW - machine learning KW - deep learning KW - semantic segmentation KW - convolutional neural network Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-222998 SN - 2072-4292 VL - 13 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Dischinger, Ulrich A1 - Hasinger, Julia A1 - Königsrainer, Malina A1 - Corteville, Carolin A1 - Otto, Christoph A1 - Fassnacht, Martin A1 - Hankir, Mohamed A1 - Seyfried, Florian Johannes David T1 - Toward a Medical Gastric Bypass: Chronic Feeding Studies With Liraglutide + PYY\(_{3-36}\) Combination Therapy in Diet-Induced Obese Rats JF - Frontiers in Endocrinology N2 - Background Combination therapies of anorectic gut hormones partially mimic the beneficial effects of bariatric surgery. Thus far, the effects of a combined chronic systemic administration of Glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and peptide tyrosine tyrosine 3-36 (PYY\(_{3-36}\)) have not been directly compared to Roux-en-Y gastric bypass (RYGB) in a standardized experimental setting. Methods High-fat diet (HFD)-induced obese male Wistar rats were randomized into six treatment groups: (1) RYGB, (2) sham-operation (shams), (3) liraglutide, (4) PYY\(_{3-36}\), (5) PYY\(_{3-36}\)+liraglutide (6), saline. Animals were kept on a free choice high- and low-fat diet. Food intake, preference, and body weight were measured daily for 4 weeks. Open field (OP) and elevated plus maze (EPM) tests were performed. Results RYGB reduced food intake and achieved sustained weight loss. Combined PYY\(_{3-36}\)+liraglutide treatment led to similar and plateaued weight loss compared to RYGB. Combined PYY\(_{3-36}\)+liraglutide treatment was superior to PYY\(_{3-36}\) (p ≤ 0.0001) and liraglutide (p ≤ 0.05 or p ≤ 0.01) mono-therapy. PYY\(_{3-36}\)+liraglutide treatment and RYGB also reduced overall food intake and (less pronounced) high-fat preference compared to controls. The animals showed no signs of abnormal behavior in OF or EPM. Conclusions Liraglutide and PYY\(_{3-36}\) combination therapy vastly mimics reduced food intake, food choice and weight reducing benefits of RYGB. KW - obesity KW - rygb KW - liraglutide KW - peptide tyrosine tyrosine (PYY) KW - treatment KW - gastric bypass KW - peptide tyrosine tyrosine 3-36 (PYY3-36) Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-223113 SN - 1664-2392 VL - 11 ER - TY - JOUR A1 - Dischinger, Ulrich A1 - Heckel, Tobias A1 - Bischler, Thorsten A1 - Hasinger, Julia A1 - Königsrainer, Malina A1 - Schmitt-Böhrer, Angelika A1 - Otto, Christoph A1 - Fassnacht, Martin A1 - Seyfried, Florian A1 - Hankir, Mohammed Khair T1 - Roux-en-Y gastric bypass and caloric restriction but not gut hormone-based treatments profoundly impact the hypothalamic transcriptome in obese rats JF - Nutrients N2 - Background: The hypothalamus is an important brain region for the regulation of energy balance. Roux-en-Y gastric bypass (RYGB) surgery and gut hormone-based treatments are known to reduce body weight, but their effects on hypothalamic gene expression and signaling pathways are poorly studied. Methods: Diet-induced obese male Wistar rats were randomized into the following groups: RYGB, sham operation, sham + body weight-matched (BWM) to the RYGB group, osmotic minipump delivering PYY3-36 (0.1 mg/kg/day), liraglutide s.c. (0.4 mg/kg/day), PYY3-36 + liraglutide, and saline. All groups (except BWM) were kept on a free choice of high- and low-fat diets. Four weeks after interventions, hypothalami were collected for RNA sequencing. Results: While rats in the RYGB, BWM, and PYY3-36 + liraglutide groups had comparable reductions in body weight, only RYGB and BWM treatment had a major impact on hypothalamic gene expression. In these groups, hypothalamic leptin receptor expression as well as the JAK–STAT, PI3K-Akt, and AMPK signaling pathways were upregulated. No significant changes could be detected in PYY3-36 + liraglutide-, liraglutide-, and PYY-treated groups. Conclusions: Despite causing similar body weight changes compared to RYGB and BWM, PYY3-36 + liraglutide treatment does not impact hypothalamic gene expression. Whether this striking difference is favorable or unfavorable to metabolic health in the long term requires further investigation. KW - obesity KW - Roux-en-Y gastric bypass surgery KW - liraglutide KW - PYY3-36 KW - hypothalamic gene expression Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-252392 SN - 2072-6643 VL - 14 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Dittrich, Monique T1 - Persuasive Technology to Mitigate Aggressive Driving : A Human-centered Design Approach T1 - Persuasive Technologie zur Minderung Aggressiven Fahrens : Ein menschzentrierter Design-Ansatz N2 - Manifestations of aggressive driving, such as tailgating, speeding, or swearing, are not trivial offenses but are serious problems with hazardous consequences—for the offender as well as the target of aggression. Aggression on the road erases the joy of driving, affects heart health, causes traffic jams, and increases the risk of traffic accidents. This work is aimed at developing a technology-driven solution to mitigate aggressive driving according to the principles of Persuasive Technology. Persuasive Technology is a scientific field dealing with computerized software or information systems that are designed to reinforce, change, or shape attitudes, behaviors, or both without using coercion or deception. Against this background, the Driving Feedback Avatar (DFA) was developed through this work. The system is a visual in-car interface that provides the driver with feedback on aggressive driving. The main element is an abstract avatar displayed in the vehicle. The feedback is transmitted through the emotional state of this avatar, i.e., if the driver behaves aggressively, the avatar becomes increasingly angry (negative feedback). If no aggressive action occurs, the avatar is more relaxed (positive feedback). In addition, directly after an aggressive action is recognized by the system, the display is flashing briefly to give the driver an instant feedback on his action. Five empirical studies were carried out as part of the human-centered design process of the DFA. They were aimed at understanding the user and the use context of the future system, ideating system ideas, and evaluating a system prototype. The initial research question was about the triggers of aggressive driving. In a driver study on a public road, 34 participants reported their emotions and their triggers while they were driving (study 1). The second research question asked for interventions to cope with aggression in everyday life. For this purpose, 15 experts dealing with the treatment of aggressive individuals were interviewed (study 2). In total, 75 triggers of aggressive driving and 34 anti-aggression interventions were identified. Inspired by these findings, 108 participants generated more than 100 ideas of how to mitigate aggressive driving using technology in a series of ideation workshops (study 3). Based on these ideas, the concept of the DFA was elaborated on. In an online survey, the concept was evaluated by 1,047 German respondents to get a first assessment of its perception (study 4). Later on, the DFA was implemented into a prototype and evaluated in an experimental driving study with 32 participants, focusing on the system’s effectiveness (study 5). The DFA had only weak and, in part, unexpected effects on aggressive driving that require a deeper discussion. With the DFA, this work has shown that there is room to change aggressive driving through Persuasive Technology. However, this is a very sensitive issue with special requirements regarding the design of avatar-based feedback systems in the context of aggressive driving. Moreover, this work makes a significant contribution through the number of empirical insights gained on the problem of aggressive driving and wants to encourage future research and design activities in this regard. N2 - Aggressives Fahren, egal ob Drängeln, Rasen oder Fluchen, ist kein Kavaliersdelikt, sondern ein ernstzunehmendes Problem mit schwerwiegenden Folgen—sowohl für den Täter als auch für das Opfer. Es nimmt die Freude am Fahren, beeinträchtigt die Herzgesundheit, verursacht Stau und erhöht das Unfallrisiko. Ziel dieser Arbeit war es daher nach den Prinzipien persuasiver Technologie (engl. Persuasive Technology) eine technische Lösung zu entwickeln, die aggressives Fahren verringert. Als persuasiv werden Systeme bezeichnet, die ein bestimmtes Verhalten oder eine bestimmte Einstellung ihres Nutzers verstärken, verändern oder formen, ohne dabei Zwang auf ihn auszuüben oder ihn zu täuschen. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen dieser Arbeit der sogenannte Driving Feedback Avatar (DFA) entwickelt. Das System ist eine visuelle Benutzerschnittstelle im Fahrzeug, die dem Fahrer Rückmeldung zu bestimmten aggressiven Verhaltensweisen gibt. Hauptelement ist ein abstrakter Avatar, der in einem Display angezeigt wird. Das Feedback selbst wird durch den emotionalen Zustand dieses Avatars vermittelt. Verhält sich der Fahrer aggressiv, wird er zunehmend wütender (negatives Feedback). Legt der Fahrer hingegen keine aggressiven Verhaltensweisen an den Tag, zeigt sich der Avatar nach und nach entspannter (positives Feedback). Darüber hinaus erhält der Fahrer ein sofortiges Feedback, indem das Display kurz aufblinkt, direkt nachdem eine aggressive Handlung vom System erkannt wurde. Zur Entwicklung des Systems wurden, unter Einsatz menschenzentrierter Forschungsmethoden, insgesamt fünf empirische Studien durchgeführt. Diese dienten dazu, den Nutzer und den Nutzungskontext des zukünftigen Systems zu verstehen, Ideen für mögliche Systeme zu entwickeln und die finale Lösung anhand eines Prototypens zu evaluieren. Zunächst stand dabei die Forschungsfrage im Raum, welche Auslöser für aggressives Fahren es heute gibt. In einer Fahrerstudie auf öffentlicher Straße berichteten dazu 34 Teilnehmer während der Fahrt von ihren Emotionen und deren Auslösern (Studie 1). Die zweite Forschungsfrage ergründete Maßnahmen zur Bewältigung von Aggression im Alltag. Hierzu wurden 15 Experten, die sich beruflich mit der Behandlung von aggressiven Personen befassen, interviewt (Studie 2). Insgesamt konnten so 75 Auslöser aggressiven Fahrens und 34 Maßnahmen zur Regulierung von Aggression im Allgemeinen abgeleitet werden. Inspiriert von diesen Erkenntnissen, entwickelten 108 Teilnehmer in einer Reihe von Workshops mehr als 100 Ideen, wie Aggression beim Fahren, unter Einsatz von Technologie, verringert werden könnte (Studie 3). Basierend auf diesen Ideen, entstand das Konzept des DFA. In einer Onlineumfrage mit 1.047 deutschen Teilnehmern wurde das Konzept evaluiert, um eine erste Bewertung der Wahrnehmung des Systems zu erhalten (Studie 4). Später wurde der DFA prototypisch umgesetzt und dessen Effektivität in einer Fahrerstudie unter experimentellen Bedingungen untersucht (Studie 5). Es zeigte sich, dass das System nur schwache und in Teilen auch unerwartete Effekte hat, die eine eingehende Diskussion verlangen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass es möglich ist, aggressives Fahren mit Hilfe persuasiver Technologie zu beeinflussen. Jedoch ist dies ein sehr sensibles Vorhaben, das besondere Anforderungen an das Design Avatar-basierter Feedbacksysteme im Kontext aggressiven Fahrens stellt. Darüber hinaus leistet diese Arbeit vor allem aufgrund der gewonnenen empirischen Erkenntnisse rund um das Problem aggressiven Fahrens einen wichtigen Beitrag für Wissenschaft und Praxis und will zu weiteren Forschungs- und Designaktivitäten anregen. KW - Fahrerassistenzsystem KW - Avatar KW - Fahrerverhalten KW - Aggression KW - Driving Behavior KW - Aggressive Driving KW - Behavior Change KW - Empirical Research KW - In-Car Interface KW - Mensch-Maschine-Kommunikation KW - Persuasive Technology KW - Human-Centered Design Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230226 ER - TY - JOUR A1 - Djuzenova, Cholpon S. A1 - Fischer, Thomas A1 - Katzer, Astrid A1 - Sisario, Dmitri A1 - Korsa, Tessa A1 - Streussloff, Gudrun A1 - Sukhorukov, Vladimir L. A1 - Flentje, Michael T1 - Opposite effects of the triple target (DNA-PK/PI3K/mTOR) inhibitor PI-103 on the radiation sensitivity of glioblastoma cell lines proficient and deficient in DNA-PKcs JF - BMC Cancer N2 - Background: Radiotherapy is routinely used to combat glioblastoma (GBM). However, the treatment efficacy is often limited by the radioresistance of GBM cells. Methods: Two GBM lines MO59K and MO59J, differing in intrinsic radiosensitivity and mutational status of DNA-PK and ATM, were analyzed regarding their response to DNA-PK/PI3K/mTOR inhibition by PI-103 in combination with radiation. To this end we assessed colony-forming ability, induction and repair of DNA damage by gamma H2AX and 53BP1, expression of marker proteins, including those belonging to NHEJ and HR repair pathways, degree of apoptosis, autophagy, and cell cycle alterations. Results: We found that PI-103 radiosensitized MO59K cells but, surprisingly, it induced radiation resistance in MO59J cells. Treatment of MO59K cells with PI-103 lead to protraction of the DNA damage repair as compared to drug-free irradiated cells. In PI-103-treated and irradiated MO59J cells the foci numbers of both proteins was higher than in the drug-free samples, but a large portion of DNA damage was quickly repaired. Another cell line-specific difference includes diminished expression of p53 in MO59J cells, which was further reduced by PI-103. Additionally, PI-103-treated MO59K cells exhibited an increased expression of the apoptosis marker cleaved PARP and increased subG1 fraction. Moreover, irradiation induced a strong G2 arrest in MO59J cells (similar to 80% vs. similar to 50% in MO59K), which was, however, partially reduced in the presence of PI-103. In contrast, treatment with PI-103 increased the G2 fraction in irradiated MO59K cells. Conclusions: The triple-target inhibitor PI-103 exerted radiosensitization on MO59K cells, but, unexpectedly, caused radioresistance in the MO59J line, lacking DNA-PK. The difference is most likely due to low expression of the DNA-PK substrate p53 in MO59J cells, which was further reduced by PI-103. This led to less apoptosis as compared to drug-free MO59J cells and enhanced survival via partially abolished cell-cycle arrest. The findings suggest that the lack of DNA-PK-dependent NHEJ in MO59J line might be compensated by DNA-PK independent DSB repair via a yet unknown mechanism. KW - DNA damage KW - DNA-PK KW - Histone gamma H2AX KW - p53 KW - Radiation sensitivity Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265826 VL - 21 ER - TY - JOUR A1 - Dobiński, Wojciech A1 - Kneisel, Christof T1 - Permafrost and glaciers: perspectives for the Earth and planetary sciences — another step forward JF - Geosciences N2 - No abstract available KW - permafrost KW - glaciers Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-228766 SN - 2076-3263 VL - 11 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Dodt, Katharina Anna T1 - Monitoring enzyme activity by using mass-encoded peptides and multiplexed detection T1 - Überwachung von Enzymaktivität durch die Benutzung von massencodierten Peptiden und multiplexer Detektion N2 - Cell culture models are helpful tools to study inflammatory diseases, like rheumatoid arthritis (RA), osteoarthritis (OA), arteriosclerosis or asthma, which are linked to increased matrix metalloproteinase (MMP) activity. Such cell culture models often focus on the secretion of cytokines and growth factors or the direct effects of disease on tissue destruction. Even though the crucial role of MMPs in inflammatory diseases is known, the results of MMP studies are contradictious and the use of MMPs as biomarkers is inconsistent. MMPs play an important role in disease pathology, as they are involved in elastin degradation in the walls of alveoli in chronic obstructive pulmonary disease (COPD), tumor angiogenesis and metastasis and in cartilage and bone degradation in arthropathies. In RA and OA MMPs are secreted by osteocytes, synoviocytes, and by infiltrating immune cells in response to the increased concentration of inflammatory mediators, like growth factors and cytokines. MMPs are zinc and calcium-dependent proteinases and play an important role in physiological and pathological extracellular matrix (ECM) turn over. Their substrate specificity gives them the ability to degrade all major ECM components, like aggrecan, elastin, gelatin, fibronectin and all types of collagen even the triple helix of collagen monomers. The ECM consists of two large three-dimensional cross-linked macromolecule classes: one are fibrous proteins, like collagen and elastin fibers that are responsible for ECM’s structure, tensile strength, resiliency, reversible extensibility, and deformability and the second class is comprised of proteoglycans composed of glycosaminoglycan (GAG) chains covalently attached to protein cores that are multifunctionally involved in signaling pathways and cell interactions. ECM is present within all tissues and organs and changes in ECM structure contribute to pathogenesis, e.g. wounded and fibrotic tissue, COPD or tumours. This thesis primarily focuses on the development of a diagnostic peptide system, that enables to gain information on MMP activity from ECM by deploying the isobaric mass encoding strategy. The core element of the developed system is an isotopically labelled peptide sequence (mass tag), that is released in response to elevated levels of MMPs and allows multiplexed detection in tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). The mass reporters possess a modular structure with different functionalities. C-terminal either a transglutaminase (TG) recognition sequence or a high molecular weight polyethylene glycol (PEG) moiety was attached to immobilize the mass reporters covalently or physically at the injection site. The following matrix metalloproteinase substrate sequence (MSS) is incorporated in two different versions with different sensitivity to MMPs. The MSS were applied in pairs for relative quantification consisting of the cleavable version synthesized with natural L-amino acids and the non-cleavable D-amino acid variant. The mass tag was synthesized with isotopically labelled amino acids and is separated from the MSS by a UV light-sensitive molecule. N-terminal the mass tag is followed by a tobacco etch virus protease (TEV) sensitive sequence, that is responsible to separate the mass tag from the affinity tag, which was either the Strep-tag II sequence or biotin and were added for purification purposes. Chapter 1 presents a step-by-step protocol on how to design a mass tag family allowing for multiplexed analysis by LC-MS/MS. The multiplexing is achieved by developing an isobar mass tag family with four family members, which are chromatographically indistinguishable, but due to the mass encoding principles they fragment in distinct y-type ions with a mass difference of 1 or 2 Da each in MS2. Furthermore, it is explained how to covalently attach the mass reporter peptides onto ECM by the activated calcium-catalyzed blood coagulation transglutaminase factor XIII (FXIIIa). The lysine of mass reporter’s TG sequence (D-domain of insulin-like growth factor-I (IGF-I)) and a glutamine in fibronectin are covalently crosslinked by FXIIIa and build an isopeptide bond. Elevated levels of MMP release the mass reporters from ECM by recognizing the inter-positioned MSS. The designed mass reporters were able to monitor enzyme activity in an in vitro setting with cell-derived ECM, which was shown in Chapter 2. The modular structured mass reporters were investigated in a proof of concept study. First, the different modules were characterized in terms of their MMP responsiveness and their sensitivity to TEV protease and UV light. Then the FXIIIa-mediated coupling reaction was detailed and the successful coupling on ECM was visualized by an immunosorbent assay or confocal laser scanning microscopy. Finally, the immobilized mass reporters on ECM were incubated with MMP-9 to investigate their multiplexing ability of MMP activity. The cleaved mass reporter fragments were purified in three steps and mass tags were analyzed as mix of all four in LC-MS/MS. Chapter 3 describes the change from an immobilizing system as seen in chapter 1 and 2 to a soluble enzyme activity monitoring system that was applied in an osteoarthritic mouse model. Instead of the immobilizing TG sequence the C-terminal MMS was extended with two amino acids where one holds an azide moiety to perform a strain-promoted azide-alkyne cycloaddition to a high molecular weight dibenzocyclooctyne-polyethylene glycol (DBCO-PEG), which was chosen to retain the mass reporters at the injection site. Furthermore, the N-terminal affinity tag was extended with a 2.5 kDa PEG chain to increase the half-life of the mass reporter peptides after MMP release. The systems biocompatibility was proved but its enzyme monitoring ability in an in vivo setting could not be analyzed as samples degraded during shipping resulting from the Chinese customs blocking transport to Germany. In summary the diagnostic peptide system was developed in two variants. The immobilized version one from chapter 1 and 2 was designed to be covalently attached to ECM by the transglutaminase-mediated cross-linking reaction. In an in vitro setting the functionality of the mass reporter system for the detection of MMP activity was successfully verified. The second variant comprises of a soluble mass reporter system that was tested in an OA mouse model and showed biocompatibility. With these two designed systems this thesis provides a flexible platform based on multiplexed analysis with mass-encoded peptides to characterize cell culture models regarding their MMP activity, to deploy cell-derived ECM as endogenous depot scaffold and to develop a mass tag family that enables simultaneous detection of at least four mass tags. N2 - Zellkulturmodelle sind hilfreiche Werkzeuge, um entzündliche Krankheiten, wie rheumatoide Arthritis (RA), Osteoarthritis (OA), Arteriosklerose und Asthma, die mit einer erhöhten Aktivität von Matrixmetalloproteinasen (MMPs) verbunden sind, zu untersuchen. Viele Zellkulturmodelle fokussieren sich hauptsächlich auf die Sekretion von Zytokinen und Wachstumsfaktoren oder die direkten Effekte der Entzündung auf die Gewebezerstörung. Obwohl die zentrale Rolle der MMPs in entzündlichen Erkrankungen bekannt ist, wird die Untersuchung von MMPs in diesen Zellkulturmodellen vernachlässigt. MMPs spielen eine wichtige Rolle in der Krankheitsentstehung, da sie am Abbau von Elastin in den Wänden der Alveolen bei chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), an der Gefäßneubildung und Metastasenbildung von Tumoren und an Knorpelabbau und Knochenzerstörung in Gelenkerkrankungen beteiligt sind. In RA und OA werden MMPs von Osteozyten, Synoviozyten und infiltrierenden Immunzellen als Antwort auf erhöhte Konzentrationen an entzündlichen Mediatoren, wie Wachstumsfaktoren und Zytokinen, sekretiert. MMPs sind Zink- und Calcium-abhängige Proteinasen, die eine wichtige Rolle beim physiologischen und pathologischen Turnover der extrazellulären Matrix (EZM) spielen. Ihre Substratspezifität verleiht ihnen die Fähigkeit alle Hauptkomponenten der EZM, wie Aggrecan, Elastin, Gelatin, Fibronectin und alle Typen des Kollagens, sogar die dreifach-Helix der Kollagenmonomere, abzubauen. Die EZM besteht aus zwei großen, drei-dimensional vernetzten Makromolekülklassen: zu der ersten Klasse zählen die faserigen Proteine, wie Kollagen- und Elastinfasern, die für die Struktur der EZM, ihre Zugfestigkeit, Elastizität, reversible Dehnbar- und Verformbarkeit verantwortlich sind und zur zweiten Klasse gehören die Proteoglykane, die aus Glykosaminoglykanketten (GAG), die kovalent an Kernproteine gebunden sind, bestehen und zusammen multifunktional in Signalwege und Zellinteraktionen involviert sind. Jedes Gewebe und Organ ist mit EZM ausgekleidet und Änderungen in der EZM Struktur können zur Krankheitsentstehung beitragen, z.B. bei verletztem und fibrotischem Gewebe, COPD oder Tumoren. Diese Promotion fokussiert sich primär auf die Entwicklung eines diagnostischen Peptidsystem, das es ermöglicht durch die Anwendung der isobaren massencodierten Strategie Informationen über MMP Aktivität der EZM zu gewinnen. Eine isotopenmarkierte Peptidsequenz stellt dabei das Kernelement des entwickelten Systems dar, welche als Antwort auf erhöhte MMP Level von der EZM freigegeben wird und eine gebündelte Detektion per Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS) erlaubt. Die Massenreporter besitzen einen modularen Aufbau mit unterschiedlichen Funktionalitäten. Am C-terminalen Ende wurde entweder eine Transglutaminase (TG) Erkennungssequenz oder eine hochmolekulare Polyethylenglykol (PEG) Einheit angehängt, um die Massenreporter kovalent oder physikalische am Applikationsort zu immobilisieren. Die darauffolgende eingeschobene Matrixmetalloproteinase Substratsequenz (MSS) wurde in zwei verschiedenen Versionen mit unterschiedlicher MMP Sensitivität angewendet. Die MSSs werden für die relative Quantifizierung jeweils in Paaren verwendet, wobei die spaltbare Variante mit natürlichen L-Aminosäuren synthetisiert wird und die nicht-spaltbare Sequenz mit D-Aminosäuren. Der Mass tag wird mit isotopenmarkierten Aminosäuren versehen und ist von dem MSS durch ein lichtsensitives Molekül getrennt. N-terminal des Mass tags folgt die TEV Protease-sensitive Peptidsequenz, die zur Abspaltung des Affinitäts-tags vom Mass tag eingebaut wurde. Zur Aufreinigung dient ein Affinitätstag, der entweder aus der Strep-tag II Sequenz oder Biotin besteht. In Kapitel 1 werden Schritt-für-Schritt Protokolle präsentiert, für die Gestaltung und Entwicklung einer Gruppe von isotopenmarkierten Peptiden, die eine simultane Analyse per LC-MS/MS zulassen. Die gleichzeitige Detektion wird dadurch erreicht, dass jedes Gruppenmitglied in der Summe die gleiche Molekülmasse besitzt, aber aufgrund der angewandten isobaren Isotopenmarkierungen fragmentieren diese in MS2 in spezifische y-Typ Ionen, die einen Massenunterschied von 1 oder 2 Da besitzen. Zudem wurde erklärt, wie die Massenreporter Peptide durch den aktivierten, Calcium-abhängigen Blutkoagulationsfaktor XIII (FXIIIa) kovalent an die EZM gebunden werden. Bei der enzymatischen Reaktion wird durch das Quervernetzen des Lysins der TG Aminosäuresequenz (der D-Domäne von IGF-I) der Massenreporter mit dem Glutamin der Aminosäureerkennungssequenz in Fibronectin eine Isopeptidbindung gebildet. Die Freisetzung der Massenreporter von der EZM erfolgt aufgrund des erhöhten MMP Level und geschieht durch die Spaltung der dazwischenliegenden MSS. Die entwickelten Massenreporter waren in der Lage die Enzymaktivität in einer aus Fibroblasten stammenden in vitro Umgebung aus EZM zu beobachten, was in Kapitel 2 dargestellt wird. Die modulare Struktur der Massenreporter wurde in einer Machbarkeitsstudie untersucht. Zuerst wurden die verschiedenen Module bezüglich ihrer Ansprechempfindlichkeit auf MMP und ihrer Sensitivität gegenüber der TEV Protease und UV-Licht charakterisiert. Dann wurden die vier Peptide FXIIIa-vermittelt an die EZM gekoppelt und die erfolgreiche Kopplung an EZM wurde mit Hilfe eines immunologischen Verfahrens oder konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie visualisiert. Abschließend wurden die auf der EZM immobilisierten Massenreporter mit MMP-9 inkubiert, um deren Fähigkeit der gleichzeitigen Detektion von MMP Aktivität zu untersuchen. Die abgespalteten Massenreporterfragmente wurden in drei Schritten aufgereinigt und die vier isotopenmarkierten Tags wurden als Mix mittels LC-MS/MS analysiert. Kapitel 3 beschreibt die Änderung der aus Kapitel 1 und 2 bekannten immobilisierten System zu einem löslichen System, das die Enzymaktivität in Körperflüssigkeiten bestimmen soll und in einem Mausmodell für Osteoarthritis getestet wurde. Anstelle der immobilisierenden TG Sequenz wurde der C Terminus der MSS um zwei Aminosäuren erweitert. Eine Aminosäure trägt eine Azidgruppe um eine Azid-Alkin Cycloaddition mit einem hochmolekularen PEG durchzuführen, die ausgewählt wurde, um die Massenreporter an der Injektionsstelle zurückzuhalten. Des Weiteren wurde der Affinitäts-tag mit einer 2.5 kDa PEG-Kette erweitert, um die Halbwertszeit des von MMPs freigesetzten Massenreporterpeptides zu erhöhen. Die Biokompatibilität des Systems wurde erwiesen, allerdings war es nicht möglich die MMP Aktivität in einem in vivo Model zu zeigen, da eine Analyse der Proben aufgrund von Versand- und Zollproblemen und damit verbundenen Instabilitäten nicht möglich war. Zusammenfassend wurde ein diagnostische Peptidsystem bestehend aus zwei Varianten entwickelt. Die zu immobilisierende Version aus Kapitel 1 und 2 wurde so konzipiert, dass die Peptide durch die Transglutaminase vermittelte Quervernetzungsreaktion kovalent an EZM gebunden werden. In einem in vitro Model wurde die Funktionalität des Massenreporter Systems hinsichtlich der Detektion von MMP Aktivität erfolgreich bestätigt. Die zweite Variante, bestehend aus einem löslichen Massenreporter System, wurde in einem Osteoarthritis Mausmodel getestet und zeigte Biokompatibilität. Mit diesen zwei entworfenen Systemen stellt diese Dissertation eine flexible Plattform zur Verfügung, die basierend auf der multiplexen Detektion von isotopenmarkierten Peptiden, für die Charakterisierung von Zellkulturmodellen bezüglich deren MMP Aktivität genutzt wird, die zelluläre EZM als endogenes Depot anwendet und die durch die Entwicklung einer Familie aus isotopenmarkierten Tags eine simultane Detektion von mindestens vier Tags erlaubt. KW - Extrazelluläre Matrix KW - Tandem-Massenspektrometrie KW - Proteasen KW - Markierte Verbindungen KW - isotopically labelled peptides KW - tandem mass spectrometry KW - matrix metalloproteinase KW - extracellular matrix KW - transglutaminase Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229377 ER - TY - JOUR A1 - Dogan, Leyla A1 - Scheuring, Ruben A1 - Wagner, Nicole A1 - Ueda, Yuichiro A1 - Schmidt, Sven A1 - Wörsdörfer, Philipp A1 - Groll, Jürgen A1 - Ergün, Süleyman T1 - Human iPSC-derived mesodermal progenitor cells preserve their vasculogenesis potential after extrusion and form hierarchically organized blood vessels JF - Biofabrication N2 - Post-fabrication formation of a proper vasculature remains an unresolved challenge in bioprinting. Established strategies focus on the supply of the fabricated structure with nutrients and oxygen and either rely on the mere formation of a channel system using fugitive inks or additionally use mature endothelial cells and/or peri-endothelial cells such as smooth muscle cells for the formation of blood vessels in vitro. Functional vessels, however, exhibit a hierarchical organization and multilayered wall structure that is important for their function. Human induced pluripotent stem cell-derived mesodermal progenitor cells (hiMPCs) have been shown to possess the capacity to form blood vessels in vitro, but have so far not been assessed for their applicability in bioprinting processes. Here, we demonstrate that hiMPCs, after formulation into an alginate/collagen type I bioink and subsequent extrusion, retain their ability to give rise to the formation of complex vessels that display a hierarchical network in a process that mimics the embryonic steps of vessel formation during vasculogenesis. Histological evaluations at different time points of extrusion revealed the initial formation of spheres, followed by lumen formation and further structural maturation as evidenced by building a multilayered vessel wall and a vascular network. These findings are supported by immunostainings for endothelial and peri-endothelial cell markers as well as electron microscopic analyses at the ultrastructural level. Moreover, endothelial cells in capillary-like vessel structures deposited a basement membrane-like matrix at the basal side between the vessel wall and the alginate-collagen matrix. After transplantation of the printed constructs into the chicken chorioallantoic membrane (CAM) the printed vessels connected to the CAM blood vessels and get perfused in vivo. These results evidence the applicability and great potential of hiMPCs for the bioprinting of vascular structures mimicking the basic morphogenetic steps of de novo vessel formation during embryogenesis. KW - vascular biofabrication KW - human iPSC-derived mesodermal cells (hiMPCs) KW - extrusion of hiMPC-containing bioinks alginate + collagen type I KW - multilayered vessel wall with intimate, media and adventitia KW - vascular network and hierarchical organized vessels KW - electron microscopy KW - serial block face EM Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254046 VL - 13 IS - 4 ER - TY - JOUR A1 - Dohrn, Maike F. A1 - Ihne, Sandra A1 - Hegenbart, Ute A1 - Medina, Jessica A1 - Züchner, Stephan L. A1 - Coelho, Teresa A1 - Hahn, Katrin T1 - Targeting transthyretin ‐ Mechanism‐based treatment approaches and future perspectives in hereditary amyloidosis JF - Journal of Neurochemistry N2 - The liver‐derived, circulating transport protein transthyretin (TTR) is the cause of systemic hereditary (ATTRv) and wild‐type (ATTRwt) amyloidosis. TTR stabilization and knockdown are approved therapies to mitigate the otherwise lethal disease course. To date, the variety in phenotypic penetrance is not fully understood. This systematic review summarizes the current literature on TTR pathophysiology with its therapeutic implications. Tetramer dissociation is the rate‐limiting step of amyloidogenesis. Besides destabilizing TTR mutations, other genetic (RBP4, APCS, AR, ATX2, C1q, C3) and external (extracellular matrix, Schwann cell interaction) factors influence the type of onset and organ tropism. The approved small molecule tafamidis stabilizes the tetramer and significantly decelerates the clinical course. By sequence‐specific mRNA knockdown, the approved small interfering RNA (siRNA) patisiran and antisense oligonucleotide (ASO) inotersen both significantly reduce plasma TTR levels and improve neuropathy and quality of life compared to placebo. With enhanced hepatic targeting capabilities, GalNac‐conjugated siRNA and ASOs have recently entered phase III clinical trials. Bivalent TTR stabilizers occupy both binding groves in vitro, but have not been tested in trials so far. Tolcapone is another stabilizer with the potential to cross the blood–brain barrier, but its half‐life is short and liver failure a potential side effect. Amyloid‐directed antibodies and substances like doxycycline aim at reducing the amyloid load, however, none of the yet developed antibodies has successfully passed clinical trials. ATTR‐amyloidosis has become a model disease for pathophysiology‐based treatment. Further understanding of disease mechanisms will help to overcome the remaining limitations, including application burden, side effects, and blood–brain barrier permeability. KW - amyloid‐directed antibodies KW - ATTRv amyloidosis KW - familial amyloid polyneuropathy (FAP) KW - transthyretin KW - TTR knockdown KW - TTR stabilization Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-224481 VL - 156 IS - 6 SP - 802 EP - 818 ER - TY - THES A1 - Domene Moreno, Christina T1 - Beyond transfer? The acquisition of an L3 phonology by Turkish-German bilinguals T1 - Der Phonologieerwerb im Englischen als Drittsprache durch türkisch-deutsch bilinguale Sprecher N2 - Der Erwerb des phonologischen Systems einer Drittsprache wurde bisher vor allem vor dem Hintergrund zweier Fragen betrachtet: (a) Welche Sprache oder Sprachen werden in die Zielsprache transferiert und (b) welche Rolle spielen inner- und außersprachliche Faktoren dabei? Hier sind grundsätzlich drei Szenarien denkbar, welche sich auch in den im Forschungsfeld vorherrschenden theoretischen Ansätzen wiederfinden. Bei einem bilingualen Sprecher, also einem Sprecher mit zwei Hintergrundsprachen, ist erstens der ausschließliche Transfer einer der Hintergrundsprachen möglich, wobei für die Vorhersage der Sprache, die am wahrscheinlichsten transferiert wird, verschiedene Parameter vorgeschlagen wurden, wie beispielsweise das typologische Verhältnis der Hintergrund- und Zielsprachen untereinander oder der Status einer der beiden Hintergrundsprachen als Erst- bzw. Zweitsprache. Weiterhin ist Transfer aus beiden Sprachen denkbar, bei dem ausschließlich „nützliche“, das heißt den Zielspracherwerb unterstützende Strukturen transferiert werden. Drittens kann gemischter Transfer, also der Transfer verschiedener Strukturen, aus beiden Hintergrundsprachen angenommen werden, der allerdings nicht unbedingt positiv ist, sondern stattdessen von vielfältigen Faktoren konditioniert wird. In anderen Worten wird hier die Möglichkeit angenommen, Strukturen aus beiden Hintergrundsprachen in die Zielsprache zu transferieren. Dieser letzte Ansatz entspricht am besten den bisherigen Forschungsergebnissen des Felds: Während sich bei Betrachtung verschiedener Sprachkombinationen und verschiedener (und verschiedenartiger) phonologischer Strukturen für sich genommen kein einheitliches Muster erkennen lässt, wird deutlich, dass gemischter Transfer möglich ist – dies kommt vor allem bei Studien zu graduellen phonetischen Phänomenen wie konkreter Vokalqualität oder Voice Onset Time zum Ausdruck. Bisherige Studien haben sich auf einzelne phonologische oder phonetische Phänomene beschränkt, anhand derer die entsprechenden Ansätze überprüft wurden. Bisher gibt es keine systematischen Untersuchungen mehrerer verschiedener Phänomene an denselben Sprechern. Da allerdings davon ausgegangen werden kann, dass phonologische Phänomene unterschiedliche strukturelle Eigenschaften haben, ist genau dies nötig. Um also die Mechanismen des gleichzeitigen Transfers mehrerer Sprachen auf eine Zielsprache, und somit auch die Interaktion der Hintergrundsprachen in Multilingualen besser zu verstehen, müssen mehrere phonologische Strukturen an denselben Sprechergruppen und mit denselben Methoden untersucht werden. Diese Forschungslücke will die vorliegende Arbeit schließen. Hierfür wurde der Erwerb des Lautsystems der Drittsprache Englisch durch türkisch-deutsch bilinguale Lerner untersucht. Es wurden phonologische Strukturen des Englischen zur Untersuchung ausgewählt, die entweder im Deutschen (aber nicht im Türkischen), im Türkischen (aber nicht im Deutschen), oder in keiner der beiden Hintergrundsprachen vorkommen. Diese Unterteilung sollte dazu dienen den potentiellen Einfluss der jeweiligen Hintergrundsprache auf die Zielsprache identifizieren zu können. In zwei Studien wurden jeweils die Perzeption und die Produktion der obengenannten Strukturen an türkisch-deutsch Bilingualen sowie an einer monolingual deutschen Kontrollgruppe getestet. Studie 1 testete junge Lerner des Englischen in den ersten Lernjahren, während Studie 2 Studierende der Englischen Sprach- und Literaturwissenschaft testete. Zusätzlich wurden extralinguistische Faktoren und biographische Details erhoben. In den beiden Studien sollte beantwortet werden, ob sich bilinguale und monolinguale Testpersonen in der Perzeption und/oder der Produktion der Zielstrukturen unterscheiden, ob diese Unterschiede durch Transfer aus den Hintergrundsprachen zu erklären sind und, falls dies nicht durchgehend der Fall ist, welche anderen strukturellen oder extralinguistischen Faktoren herangezogen werden können, um die Ergebnisse zu erklären. Zudem sollte geprüft werden, inwieweit Perzeption und Produktion zusammenhängen und welchen Effekt fortschreitender Spracherwerb hat. Die Ergebnisse der beiden Studien dieser Arbeit bestätigen die Vermutung, die anhand der Kombination aus verschiedenen vorausgehenden Studien getroffen wurden: Transfer findet ausgehend von beiden Hintergrundsprachen statt, er kann positiv und negativ sein, und er wird von strukturellen Faktoren konditioniert. So zeigte sich im Vergleich ein deutlicher Einfluss – sowohl positiv wie auch negativ – des Türkischen auf die Perzeption und Produktion des Englischen bei den bilingualen Sprechern, aber ebenso ein Einfluss des Deutschen. Weiterhin konnte der gleichzeitige Einfluss beider Hintergrundsprachen auf einzelne Strukturen belegt werden. Perzeption und Produktion stehen bei keiner der Sprechergruppen in einer direkten Korrelation, allerdings kann anhand der Ergebnisse Perzeption als einer der Faktoren angenommen werden, der einen Einfluss auf die Produktion der zielsprachlichen Struktur hat. Als weitere Faktoren konnten der Grad der Markiertheit der Struktur, ihre artikulatorische Komplexität sowie das Fehlen eines artikulatorischen Ankers identifiziert werden. Eine Verschiebung der Transferquellen fand zwischen den beiden Studien, also bedingt durch fortgeschrittenen Erwerb, nicht statt. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass Nachteile, die aufgrund der Hintergrundsprachen den Sprechergruppen entstanden, in der älteren Gruppe häufig ausgeglichen werden konnten. Die Erklärungsansätze für das Autreten von CLI-Effekten waren abhängig von den Eigenschaften der einzelnen abgeprüften Strukturen und konnten nicht systematisch verallgemeinert werden. Dies bestätigte die wenig einheitlichen Einzelergebnisse vorhergehender Studien für die Perzeption und Produktion mehrerer verschiedener phonologischer Strukturen durch dieselben Sprechergruppen. So konnten methodische oder gruppeninterne Gründe für die sich widersprechenden Ergebnisse erstmals ausgeschlossen werden. Im vorletzten Kapitel dieser Arbeit werden darauf aufbauend alternative Gründe für die Ergebnisse erarbeitet. Hierfür wird das Konzept des komplexen verschachtelten (complex interlaced) eingeführt, das chaostheoretische Ansätze mit der Annahme einer hierarchischen Bit-Struktur verbindet. Die vorliegende Arbeit trägt zu aktuellen Debatten im Bereich der Drittsprachforschung insofern bei, als dass sie als erste mehrere phonologische „Einheiten“ (bits), also Phoneme, Allophone, Prozesse etc., an den gleichen Sprechern testet. Dadurch wurde deutlich, dass die konkrete Struktur phonologischer Systeme in den Mittelpunkt der Forschung zum Drittspracherwerb rücken muss, damit vorhandene Muster erkennbar werden können. Zudem wird vorgeschlagen, verstärkt auf Forschungsergebnisse und Theorien aus anderen Bereichen, wie beispielsweise dem Sprachwandel, der Varietätenlinguistik und der Kontaktlinguistik zurückzugreifen, um letztendlich Forschung am Drittspracherwerb für den theoretischen Erkenntnisgewinn nutzbar zu machen. N2 - Within the relatively new area of research on Third Language (L3) Acquisition, the subfield of phonology is growing, but still relatively understudied. Testing the current L3 models adopted from research on L3 syntax (see Rothman 2010, Bardel & Falk 2012, Flynn et al. 2004), the studies conducted in the area have mostly focused on the source and directionality of language transfer – both into the L3 and into the respective background languages – with some recent excursions into the role of extra-linguistic factors for multilingual learners (e.g., Wrembel 2015). The findings so far (mostly on production, with perception lagging behind) have been very diverse and, depending on the concrete study, can often be taken to give evidence for any of the prevalent models. This can be attributed to the wide range of different speaker and learner biographies as well as their language combinations and state of acquisition, but crucially the dilemma seems to be inherent in the (phonological) system in and of itself since viewing phonological interlanguage transfer as a one-dimensional and immediately transparent process based on direct correspondences between language systems does not seem to capture the complex nature of the phenomenon. In this doctoral thesis I investigate the acquisition of an additional phonological system by child and adult German heritage speakers of Turkish. Specifically, I explore how the learners deal with diverse phonological contrasts that promote positive contra negative transfer from their HL (Turkish) and their L2 (German), and how their perception and production is modulated by cognitive and affective variables. Moreover, I test contrasts that can be found neither in the HL nor in the L2 phonological system. The studies will shed light both on the question of how a new language is shaped and affected by different existing systems and on how two or more phonological grammars co-exist and/or interact in a speaker’s mind. I will argue that, rather than being regarded as simple full projection of language-specific property sets onto the target language, phonological transfer in multilinguals needs to be considered as a process of complex interactions and layers that are established on the level of individual phonological properties and abstract (typological) associations. KW - Englisch KW - Phonologie KW - Zweite Fremdsprache KW - Bilingualism KW - L3 acquisition KW - Zweisprachigkeit KW - Spracherwerb KW - Mehrsprachigkeit Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-231411 ER -