TY  - THES
A1  - Munz, Eberhard
T1  - Physiological and metabolical high-resolution MRI of plants
T1  - Physiologische und metabolische hochaufgelöste Pflanzen-Magnetresonanzbildgebung
N2  - The noninvasive magnetic resonance imaging technique allows for the investigation of functional processes in the living plant. For this purpose during this work, different NMR imaging methods were further developed and applied.
For the localisation of the intrusion of water into the germinating rape seed with the simultaneous depiction of the lipid-rich tissue via a 3D rendering, in Chap. 5 the technique of interleaved chemical selective acquisition of water and lipid was used in the germinating seed. The utilization of high-resolution MR images of germinated seeds enabled the localization of a predetermined water gap in the lipid-rich aleurone layer, which resides directly under the seed coat. The for a long time in biology prevalent discussion, whether such a gap exists or the seed soaks up the water from all sides, rather like a sponge, could hereby, at least for the rapeseed seed, be answered clearly. Furthermore, the segmentation and 3D visualization of the vascular tissue in the rapeseed seeds was enabled by the high-resolution datasets, a multiply branched structure preconstructed in the seed could be shown. The water is directed by the vascular tissue and thus awakens the seed gradually to life. This re-awakening could as well be tracked by means of invasive imaging via an oxygen sensor. In the re-awakened seeds, the lipid degradation starts, other than expected, not in the lipid-rich cotyledons but in the residual endosperm remaining from seed development and in the aleurone layer which previously protected the embryo. Within this layer, the degradation could be verified in the high-resolution MR datasets.
The method presented in Chap. 6 provides a further characteristic trait for phenotyping of seeds and lipid containing plants in general. The visualization of the compounds of fatty acids in plant seeds and fruits could be achieved by the distinct utilization of chemical shift-selective imaging techniques. Via the application of a CSI sequence the fatty acid compounds in an olive were localized in a 2D slice. In conjunction with an individually adjusted CHESS presaturation module Haa85 the high-resolution 3D visualization of saturated and unsaturated fatty acid compounds in different seeds was achieved. The ratio maps calculated from these datasets allow to draw conclusions from the developmental stage or the type of seed. Furthermore, it could be shown that the storage condition of two soybean seeds with different storage time durations lead to no degradation of the fatty acid content.
Additional structural information from inside of dry seeds are now accessible via MRI. In this work the imaging of cereal seeds could be significantly improved by the application of the UTE sequence. The hitherto existing depictions of the lipid distribution, acquired with the spin echo sequence, were always sufficient for examinations of the lipid content, yet defects in the starchy endosperm or differences in the starch concentration within the seed remained constantly unseen with this technique. In a direct comparison of the datasets acquired with the previous imaging technique (spin echo) and with UTE imaging, the advantage of data acquisition with UTE could be shown. By investigating the potential seed compounds (starch, proteins, sugar) in pure form, the constituent parts contributing to the signal could be identified as bound water (residual moisture) and starch. The application of a bi-exponential fit on the datasets of the barley seed enabled the separate mapping of magnetization and of relaxation time of two components contributing to the NMR signal. The direct comparison with histological stainings verified the previous results, thus this technique can be used for the selective imaging of starch in dry seeds.
Conclusions on the translocation characteristics in plants can be drawn by the technique proposed in Chap. 8. The associated translocation velocities can now, even in the range of several um/h, be determined in the living plant. Based on calculated concentrations of an MR contrast agent, which was taken up by the plant, these translocation velocities were estimated both in longitudinal direction, thus along the vascular bundle, and in horizontal direction, thus out of the bundle. The latter velocity is located below the contrast agent's velocity value of free diffusion. By adjusting a dynamic contrast-enhancing imaging technique (DCE-Imaging, Tof91) the acquisition duration of a T1-map was significantly reduced. By means of these maps, local concentrations  of the contrast agent in plant stems and the siliques of the rapeseed plant could be determined.
Numerous questions in plant science can only be answered by non-invasive techniques such as MRI. For this reason, besides the experimental results achieved in this work, further NMR methods were tested and provided for the investigation of plants.
As an example, the study on the imaging of magnetic exchange processes are mentioned, which provided the groundwork for a possible transfer of CEST experiments (Chemical Exchange Saturation Transfer) to the plant. The results are presented in the bachelor thesis of A. Jäger Jae17, which was performed under my supervision, they find great interest under biologists.
The development of new technologies, which extend the possibilities for the investigation of living organisms, is of great importance. For this reason, I have contributed to the development of the currently unpublished method RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations  [Jak17,  Reu17, Gut18a]). By rephasing the transferred magnetization the utilization of properties which have not been available in chemical "`exchange"' experiments is enabled. With this method a positive contrast is generated, thus a reference experiment is not mandatory. Furthermore, the image phase, which in classical experiments contains no information about the exchanged protons, can be used for the distinct identification of multiple substances which have been excited simultaneously.

This recently at the Department of Experimental Physics V developed method can be used in particular for the identification of lipids and for the localization of sugars and amino acids, thus it can serve the enhancement and improvement of non-invasive analytical methods.
N2  - Die nicht-invasive Bildgebungstechnik der Magnetresonanz ermöglicht es, funktionelle Prozesse in Pflanzen am lebenden Objekt zu untersuchen. Hierfür wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene NMR-Bildgebungsmethoden weiterentwickelt und angewendet. Da Pflanzen ein magnetisch sehr inhomogenes Gewebe besitzen, bedingt durch Lufteinschlüsse und das Vorhandensein verschiedenster gelöster Stoffe im Pflanzengewebe, wurden daher hauptsächlich Spin-Echo-Methoden für die Bildgebung verwendet.
Um das erste Eindringen des Wassers in den keimenden Raps-Samen bei gleichzeitiger Darstellung des lipid-reichen Gewebes mittels einer 3D-Visualisierung zu lokalisieren, wurde in Kapitel 5 die Technik der verschachtelten, chemisch selektiven Aufnahme von Wasser und Lipid im keimenden Samen verwendet. Durch Verwendung von hochausgelösten MR-Aufnahmen an gekeimten Samen konnte weiterhin in der lipid-reichen Aleuron-Schicht, die sich direkt unter der Samenschale befindet, ein gezielt angelegter Einlass für das Wasser verortet werden. Die in der Biologie lange Zeit verbreitete Diskussion, ob es einen solchen Einlass gibt oder der keimende Samen das Wasser eher wie ein Schwamm von allen Seiten aufsaugt, konnte hierdurch, zumindest für den Raps-Samen, eindeutig beantwortet werden. Weiterhin konnte durch die hoch-aufgelösten Aufnahmen das vaskuläre Gewebe in den Raps-Samen segmentiert und in 3D veranschaulicht werden, es zeigte sich eine mehrfach verzweigte Struktur, die bereits im Samen angelegt ist. Das Wasser folgt hierbei dem vaskulären Gewebe und erweckt hierdurch den Samen schrittweise zum Leben. Dieses Wieder-Erwachen konnte ebenfalls durch die invasive Bildgebung mittels eines Sauerstoff-Sensors nachverfolgt werden. Im nun erwachten Samen selbst beginnt der Lipid-Abbau, anders als zunächst angenommen, nicht in den lipid-haltigen Kotyledonen sondern im von der Samen-Entwicklung verbliebenden Endosperm und in der den Keimling vormals schützenden Aleuron-Schicht. In dieser konnte der Abbau an gekeimten Samen durch hochaufgelöste MR-Aufnahmen nachgewiesen werden.
Die in Kapitel 6 vorgeschlagene Methode liefert ein weiteres Merkmal zur Phenotypisiserung von Samen und lipidhaltigen Pflanzenbestandteilen im Allgemeinen. Die Darstellung der Bestandteile ungesättigter Fettsäuren in Pflanzensamen und -Früchten konnte durch gezielte Verwendung von chemisch selektiven Bildgebungstechniken erreicht werden. Durch die Anwendung einer CSI-Sequenz konnten die Fettsäurebestandteile in Oliven in einer 2D-Schicht lokalisiert werden. In Verbindung mit einem jeweils angepassten CHESS-Vorsättigungsmodul Haa85 wurde die hochaufgelöste 3D-Darstellung von gesättigten und ungesättigten Fettsäurebestandteilen in unterschiedlichen Samen erreicht. Rückschlüsse über das Entwicklungsstadium sowie die Sorte der verwendeten Samen können aus den Verhältnis-Karten, die aus den jeweiligen Datensätzen berechnet wurden, gezogen werden. Dass in diesem Fall die Aufbewahrungsmethode zu keiner Degradation der Fettsäurezusammensetzung geführt hat, konnte weiterhin am Beispiel von zwei Sojasamen mit unterschiedlicher Lagerdauer gezeigt werden. 
Zusätzliche strukturelle Informationen aus dem Inneren trockener Samen sind nun mittels MRT zugänglich. In dieser Arbeit konnte durch die UTE-Sequenz die Bildgebung von Getreidesamen deutlich vorangebracht werden. Die bisherigen Darstellungen der Lipid-Verteilung, aufgenommen mit einer Spin-Echo Sequenz, waren zwar für die Betrachtung des Lipid-Gehalts stets ausreichend, Defekte im stärkehaltigen Endosperm oder Unterschiede in der Stärke-Konzentration innerhalb des Samen blieben mit dieser Technik jedoch stets verborgen. Im direkten Vergleich der mit der bisherigen Technik (Spin-Echo) und der UTE-Bildgebung aufgenommenen Datensätze konnte der Vorteil der Datenaufnahme mit UTE gezeigt werden. Durch die Untersuchung der möglichen Samenbestandteile (Stärke, Proteine, Zucker) in Reinform konnten die zum Signal beitragen Bestandteile als gebundenes Wasser (Restfeuchte) und Stärke identifiziert werden. Die Verwendung bi-exponentiellen Fits and die Messdaten ermöglichte es im Gersten-Samen, zwei zum Signal beitragende Komponenten in getrennten Karten bezüglich ihrer Magnetisierung und Relaxationszeit zu trennen. Der Vergleich mit histologischen Färbungen bestätigte die bisherigen Ergebnisse, somit kann diese Technik zur selektiven Darstellung von Stärke in trockenen Samen verwendet werden. 
Rückschlüsse auf das Transportverhalten in Pflanzen können durch die in Kapitel 8 vorgestellte Technik gezogen werden. Die zugehörigen Transportgeschwindigkeiten im lebenden Pflanzenobjekt können nun, selbst im Bereich von wenigen $\mu$m/h, bestimmt werden. Diese wurden anhand von berechneten Konzentrationen eines von der Pflanze aufgenommenen MR-Kontrastmittels sowohl in longitudinaler Richtung, also entlang des Leitgewebebündels, als auch in horizontaler Richtung, also aus dem Leitbündel heraus, abgeschätzt werden; Letztere Geschwindigkeit liegt deutlich unter dem Wert der freien Diffusionsgeschwindigkeit des Kontrastmittels. Hierfür wurden durch Anpassung einer dynamischen Kontrast-erhöhenden Bildgebungstechnik (DCE-Imaging, Tof91) die Aufnahmedauer einer für die weiteren Berechnungen benötigen T1-Karte deutlich reduziert. Mittels dieser Karten konnten die lokalen Konzentrationen des Kontrastmittels in Pflanzenstängeln und Schoten der Rapspflanze bestimmt werden.
Zahlreiche Fragen in der Pflanzenforschung können nur durch nicht-invasive Techniken wie MRT beantwortet werden. Deswegen wurden, neben den experimentellen Ergebnissen, die mittels dieser Arbeit erreicht wurden, auch weitere NMR Methoden für die Untersuchung von Pflanzen getestet und zur Verfügung gestellt.
Als Beispiel seien hier die Untersuchungen zur Bildgebung von magnetischen Austauschprozessen genannt, welche eine Vorarbeit zur möglichen Übertragung con CEST-Experimenten (Chemical Exchange Saturation Transfer) auf das Modell Pflanze liefern. Die Ergebnisse sind in der Bachelor-Arbeit von A. Jäger \cite{jaeger17}, an deren Durchführung ich als Betreuer maßgeblich beteiligt war, dargestellt und finden großes Interesse bei Biologen.
Von besonderer Wichtigkeit sind auch die Entwicklungen neuer Technologien, die die Möglichkeiten zur Untersuchung von lebenden Organismen erweitern können. Deswegen habe ich zu der Entwicklung der bislang unveröffentlichten Methode RACETE (Refocused Acquisition of Chemical Exchange Transferred Excitations [Jak17, Reu17, Gut18a]) beigetragen. Durch das Rephasieren der transferierten Magnetisierung können Eigenschaften, die bislang in chemischen "`Austausch"'-Experimenten nicht zur Verfügung stehen, ausgenutzt werden. Mit dieser Methode wird ein positiver Kontrast erzeugt, sie ist deshalb nicht zwingend auf ein Referenz-Experiment angewiesen. Weiterhin kann die Bildphase, welche in klassichen CEST-Experimenten keine Information über die ausgetauschten Protonen enthält, zur eindeutigen Identifizierung mehrerer parallel angeregter Substanzen verwendet werden.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Pflanzen
KW  - Pflanzenbildgebung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-172518
ER  - 
TY  - THES
A1  - Böck, Thomas
T1  - Multifunctional Hyaluronic Acid / Poly(glycidol) Hydrogels for Cartilage Regeneration Using Mesenchymal Stromal Cells
T1  - Multifunktionale Hyaluronsäure / Poly(glycidol) Hydrogele für die Knorpelregeneration mit Mesenchymalen Stromazellen
N2  - Improved treatment options for the degenerative joint disease osteoarthritis (OA) are of major interest, since OA is one of the main sources of disability, pain, and socioeconomic burden worldwide [202]. According to epidemiological data, already 27 million people suffer from OA in the US [23]. Moreover, the WHO expects OA to be the fourth most common cause of disability in 2020 [203], illustrating the need for effective and long-lasting therapy options of severe cartilage defects. Despite numerous clinically available products for the treatment of cartilage defects [62], the development of more cartilage-specific materials is still at the beginning.
Hyaluronic acid (HA) is a major component of the cartilaginous extracellular matrix (ECM) and inherently creates a cell-friendly niche by providing cell attachment and migration sites. Furthermore, it is known that the functional groups of HA are well suited for chemical modification. These characteristics render HA an attractive material for hydrogel-based tissue engineering approaches. Poly(glycidol) (PG) as chemical crosslinker basically features similar chemical characteristics as the widely used poly(ethylene glycol) (PEG), but provides additional side groups at each repeating unit that can be further chemically functionalized. With the introduction of PG as multifunctional crosslinker for HA gels, a higher cross-linking density and, accordingly, a greater potential for biomimetic functionalization may be achieved. However, despite the mentioned potential benefits, PG has not been used for cartilage regeneration approaches so far.

The initial aim of the study was to set up and optimize a HA-based hydrogel for the chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs), using different amounts and variations of cross-linkers. Therefore, the hydrogel composition was optimized by the utilization of different PEG diacrylate (PEGDA) concentrations to cross-link thiol-modified HA (Glycosil, HA-SH) via Michael addition. We aimed to generate volumestable scaffolds that simultaneously enable a maximum of ECM deposition. Histological and biochemical analysis showed 0.4% PEGDA as the most suitable concentration for these requirements (Section 5.1.2).
In order to evaluate the impact of a differently designed cross-linker on MSC chondrogenesis, HA-SH was cross-linked with PEGTA (0.6%) and compared to PEGDA (0.4%) in a next step. Following this, acrylated PG (PG-Acr) as multifunctional cross-linker alternative to acrylated PEG was evaluated. It provides around five times more functional groups when utilized in PG-Acr (0.6%) HA-SH hydrogels compared to PEGTA (0.6%) HA-SH hydrogels, thus enabling higher degrees of biomimetic functionalization. Determination of cartilage-specific ECM components showed no substantial differences between both cross-linkers while the deposition of cartilaginous matrix appeared more homogeneous in HA-SH PG-Acr gels. Taken together, we were able to successfully increase the possibilities for biomimetic functionalization in the developed HA-SH hydrogel system by the introduction of PG-Acr as cross-linker without negatively affecting MSC chondrogenesis (Section 5.1.3).

The next part of this thesis focused extensively on the biomimetic functionalization of PG-Acr (0.6%) cross-linked HA-SH hydrogels. Here, either biomimetic peptides or a chondrogenic growth factor were covalently bound into the hydrogels.
Interestingly, the incorporation of a N-cadherin mimetic (HAV), a collagen type II binding (KLER), or a cell adhesion-mediating peptide (RGD) yielded no improvement of MSC chondrogenesis. For instance, the covalent binding of 2.5mM HAV changed morphology of cell nuclei and reduced GAG production while the incorporation of 1.0mM RGD impaired collagen production. These findings may be attributed to the already supportive conditions of the employed HA-based hydrogels for chondrogenic differentiation. Most of the previous studies reporting positive peptide effects on chondrogenesis have been carried out in less supportive PEG hydrogels or in significantly stiffer MeHA-based hydrogels [99, 101, 160]. Thus, the incorporation of peptides may be more important under unfavorable conditions while inert gel systems may be useful for studying single peptide effects (Section 5.2.1).
The chondrogenic factor transforming growth factor beta 1 (TGF-b1) served as an example for growth factor binding to PG-Acr. The utilization of covalently bound TGF-b1 may thereby help overcome the need for repeated administration of TGF-b1 in in vivo applications, which may be an advantage for potential clinical application. Thus, the effect of covalently incorporated TGF-b1 was compared to the effect of the same amount of TGF-b1 without covalent binding (100nM TGF-b1) on MSC chondrogenesis. It was successfully demonstrated that covalent incorporation of TGF-b1 had a significant positive effect in a dose-dependent manner. Chondrogenesis of MSCs in hydrogels with covalently bound TGF-b1 showed enhanced levels of chondrogenesis compared to hydrogels into which TGF-b1 was merely mixed, as shown by stronger staining for GAGs, total collagen, aggrecan and collagen type II. Biochemical evaluation of GAG and collagen amounts, as well as Western blot analysis confirmed the histological results. Furthermore, the positive effect of covalently bound TGF-b1 was shown by increased expression of chondrogenic marker genes COL2A1, ACAN and SOX9. In summary, covalent growth factor incorporation utilizing PG-Acr as cross-linker demonstrated significant positive effects on chondrogenic differentiation of MSCs (Section 5.2.2).
In general, PG-Acr cross-linked HA hydrogels generated by Michael addition represent a versatile hydrogel platform due to their high degree of acrylate functionality. These hydrogels may further offer the opportunity to combine several biological modifications, such as the incorporation of biomimetic peptides together with growth factors, within one cell carrier.

A proof-of-principle experiment demonstrated the suitability of pure PG gels for studying single peptide effects. Here, the hydrogels were generated by the utilization of thiol-ene-click reaction. In this setting, without the supportive background of hyaluronic acid, MSCs showed enhanced chondrogenic differentiation in response to the incorporation of 1.0mM HAV. This was demonstrated by staining for GAGs, the cartilage-specific ECM molecules aggrecan and type II collagen, and by increased GAG and total collagen amounts shown by biochemical analysis. Thus, pure PG gels exhibit the potential to study the effects and interplay of peptides and growth factors in a highly modifiable, bioinert hydrogel environment.

The last section of the thesis was carried out as part of the EU project HydroZONES that aims to develop and generate zonal constructs. The importance of zonal organization has attracted  increased attention in the last years [127, 128], however, it is still underrepresented in tissue engineering approaches so far. Thus, the feasibility of zonal distribution of cells in a scaffold combining two differently composed hydrogels was investigated. A HA-SH(FMZ) containing bottom layer was generated and a pure PG top layer was subsequently cast on top of it, utilizing both times thiol-ene-click reaction. Indeed, stable, hierarchical constructs were generated that allowed encapsulated MSCs to differentiate chondrogenically in both zones as shown by staining for GAGs and collagen type II, and by quantification of GAG amount. Thus, the feasibility of differently composed zonal hydrogels utilizing PG as a main component was successfully demonstrated (Section 5.4).

With the first-time utilization and evaluation of PG-Acr as versatile multifunctional cross-linker for the preparation of Michael addition-generated HA-SH hydrogels in the context of cartilage tissue engineering, a highly modifiable HA-based hydrogel system was introduced. It may be used in future studies as an easily applicable and versatile toolbox for the generation of biomimetically functionalized hydrogels for cell-based cartilage regeneration. The introduction of reinforcement structures to enhance mechanical resistance may thereby further increase the potential of this system for clinical applications.
Additionally, it was also demonstrated that thiol-ene clickable hydrogels can be used for the generation of cell-laden, pure PG gels or for the generation of more complex, coherent zonal constructs. Furthermore, thiol-ene clickable PG hydrogels have already been further modified and successfully been used in 3D bioprinting experiments [204]. 3D bioprinting, as part of the evolving biofabrication field [205], offers the possibilities to generate complex and hierarchical structures, and to exactly position defined layers, yet at the same time alters the requirements for the utilized hydrogels [159, 206–209]. Since a robust chondrogenesis of MSCs was demonstrated in the thiol-ene clickable hydrogel systems, they may serve as a basis for the development of hydrogels as so called bioinks which may be utilized in more sophisticated biofabrication processes.
N2  - Es ist von großem Interesse die Therapieoptionen für die degenerative Gelenkerkrankung Osteoarthrose (OA) zu verbessern, da OA als eine der weltweit häufigsten Ursachen von Bewegungseinschränkungen und Schmerzen gilt und somit eine sozioökonomische Belastung darstellt [202]. Laut epidemiologischen Studien leiden bereits 27 Millionen Menschen in den USA an OA [23]. Darüber hinaus geht die WHO davon aus, dass OA bereits im Jahr 2020 die vierthäufigste Ursache von körperlichen Behinderungen sein wird [203], was die Notwendigkeit für effektive und langanhaltende Therapien von schweren Knorpeldefekten zeigt. Obwohl sich bereits eine Vielzahl von Therapien in klinischer Anwendung für die Behandlung von Knorpeldefekten befindet [62], ist die Entwicklung von knorpelspezifischen Produkten noch nicht weit fortgeschritten.
Hyaluronsäure (HA), als Hauptbestandteil der Extrazellulären Matrix (ECM) von Knorpel, stellt eine generell zytokompatible Umgebung dar, die Zellen von Natur aus Bindungsstellen zur Adhäsion und Fortbewegung bietet. Zudem ist bekannt, dass die funktionellen Gruppen von HA besonders gut für chemische Modifikationen geeignet sind. Aufgrund dieser Eigenschaften wird HA häufig als Material für das hydrogelbasierte Tissue Engineering verwendet. Durch die Verwendung von Poly(glycidol) (PG) als Cross-linker stehen die gleichen chemischen Eigenschaften wie bei der Verwendung des gängigen Cross-linkers Poly(ethylene glycol) (PEG) zur Verfügung, allerdings bietet es zusätzliche Seitenketten an jeder Wiederholungseinheit. Durch die Einführung von PG
als multifunktionalem Cross-linker zur Herstellung von HA-Gelen ergibt sich letztlich eine höhere Vernetzungsdichte und damit auch ein größeres Potenzial für biomimetische Funktionalisierungen. Trotz dieser genannten Vorteile wird PG bisher noch nicht im Bereich der Knorpelregeneration verwendet.
Das erste Ziel dieser Arbeit beinhaltete die Etablierung und Optimierung eines HA-basierten
Hydrogels für die chondrogene Differenzierung von Mesenchymalen Stromazellen (MSCs). Hierzu wurden verschiedene Mengen und Derivate von Cross-linkern eingesetzt. Zunächst wurde die Hydrogelzusammensetzung mithilfe von verschiedenen PEG-Diacrylat (PEGDA)-Konzentrationen zur Vernetzung von thiolmodifizierter HA (Glycosil, HASH) mittels Michael-Addition optimiert. Das Ziel war hierbei die Herstellung eines volumenstabilen Konstrukts, das gleichzeitig die größtmögliche Ablagerung von ECM erlaubt. Histologische und biochemische Analysen zeigten in Bezug darauf, dass eine Konzentration von 0,4% PEGDA die zuvor genannten Anforderungen am besten erfüllte (Abschnitt 5.1.2).
Um im weiteren Verlauf den Einfluss von verschiedenen Cross-linkern auf die chondrogene Differenzierung von MSCs zu untersuchen, wurde die HA-SH vergleichend mit PEGTA (0,6%) und PEGDA (0,4%) vernetzt. Nachfolgend wurde acryliertes PG (PG-Acr) als eine Alternative zu acrylierten PEG-Derivaten evaluiert. Der Vorteil in der Verwendung von PG-Acr (0,6%) im Vergleich zu PEGTA (0,6%) liegt darin, dass es eine ca. fünfmal höhere Anzahl an funktionellen Gruppen bietet, was wiederum ein deutlich höheres Maß an biomimetischer Funktionalisierung ermöglicht. Hierbei zeigte die Untersuchung der knorpelspezifischen ECM-Bestandteile keine grundlegenden Unterschiede zwischen beiden Cross-linkern, wobei durch die Verwendung von PG-Acr eine gleichmäßigere Ablagerung von Knorpelmatrix in die entsprechenden Gele zu erkennen war. Zusammenfassend lässt
sich feststellen, dass die Möglichkeiten für eine biomimetische Funktionalisierung durch die Verwendung von PG-Acr deutlich erhöht wurden, ohne dabei die Chondrogenese von MSCs negativ zu beeinträchtigen (Abschnitt 5.1.3).

Der nächste Teil dieser Arbeit befasste sich mit der umfangreichen biomimetischen Funktionalisierung von mit PG-Acr (0,6%) vernetzten HA-SH Hydrogelen. Hierzu wurden entweder biomimetische Peptide oder ein chondrogener Wachstumsfaktor kovalent in das Hydrogel eingebunden.
Interessanterweise führte weder das Einbringen des N-Cadherin-mimetischen (HAV), des Kollagen II-bindenden (KLER), noch des Zelladhäsions-vermittelnden (RGD) Peptids zu einer Verbesserung der chondrogenen Differenzierung der MSCs. Beispielsweise führte das kovalente Anbinden von 2,5mM HAV zu einer Veränderung der Zellkernmorphologie und einer Verringerung der Glykosaminoglykan (GAG)-Produktion, wohingegen das Einbringen von 1,0mM RGD die Kollagenproduktion hemmte. Diese Ergebnisse könnten möglicherweise darauf zurückzuführen sein, dass die hier verwendeten HA-SH-Hydrogele selbst bereits ausreichend effizient für die chondrogene Differenzierung von MSCs sind. Im Vergleich dazu wurden die vorherigen Studien, die positive Effekte von Peptiden nachweisen konnten, entweder in neutralen PEG-Hydrogelen oder in wesentlich festeren MeHA-Hydrogelen durchgeführt [99, 101, 160]. Daraus lässt sich folgern, dass die Verwendung von Peptiden gerade unter ungünstigen Bedingungen von Bedeutung sein könnte und ein neutrales Gelsystem für die Untersuchung von einzelnen Peptideffekten geeignet scheint (Abschnitt 5.2.1).
Als nächstes wurde exemplarisch der chondrogene Wachstumsfaktor Transforming Growth Factor Beta 1 (TGF-b1) kovalent an PG-Acr angebunden. Durch die Verwendung von kovalent gebundenem TGF-b1 könnte somit die Notwendigkeit einer wiederholten Zugabe von TGF-b1 bei in vivo-Anwendungen vermieden werden, was wiederum bei einer potentiellen klinischen Anwendung von Vorteil sein könnte. Deshalb wurde der Einfluss von kovalent gebundenem TGF-b1 auf die Chondrogenese von MSCs mit der gleichen Menge ungebundenem TGF-b1 (100nM TGF-b1) verglichen. Hierbei wurde ein
signifikant positiver, dosisabhängiger Effekt von kovalent gebundenem TGF-b1 erfolgreich nachgewiesen. Die Chondrogenese von MSCs in Hydrogelen mit kovalent gebundenem TGF-b1 war dabei der Chondrogenese von MSCs in Hydrogelen, in die TGF-b1 lediglich gemischt wurde, deutlich überlegen. Dies wurde anhand von stärkeren Färbungen für GAGs, Gesamtkollagen, Aggrecan und Kollagen II in den TGF-b1-modifizierten Gelen gezeigt. Darüber hinaus bestätigten sowohl biochemische Analysen des GAG- und Kollagengehalts, als auch Western Blot-Analysen die histologischen Daten. Zusätzlich wurde der positive Effekt von kovalent gebundenem TGF-b1 durch erhöhte Expressionsraten der chondrogenen Markergene COL2A1, ACAN und SOX9 nachgewiesen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass durch die kovalente Bindung des Wachstumsfaktors TGF-b1 ein signifikant positiver Effekt auf die chondrogene Differenzierung von MSCs entsteht (Abschnitt 5.2.2).
Generell stellen die auf Basis von Michael-Addition hergestellten PG-Acr-HA-SH-Hydrogele aufgrund ihrer hohen Acrylat-Funktionalität eine vielseitige Hydrogelplattform dar. So bieten diese Hydrogele zahlreiche Möglichkeiten für das Einbringen von verschiedensten biologischen Modifikationen wie die kovalente Bindung von biomimetischen Peptiden zusammen mit Wachstumsfaktoren in ein und demselben Zellträger.

Anhand eines Proof-of-principle-Experiments wurde die generelle Eignung von reinen PG-Hydrogelen für die Evaluation von einzelnen Peptideffekten demonstriert. Dazu wurden die Hydrogele unter Verwendung der Thiol-ene-click-Reaktion hergestellt. In diesem Hydrogelsystem, ohne den unterstützenden Effekt von HA, zeigten MSCs eine verstärkte chondrogene Differenzierung in Anwesenheit von 1,0mM HAV. Diese ließ sich anhand von stärkeren Färbungen für GAGs, Aggrecan und Kollagen II nachweisen. Außerdem waren die GAG- und Gesamtkollagen-Werte deutlich erhöht. Hiermit wurde gezeigt, dass sich die vielseitig modifizierbaren, reinen PG-Hydrogele für die Analyse von Peptideffekten und deren Interaktion mit Wachstumsfaktoren eignen (Abschnitt 5.3).

Der letzte Teil dieser Arbeit wurde im Rahmen des EU-Projektes HydroZONES durchgeführt, welches an der Entwicklung und Herstellung von zonalen Konstrukten arbeitet. Der Aspekt der zonalen Organisation von Knorpel rückte in den letzten Jahren verstärkt in den Fokus [127, 128], jedoch findet er im Bereich des Tissue Engineering noch immer wenig Beachtung. Deshalb wurde im Folgenden die zonale Verteilung von Zellen innerhalb eines Zellträgers realisiert. Dazu wurden zwei unterschiedlich zusammengesetzte Hydrogele mithilfe der Thiol-ene-click-Reaktion hergestellt: eine aus HA-SH(FMZ) bestehende untere Lage und eine darauf liegende Lage aus reinem PG. Hierbei gelang es stabile, zonale Konstrukte herzustellen, in denen MSCs in beiden Zonen chondrogen differenzierten, was anhand von GAG- und Kollagen II-Färbungen, sowie durch die Quantifizierung des GAG-Gehalts bestätigt wurde. Hiermit konnte ein aus zwei verschiedenen Hydrogelen zusammengesetztes zonales Konstrukt erfolgreich hergestellt werden (Abschnitt 5.4).

Durch den erstmaligen Einsatz des multifunktionalen Cross-linkers PG-Acr für das Tissue Engineering von Knorpel wurde ein auf Michael-Addition basierendes, vielseitiges HA-SH-Hydrogelsystem etabliert. Das hier vorgestellte Hydrogelsystem besitzt das Potenzial zukünftig als eine einfach anwendbare und vielseitige Toolbox zur Herstellung von biomimetischen Hydrogelen für die zellbasierte Knorpelregeneration verwendet zu werden. Vor allem könnte dabei der Einsatz von Stützstrukturen von entscheidender Bedeutung sein, um die mechanische Widerstandskraft der Zellträger zu erhöhen und somit das Potenzial für klinische Anwendungen zu vergrößern.
Zusätzlich wurde gezeigt, dass Thiol-ene-click-Hydrogele sowohl zur Herstellung von zellbeladenen, reinen PG-Gelen, als auch zur Herstellung von deutlich komplexeren, zonalen Konstrukten geeignet sind. Diese Thiol-ene-click-Hydrogele wurden bereits erfolgreich weiterentwickelt und für 3D-Bioprinting-Prozesse verwendet [204]. 3D-Bioprinting ist eine Teildisziplin des sich immer weiter entwickelnden Feldes der Biofabrikation [205]. Die Verwendung in diesem Bereich verändert zwar die Anforderungen an die hierfür verwendeten Hydrogele, ermöglicht es aber gleichzeitig deutlich komplexere sowie hierarchische Strukturen herzustellen und kleinere Lagen noch exakter zu positionieren [159, 206–209]. Da in den hier vorgestellten Thiol-ene-click-Hydrogelen eine deutliche chondrogene Differenzierung von MSCs nachgewiesen wurde, ist es vorstellbar, dass sie als Basis für die Herstellung sogenannter Bioinks dienen, welche in zukünftigen, anspruchsvollen Biofabrikationsprozessen Anwendung finden sollen.
KW  - Hyaluronsäure
KW  - Hydrogel
KW  - Knorpel
KW  - Tissue Engineering
KW  - Hyaluronic acid
KW  - Poly(glycidol)
KW  - Hydrogel
KW  - Cartilage Regeneration
KW  - Mesenchymal Stromal Cells
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155345
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Sednev, Maksim V.
A1  - Mykhailiuk, Volodymyr
A1  - Choudhury, Priyanka
A1  - Halang, Julia
A1  - Sloan, Katherine E.
A1  - Bohnsack, Markus T.
A1  - Höbartner, Claudia
T1  - N\(^6\)-methyladenosine-sensitive RNA-cleaving deoxyribozymes
T2  - Angewandte Chemie, International Edition
N2  - Deoxyribozymes are synthetic enzymes made of DNA that can catalyze the cleavage or formation of phosphodiester bonds and are useful tools for RNA biochemistry. Here we report new RNA-cleaving deoxyribozymes to interrogate the methylation status of target RNAs, thereby providing an alternative method for the biochemical validation of RNA methylation sites containing N\(^6\)-methyladenosine, which is the most wide-spread and extensively investigated natural RNA modification. Using in vitro selection from random DNA, we developed deoxyribozymes that are sensitive to the presence of N\(^6\)-methyladenosine in RNA near the cleavage site. One class of these DNA enzymes shows faster cleavage of methylated RNA, while others are strongly inhibited by the modified nucleotide. The general applicability of the new deoxyribozymes is demonstrated for several examples of natural RNA sequences, including a lncRNA and a set of C/D box snoRNAs, which have been suggested to contain m\(^6\)A as a regulatory element that influences RNA folding and protein binding.
KW  - N6-methyladenosine
KW  - RNA modification
KW  - deoxyribozymes
KW  - in vitro selection
KW  - DNA catalyst
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171753
N1  - This is the pre-peer reviewed version of the following article: M.V. Sednev, V. Mykhailiuk, P. Choudhury, J. Halang, K. E. Sloan, M. T. Bohnsack, C. Höbartner, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15117-15121, which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/anie.201808745. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Use of Self-Archived Versions.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Nose, Naoko
A1  - Werner, Rudolf A.
A1  - Ueda, Yuichiro
A1  - Günther, Katharina
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Javadi, Mehrbod S.
A1  - Fukushima, Kazuhito
A1  - Edenhofer, Frank
A1  - Higuchi, Takahiro
T1  - Metabolic substrate shift in human induced pluripotent stem cells during cardiac differentiation: Functional assessment using in vitro radionuclide uptake assay
JF  - International Journal of Cardiology
N2  - BACKGROUND:
Recent developments in cellular reprogramming technology enable the production of virtually unlimited numbers of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CM). Although hiPSC-CM share various characteristic hallmarks with endogenous cardiomyocytes, it remains a question as to what extent metabolic characteristics are equivalent to mature mammalian cardiomyocytes. Here we set out to functionally characterize the metabolic status of hiPSC-CM in vitro by employing a radionuclide tracer uptake assay.

MATERIAL AND METHODS:
Cardiac differentiation of hiPSC was induced using a combination of well-orchestrated extrinsic stimuli such as WNT activation (by CHIR99021) and BMP signalling followed by WNT inhibition and lactate based cardiomyocyte enrichment. For characterization of metabolic substrates, dual tracer uptake studies were performed with \(^{18}\)F‑2‑fluoro‑2‑deoxy‑d‑glucose (\(^{18}\)F-FDG) and \(^{125}\)I‑β‑methyl‑iodophenyl‑pentadecanoic acid (\(^{125}\)I-BMIPP) as transport markers of glucose and fatty acids, respectively.

RESULTS:
After cardiac differentiation of hiPSCs, in vitro tracer uptake assays confirmed metabolic substrate shift from glucose to fatty acids that was comparable to those observed in native isolated human cardiomyocytes. Immunostaining further confirmed expression of fatty acid transport and binding proteins on hiPSC-CM.

CONCLUSIONS:
During in vitro cardiac maturation, we observed a metabolic shift to fatty acids, which are known as a main energy source of mammalian hearts, suggesting hi-PSC-CM as a potential functional phenotype to investigate alteration of cardiac metabolism in cardiac diseases. Results also highlight the use of available clinical nuclear medicine tracers as functional assays in stem cell research for improved generation of autologous differentiated cells for numerous biomedical applications.
KW  - tracer
KW  - Stammzelle
KW  - induced pluripotent stem cells
KW  - cardiomyocytes
KW  - fatty acid
KW  - stem cell therapy
KW  - hiPSC-CM
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170699
VL  - 269
ER  - 
TY  - THES
A1  - Behets, Jean Nicolas
T1  - Biomimetic calcium phosphate modification of 3D-printed tissue engineering scaffolds using reactive star-shaped macromers
T1  - Biomimetische Calcium-Phosphat Modifikation auf 3D-gedruckten tissue engineering Scaffolds mit reaktiven stern-förmigen Makromeren
N2  - Biomimetic calcium phosphate (CaP) coatings imitate the trabecular bones surface structure and have shown to promote osteogenic differentiation in multipotent cells. The work of this thesis focused on the problem of former CaP coatings cracking and flaking off when being put on a bendable core structure like a 3D-printed poly (ε-caprolactone) (PCL) scaffold. The aim was to provide a chemical linkage between PCL and CaP using a star-shaped polymer (sPEG) and a phosphonate, 2-aminoethylphosphonic acid (2-AEP). First, a published CaP coating protocol was revised and investigated in terms of etching parameters for the PCL scaffold. Results presented reproducible thick coatings for all groups. The protocol was then broadened to include subsequent scaffold incubation in sPEG and 2-AEP solutions. Homogenous CaP coatings of decreased thickness presented themselves, proving feasibility. However, as is often found with physical CaP coating depositions, there were some irregular outcomes even during the same experimental group. A lower consumption of the chemical 2-AEP, for economic reasons, meant that the protocol was altered to simultaneously incubate scaffolds with sPEG and 2-AEP including preceding calculations for molar ratios. For ratios 1:1, 1:2 and 1:3, again a homogenous CaP coating was produced on most of the samples, although reproducibility issues maintained. However, the mechanical bending to induce surface cracking showed that the CaP did strongly bond to the sPEG/2-AEP, while the control CaP coating flaked off the surface in large pieces. This research demonstrates that chemically-bound CaP coatings resist flaking off the fiber surface. Future investigations should focus on the mechanisms of CaP crystallization, to improve reproducibility.
N2  - Biomimetische Calciumphosphat (CaP) - Beschichtungen imitieren die oberflächliche Struktur des spongiösen Knochens und wirkten sich bereits begünstigend auf die osteogene Differenzierung von multipotenten Zellen aus. Diese Dissertation konzentriert sich auf das Problem des Reißens und Abplatzens bisheriger CaP-Beschichtungen, wenn diese sich auf einem biegsamen Kern-Gerüst, wie einem 3D-gedruckten Polycaprolacton (PCL)-Konstrukt befanden. Das Ziel war, durch den Gebrauch eines sternförmigen Polymers (sPEG) und eines Phosphonates, 2-Aminoethylphosphonsäure (2-AEP), eine chemische Verknüpfung zwischen PCL und CaP herzustellen. Zuerst wurde ein bereits publiziertes CaP-Beschichtungs-Protokoll nachgestellt und verschiedene Ätzungsparameter untersucht. Die Ergebnisse zeigten reproduzierbare, dicke Beschichtungen in allen Gruppen. Danach wurde dieses Protokoll erweitert, indem es nun nacheinander gestellte Inkubationen in sPEG- und 2-AEP-Lösungen mit einbezog. Dünnere, homogene Beschichtungen waren das Ergebnis, was beweist, dass die Hypothese realisierbar ist. Jedoch zeigten die Ergebnisse nicht reproduzierbare Resultate. Desweiteren, war der 2-AEP Verbrauch nicht wirtschaftlich. Daher wurde das Protokoll weiterentwickelt, indem die Proben, nach vorherigen Berechnungen zu den molaren Verhältnissen, simultan mit sPEG und 2-AEP inkubiert wurden. Für die Verhältnisse 1:1, 1:2 und 1:3 wurden wiederum homogene CaP-Beschichtungen produziert. Mit der Absicht Reproduzierbarkeit zu erzielen, wurden weitere Parameter untersucht. Dies blieb jedoch erfolglos. Zuletzt wurde ein mechanischer Test durchgeführt, welcher eine verbesserte CaP-Adhäsion zu den PCL-Fasern nahelegt, wenn diese zuvor mit sPEG und 2-AEP inkubiert wurden. Zukünftige Untersuchungen werden jedoch von Nöten sein, um Daten zur Oberflächenanalyse und von weiteren mechanischen Tests bereitzustellen und um das Protokoll in Bezug auf die Reproduzierbarkeit zu verbessern.
KW  - Tissue engineering
KW  - Calcium phosphate
KW  - Melt electrospinning
KW  - Star-shaped poly(ethylene glycol)
KW  - 2-Aminoethylphosphonic acid
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171728
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Werner, Rudolf
A1  - Hänscheid, Heribert
A1  - Leal, Jeffrey P.
A1  - Javadi, Mehrbod S.
A1  - Higuchi, Takahiro
A1  - Lodge, Martin A.
A1  - Buck, Andreas K.
A1  - Pomper, Martin G.
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Rowe, Steven P.
T1  - Impact of Tumor Burden on Quantitative [\(^{68}\)Ga]DOTATOC Biodistribution
JF  - Molecular Imaging and Biology
N2  - Purpose: As has been previously reported, the somatostatin receptor (SSTR) imaging agent [\(^{68}\)Ga]-labeled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N,N',N'',N'''-tetraacetic acid-d-Phe(1)-Tyr(3)-octreotate ([\(^{68}\)Ga]DOTATATE) demonstrates lower uptake in normal organs in patients with a high neuroendocrine tumor (NET) burden. Given the higher SSTR affinity of [\(^{68}\)Ga]DOTATATE, we aimed to quantitatively investigate the biodistribution of [\(^{68}\)Ga]-labeled 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N,N',N'',N'''-tetraacetic acid-d-Phe(1)-Tyr(3)-octreotide ([68Ga]DOTATOC) to determine a potential correlation between uptake in normal organs and NET burden.
Procedures: Of the 44 included patients, 36/44 (82%) patients demonstrated suspicious radiotracer uptake on [\(^{68}\)Ga]DOTATOC positron emission tomography (PET)/x-ray computed tomography (CT). Volumes of Interest (VOIs) were defined for tumor lesions and normal organs (spleen, liver, kidneys, adrenals). Mean body weight corrected standardized uptake value (SUV\(_{mean}\)) for normal organs was assessed and was used to calculate the corresponding mean specific activity uptake (Upt: fraction of injected activity per kg of tissue). For the entire tumor burden, SUV\(_{mean}\), maximum standardized uptake value (SUV\(_{max}\)), and the total mass (TBM) was calculated and the decay corrected tumor fractional uptake (TBU) was assessed. A Spearman’s rank correlation coefficient was used to determine the correlations between normal organ uptake and tumor burden. 
Results: The median SUV\(_{mean}\) was 18.7 for the spleen (kidneys, 9.2; adrenals, 6.8; liver, 5.6). For tumor burden, the median values were SUV\(_{mean}\) 6.9, SUV\(_{max}\) 35.5, TBM 42.6g, and TBU 1.2%. With increasing volume of distribution, represented by lean body mass and body surface area (BSA), Upt decreased in kidneys, liver, and adrenal glands and SUV\(_{mean}\) increased in the spleen. Correlation improved only for both kidneys and adrenals when the influence of the tumor uptake on the activity available for organ uptake was taken into account by the factor 1/(1-TBU). TBU was neither predictive for SUV\(_{mean}\) nor for Upt in any of the organs. The distribution of organ Upt vs. BSA/(1-TBU) were not different for patients with minor TBU (<3%) vs. higher TBU (>7%), indicating that the correlations observed in the present study are explainable by the body size effect. High tumor mass and uptake mitigated against G1 NET. 
Conclusions: There is no significant impact on normal organ biodistribution with increasing tumor burden on [\(^{68}\)Ga]DOTATOC PET/CT. Potential implications include increased normal organ dose with [\(^{177}\)Lu-DOTA]\(^0\)-D-Phe\(^1\)-Tyr\(^3\)-Octreotide and decreased absolute lesion detection with [\(^{68}\)Ga]DOTATOC in high NET burden.
KW  - somatostatin receptor
KW  - Positronen-Emissions-Tomografie
KW  - quantification
KW  - [68Ga]DOTATOC
KW  - neuroendocrine tumor
KW  - SSTR-PET
KW  - theranostics
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-170280
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gerlach, Jennifer
T1  - Influence of Myc-interacting proteins on transcription and development
T1  - Der Einfluss von Myc-interagierenden Proteinen auf Transkription und Entwicklung
N2  - The transcription factor Myc interacts with several co-factors to regulate growth and proliferationand thereby enables normal animal development. Deregulation of Myc is associated witha wide range of human tumors. Myc binds to DNA together with its dimerization partner Max, preferentially to canonical E-box motifs, but this sequence-specific interaction is probably not sufficient for Myc’s binding to target genes.
In this work, the PAF1 complex was characterized as a novel co-factor of Myc in Drosophila melanogaster. All components of the complex are required for Myc’s recruitment to chromatin, but the subunit Atu has the strongest effect on Myc's binding to target genes through ist direct physical interaction with Myc. Unexpectedly, the impact of Atu depletion on the Expression of Myc target genes was weak compared to its effect on Myc binding. However, the influence of Atu becomes more prominent in situations of elevated Myc levels in vivo . Mycrepressed as well as Myc-activated targets are affected, consistent with the notion that Myc
recruitment is impaired.
An independent set of analyses revealed that Myc retains substantial activity even in the complete absence of Max. The overexpression of Myc in Max0 mutants specifically blocks their pupariation without affecting their survival, which raised the possibility that Myc might
affect ecdysone biosynthesis. This connection was studied in the second part of this Thesis which showed that Myc inhibits the expression of ecdysteroidogenic genes and thereby the production of ecdysone. Myc most likely affects the signaling pathways (PTTH and insulin
signaling) upstream of the PG, the organ where ecdysone is produced. By combining existing ChIPseq, RNAseq and electronic annotation data, we identified five potential Maxindependent Myc targets and provided experimental data that they might be involved in Myc's effect on Max mutant animals. Together our data confirm that some Myc functions are Max-independent and they raise the possibility that this effect might play a role during replication.
N2  - Der Transkriptionsfaktor Myc interagiert mit verschiedenen Cofaktoren, um Wachstum und Proliferation zu regulieren, was die normale Entwicklung von Tieren ermöglicht. Die Fehlreguliereung von Myc wird mit einer großen Anzahl menschlicher Tumore in Verbindung gebracht.
Myc bindet gemeinsam mit seinem Dimerisationspartner Max an DNA, bevorzugt an kanonische E-Box Motive. Allerdings ist diese sequenz-spezifische Interaktion wahrscheinlich
nicht ausreichend für die Bindung von Myc an Zielgene.
In dieser Arbeit wurde der PAF1 Komplex als ein neuartiger Cofaktor von Myc in Drosophila melanogaster charakterisiert. Alle Komponenten des Komplexes sind für die Rekrutierung von Myc an Chromatin notwendig, jedoch hat die Untereinheit Atu, durch ihre direkte physische
Interaktion mit Myc, den stärksten Effekt auf die Bindung von Myc an Zielgene. Verglichen mit dem Effekt auf die Bindung von Myc hatte die Depletion von Atu nur einen schwachen Einfluss auf die Expression der Myc Zielgene. In vivo ist der Einfluss von Atu stärker ausgeprägt in Situationen in denen die Myc Proteinlevel erhöht sind. Sowohl Myc-reprimierte als auch Myc-aktivierte Gene sind dadurch betroffen. Dies stimmt mit der Entdeckung überein,
dass die Rekrutierung von Myc beeinträchtigt ist.
Unabhängige Versuche haben gezeigt, dass Myc eine deutliche Aktivität behält auch bei vollständiger Abwesenheit von Max. Die Überexpression von Myc in Max0 Mutanten verhindert deren Verpuppung ohne ihr Überleben zu beeinträchtigen. Dies führt zu der Vermutung,
dass Myc einen Einfluss auf die Biosynthese von Ecdyson hat. Diese Verbindung wurde im zweiten Teil der Arbeit untersucht und hat gezeigt, dass Myc die Expression von Genen, die an der Ecdyson-Synthese beteiligt sind, verhindert und dadurch die Produktion von Ecdyson
selbst. Myc wirkt bevorzugt auf die Signalwege (PTTH und Insulin Signalkaskade) oberhalb der Prothorakaldrüse, dem Organ in dem Ecdyson produziert wird. Durch die Kombination von ChIPseq, RNAseq und der Auswertung elektronischer Daten wurden von uns fünf potentielle
Max-unabhängige Zielgene von Myc identifiziert. Des weiteren haben experimentelle Daten gezeigt, dass diese in Zusammenhang mit dem Effekt von Myc auf Max0 Mutanten
stehen. Zusammenfassend haben unsere Daten bestätigt, dass einige Funktionen von Myc Max-unabhängig sind und es besteht die Möglichkeit, dass dieser Effekt eine Rolle während der Replikation spielen könnte.
KW  - Drosophila Myc transcription growth PAF1
KW  - Taufliege
KW  - Myc
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154917
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, Julian
T1  - Synthesis and Photophysical Investigation of Donor-Acceptor-Substituted meta- and para-Benzene Derivatives
T1  - Synthese und Photophysikalische Untersuchung Donor-Akzeptor-Substituierter meta- und para-Benzolderivate
N2  - Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die erfolgreiche Synthese einer Serie von bisTriarylamin (bisTAA) Verbindungen vorgestellt. Zum einen wurde das Substitutionmuster an der Benzol Brückeneinheit in Form einer meta- bzw. para-Ständigkeit der Redoxzentren (pX bzw. mX), und zum anderen die energetische Lage der Brückeneinheit durch zwei elektronen-schiebende oder ziehende Substituenten X (mit X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-Position variiert. Im Falle der meta-Serie wurden auch einige in 4,6-Position substituierte Verbinungen hergestellt (mX46). Die neutral Verbindungen wurden bezüglich ihrer elektrochemischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht.
Durch Oxidation konnten die gemischt valenten (MV), kationischen bisTAA-Verbindungen erzeugt werden. Der thermisch induzierte Lochtransfer (HT) wurde durch temperatur-abhängige ESR-Spektroskopie untersucht. Während die HT-Rate k und HT-Barriere ΔG in mX unbeeinflusst von den Substituenten X sind, steigen gleichzeitig k und ΔG in der pX-Serie mit zunehmenden Elektonenschub von X an. Diese zunächst widersprüchliche Beobachtung konnte durch einen ansteigenden Einfluss von Lösungsmitteleffekten und dadurch resultierend, einer zusätzlichen effektiven Barriere erklärt werden.
Der optisch induzierte Lochtransfer wurde mittels UV/Vis/NIR-Spektroskopie untersucht. Die pX-Serie zeigte eine Zuhname der elektronischen Kopplung V und dementsprechende eine Abnahme von ΔG, mit Anstieg des elektonenschiebenden Charakters von X. Für mX war eine spektroskopische Bestimmung dieser Parameter nicht möglich. Die mX46-Serie zeigte ein intermediäres Verhalten, wobei MV-Verbindungen mit stark elektronenschiebenden X eine ähnliche hohe Kopplungen wie pX aufwiesen, was mit Hilfe von DFT-Rechnungen bezüglich der Molekülorbitale erklärt werden konnte.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Synthese einer Serie von Verbindungen mit Triarylamin (TAA) als Donor und Naphthalindiimid (NDI) als Akzeptor vorgestellt. Auch hier wurde zum einen das Substitutionmuster an der Benzol-Brückeneinheit in Form einer meta- bzw. para-Ständigkeit der Redoxzentren (pXNDI bzw. mXNDI) variieiet und die energetische Lage der durch X (mit X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-Position variiert. Außerdem wurde die in 4,6-Position substituierte Verbinungen mOMe46NDI hergestellt. Alle Verbindungen wurden bezüglich ihrer elektochemischen und photophysikalischen Eigenschaften untersucht.
Die Elektronentransferprozesse der Ladungsseparierung (CS) und Ladungsrekombination (CR) dieser Verbindungen sollten mittels transienter Absorptionsspektroskopie (TA) in Toluol untersucht werden. Für die Nitroverbindungen p-/mNO2NDI war dies nicht möglich, da sich diese unter Bestrahung zersetzten. Die CR von pXNDI waren nicht im ns-Bereich detektierbar, weshalb sich auf die mXNDI-Serie (mit X = OMe–CN) konzentriert wurde.
Die CS wurde mittels fs-TA untersucht. Nach optischer Anregung konnte die Bildung eines CS-Zustandes detektiert werden, dessen Bildungsgeschwindigkeit hin zu elektronen-ziehenden Substituenten X steigt. Die CR wurde mit ns-TA untersucht. Sie findet in der Marcus invertierten Region statt und zeichnet sich wird durch ein biexponentialles Abklingverhaten, was durch ein Singulet-Triplett Gleichgewicht im CS-Zustand zustande kommt, aus. Durch Anlegen eines externen Magnetfeldes ließ sich das Abklingverhalten entscheidend verändern und es konnte eine Singulett-Triplett Aufspaltung nachgewiesen werden. Dieser Befund konnte weiterhin durch Simulation der Abklingkurven bestätigt werden.

In beiden Teilen dieser Arbeit konnte ein entscheidender Einfluss der Benzolbrücke auf die auftretenden Ladungstransferprozesse gezeigt werden. Für den HT in Grundzustand der MV bisTAA Verbindungen, sowie der ET im angeregten Zustand der Donor-Akzeptor-Verbindungen, wurden die höchsten ET-Raten für die para-Serien pX und pXNDI gefunden, während die meta-Serien mX und mXNDI deutlch kleine Transferraten aufwiesen. In beiden Studien zeigten die meta46-Verbindungen mX46 und mOMeNDI46 ein intermediäres Verhalten, zwischen denen der para- und meta-Verbindungen.
N2  - In the first part of this thesis, the synthesis of a series of bistriarylamine (bisTAA) compounds was presented. On the one hand, the substitution pattern of the TAA at the benzene bridging unit was varied from meta- to para-position (pX and mX), on the other hand, the energetic position of the bridging unit was tuned by use of two electron-donating or electron-accepting substituents X (with X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) in 2,5-position. In case of the meta-series, compounds with X in 4,6-position were synthesized (mX46). The photophysical and electrochemical properties of the neutral compounds were investigated.
The cationic mixed valence (MV) bisTAA compounds could be generated by oxidation. Thermally induced hole transfer (HT) in the groud state was investigated by temperature depending ESR spectroscopy. While the HT rate k and HT barrier ΔG in mX are unaffected by the substituents X, k and ΔG in the pX series increase simultaneously with increasing electron-donating strength of X. This, at first contradictory observation can be explained by an increasingly important solvent dynamic effect and an additional, effective barrier. The optically induced HT was examined by UV/Vis/NIR spectroscopy. The pX-series revealed an increase of the electronic coupling V, and correspondingly a decrease of ΔG, with an increase of the electron donating character of X. For mX, a spectroscopic determination of these parameters was not possible. mX46 showed an intermediate behavior, MV compounds with strong electron-donating X, obtained coupling of similar magnitude as pX, which could be explained by means of DFT calculations, with regard to the molecular orbitals.

In the second part of this work, the synthesis of a series of dyads with triarylamine (TAA) as a donor and naphthalene diimide (NDI) as an acceptor was presented. Again, the substitution pattern of the redox centers at the benzene bridging unit was varied in the form of a meta- or para-position (pXNDI or mXNDI) and the energetic position of the bridging unit was varied by X (with X = OMe, Me, Cl, CN, NO2) attached in the 2,5-position. Additionally, compound mOMe46NDI with methoxy substitution in 4,6-position was synthesized. The photophysical and electrochemical properties of these compounds were investigated. The electron transfer (ET) processes of charge separation (CS) and charge recombination (CR) of these were investigated by means of transient absorption (TA) spectroscopy in toluene. This was not possible for the nitro-compounds p-/mNO2NDI, since they decomposed under irradiation. In addition to that, the CR of pXNDI was not detectable by ns-setup, which is why the focus was given to the mXNDI series (with X = OMe–CN).The CS was examined by fs-TA spectroscopy, where the formation of a CS state could be detected. The rise time of the CS states decreases with increasing electron-withdrawing substituents X. CR was examined with ns-TA spectroscopy and shows a biexponential decay behavior, which is caused by singlet-triplet equilibrium in the CS state. By applying an external magnetic field, the decay behavior was decisively changed and the singlet-triplet splitting could be determined. This finding could also be confirmed by simulating the decay curves.

In both parts of this work, the decisive influence of the benzene bridging unit on the appearing ET processes became obvious. For the HT in the ground state of the MV compound, as well as for the ET in the exited states of the DA compounds, the highest transfer rates were found for the para-series pX and pXNDI, and much smaller rates for the meta-series mX and mXNDI. The meta46-compounds mX46 and mOMeNDI46 showed an intermediate behavior in both parts of this work.
KW  - Synthese
KW  - Elektronentransfer
KW  - UV-VIS-Spektroskopie
KW  - Magnetfeldeffekt
KW  - intervalence charge transfer
KW  - transient absorption spectroscopy
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155007
ER  - 
TY  - THES
A1  - Cabello González, Victoria
T1  - From behavioral to neurobiological characterization of Rsk2 knockout mice as an animal model for Coffin-Lowry syndrome
T1  - Vom Verhalten bis zur neurobiologischen Charakterisierung von Rsk2-defizienten Mäusen, einem Tiermodell für das Coffin-Lowry Syndrom
N2  - Coffin-Lowry syndrome is a rare syndromic form of X-linked mental retardation caused by heterogeneous loss-of-function mutations in the gene RPS6KA3 that encodes the RSK2 protein. Clinical features are delayed motor development, small height, progressive skeletal malformations and mental retardation. 
Rsk2 deficiency affects behavioral, cellular and molecular functions. To characterize and investigate how this deficiency affects these functions, we made a series of experiments using Rsk2-deficient mice as the animal model for Coffin-Lowry syndrome.
We applied a battery of behavioral tests and included the use of the IntelliCage for the first time as a behavioral paradigm to study anxiety-like behavior and depression-like behavior in Rsk2-deficient mice. Results from the conventional behavioral tests and from the IntelliCage indicate that Rsk2-deficient mice may have an anti-anxiety and anti-depressive phenotype. 
We evaluated in Rsk2 deficient mice the relative gene expression of a set of genes coding for proteins related to RSK2 which are involved in fear memory, synaptic plasticity, neurogenesis, learning, emotional behavior and stress. We found gene expression alterations in the prefrontal cortex and striatum. These results suggest that RSK2 may be involved in the expression of the genes.
RSK2 is known to be related to monoamine neurotransmitter function. We measured the levels of dopamine, serotonin and noradrenaline/norepinephrine and their metabolites in different brain regions of Rsk2-deficient mice. We found differences in the dopaminergic and noradrenergic systems suggesting an increased or decreased activity of these neurotransmission systems as a result of Rsk2 deficiency.
Adult neurogenesis is a form of neuronal plasticity and a multi-step process of cell development. We explored if this form of neuronal plasticity was affected by Rsk2-deficiency. Our results indicate that adult hippocampal neurogenesis is not influenced by lifelong Rsk2 deficiency. It would be worth to analyze in the future other aspects of neuroplasticity.
We have confirmed, that behavioral characteristics of Rsk2-deficient mice make them an interesting model to study the Coffin-Lowry syndrome by extending the behavioral characterization on the emotional level. Furthermore, we have extended the characterization of the model on a molecular level, opening new opportunities to study and understand the pathophysiological basis of the Coffin-Lowry syndrome.
N2  - Das Coffin-Lowry Syndrom ist eine seltene syndromale Form X-gebunden vererbter geistiger Behinderung, verursacht durch heterogene loss of function Mutationen im RPS6KA3-Gen, welches für das RSK2-Protein kodiert. Klinische Charakteristika sind eine verzögerte motorische Entwicklung, eine geringe Körpergröße, fortschreitende Skelett- Malformationen und geistige Behinderung.
Die Rsk2-Mutation hat einen Einfluss auf das Verhalten, auf zelluläre und molekulare Funktionen. Um zu charakterisieren und zu untersuchen, wie diese Defizienz diese Funktionen beeinflusst, führten wir eine Reihe von Experimenten durch und verwendeten Rsk2-defiziente Mäuse als Tiermodell für das Coffin-Lowry Syndrom.
Wir wandten eine Reihe von Verhaltens-Tests an, einschließlich erstmals den IntelliCage als ein Verhaltensparadigma, um Angst-ähnliches und Depressions-ähnliches Verhalten in Rsk2-defizienten Mäusen zu untersuchen. Ergebnisse konventioneller Verhaltenstests und aus dem IntelliCage sprechen dafür, dass Rsk2-defiziente Mäuse einen „anti-ängstlichen“ und „anti-depressiven“ Phänotyp haben.
Wir haben bei Rsk2-defizienten Mäusen die Expression einer Reihe von Genen  untersucht, die für Proteine kodieren, die mit RSK2 in Zusammenhang stehen und darüber hinaus eine Bedeutung für das Angst-Gedächtnis, synaptische Plastizität, Neurogenese, Lernen, emotionales Verhalten und Stress haben. Im präfrontalen Kortex und Striatum konnten wir Genexpressionsunterschiede zwischen Rsk2-Wildtyp- und Knockout-Mäusen detektieren. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass RSK2 eine Rolle bei der Expression dieser Gene spielt.
Es ist bekannt, dass RSK2 eine Rolle für die monoaminerge Neurotransmitter-Funktion spielt. Deshalb haben wir die Konzentration von Dopamin, Serotonin und Noradrenalin/Norepinephrin und ihrer Metaboliten in verschiedenen Gehirnregionen von Rsk2-defizienten Mäuse untersucht. Wir haben Unterschiede im dopaminergen und noradrenergen System gefunden, was auf eine gesteigerte oder verminderte Aktivität dieser Neurotransmittersysteme als Folge der Rsk2-Defizienz hinweist.
Adulte Neurogenese ist eine Form neuronaler Plastizität und ein mehr-stufiger Prozess zellulärer Entwicklung. Unsere Untersuchungen der adulten Neurogenese im Hippocampus zeigten, dass sie nicht durch eine lebenslange Rsk2-Defizienz beeinflusst wird. In Zukunft wäre es jedoch sinnvoll, andere Aspekte der Neuroplastizität zu analysieren.
Durch unsere Verhaltensstudien wurde die Charakterisierung der Rsk2-defizienten Mäuse vor allem im emotionalen Bereich stark erweitert, wodurch wir bestätigen konnten, dass diese Mauslinie ein interessantes Modell zur Untersuchung des Coffein-Lowry Syndroms ist. Darüber hinaus haben wir die Charakterisierung des Modells auf der molekularen Ebene erweitert und damit neue Möglichkeiten eröffnet, die pathophysiologische Grundlage des Coffin-Lowry Syndroms zu studieren.
KW  - Knockout <Molekulargenetik>
KW  - Maus
KW  - Coffin-Lowry syndrome
KW  - Animal behavior IntelliCage system
KW  - RSK2
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171275
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kunz, Valentin
T1  - Supramolecular Approaches for Water Oxidation Catalysis with Ruthenium Complexes
T1  - Supramolekulare Ansätze für die Wasseroxidationskatalyse mit Rutheniumkomplexen
N2  - The catalytic splitting of water into its elements is an important reaction to establish hydrogen as a solar fuel. The bottle-neck of this process is considered to be the oxidative half reaction generating oxygen, and good catalysts are required to handle the complicated redox chemistry involved. As can be learned from nature, the incorporation of the catalytically active species into an appropriate matrix can help to improve the overall performance. Thus, the aim of the present thesis was to establish novel supramolecular approaches to improve water oxidation catalysis using the catalytically active {Ru(bda)} fragment as key motive (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate). 

First, the synthesis of ruthenium catalysts gathering three {Ru(bda)} water oxidation subunits in a macrocyclic fashion is described. By using bridging bipyridine ligands of different lengths, metallosupramolecular macrocycles with distinct sizes have been obtained. Interestingly, an intermediate ring size has been proven to be optimal for the catalytic water oxidation. Detailed kinetic, spectroscopic, and theoretical studies helped to identify the reaction mechanism and to rationalize the different catalytic activities. Furthermore, solubilizing side chains have been introduced for the most active derivative to achieve full water solubility. 

Secondly, the {Ru(bda)} fragment was embedded into supramolecular aggregates to generate more stable catalytic systems compared to a homogeneous reference complex. Therefore, the catalyst fragment was equipped with axial perylene bisimide (PBI) ligands, which facilitate self-assembly. Moreover, the influence of the different accessible aggregate morphologies on the catalytic performance has been investigated.
N2  - Die katalytische Spaltung von Wasser in seine Elemente ist eine wichtige Reaktion für die Erzeugung von Wasserstoff als alternativem Brennstoff. Die Sauerstoff-erzeugende Halbreaktion gilt gemeinhin als Flaschenhals dieses Prozesses, weshalb effiziente Katalysatoren benötigt werden um die komplizierte Redoxchemie zu bewältigen. Die Natur als Vorbild lehrt uns, dass die Einbettung katalytisch aktiver Zentren in eine unterstützende Matrix dazu beitragen kann deren Leistung erheblich zu steigern. Ziel der vorliegenden Dissertation war daher die Etablierung neuartiger supramolekularer Ansätze zur Verbesserung der Wasseroxidationskatalyse. Als Katalysator-Leitmotiv diente das {Ru(bda)}-Fragment (bda = 2,2'-Bipyridin-6,6'-dicarboxylat).

Zunächst wird die Synthese von Rutheniumkatalysatoren beschrieben, in denen drei {Ru(bda)}-Zentren in makrozyklischer Weise verknüpft sind. Durch die Verwendung von verbrückenden Bipyridin-Liganden unterschiedlicher Länge wurden metallosupramolekulare Makrozyklen mit verschiedenen Ringgrößen erhalten. Interessanterweise erwies sich eine mittlere Größe als optimal für die katalytische Wasseroxidation. Detaillierte kinetische, spektroskopische und theoretische Untersuchungen haben dazu beigetragen, den Reaktionsmechanismus zu identifizieren und die verschiedenen katalytischen Aktivitäten zu erklären. Darüber hinaus wurden löslichkeitsfördernde Seitenketten für den aktivsten Makrozyklus eingeführt, um eine vollständige Wasserlöslichkeit zu erreichen.

Darüber hinaus wurde das {Ru(bda)}-Fragment in supramolekulare Aggregate eingebettet, um im Vergleich zu einem homogenen Referenzkomplex stabilere katalytische Systeme zu erzeugen. Dafür wurde das Katalysatorfragment mit axialen Perylenbisimid-Liganden ausgestattet, welche zur Selbstassemblierung neigen. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss der verschiedenen zugänglichen Aggregatmorphologien auf die katalytische Aktivität untersucht.
KW  - Ruthenium Komplexe
KW  - Metallosupramolekulare Chemie
KW  - Katalyse
KW  - Wasseroxidation
KW  - ruthenium complexes
KW  - metallosupramolecular chemistry
KW  - catalysis
KW  - water oxidation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-154820
ER  -