TY  - THES
A1  - Höcker, Julian Harald
T1  - High-quality Organolead Trihalide Perovskite Crystals: Growth, Characterisation, and Photovoltaic Applications
T1  - Qualitativ-hochwertige bleiorganische Trihalogenid-Perowskit-Kristalle: Wachstum, Charakterisierung und photovoltaische Anwendungen
N2  - Overview of the Organolead Trihalide Perovskite Crystal Area
Studies of perovskite single crystals with high crystallographic quality is an important technological area of the perovskite research, which enables to estimate their full optoelectronic potential, and thus to boost their future applications [26]. It was therefore essential to grow high-quality single crystals with lowest structural as well as chemical defect densities and with a stoichiometry relevant for their thin-film counterparts [26]. Optoelectronic devices, e.g. solar cells, are highly complex systems in which the properties of the active layer (absorber) are strongly influenced by the adjacent layers, so it is not always easy to define the targeted properties and elaborate the design rules for the active layer. Currently, organolead trihalide perovskite (OLTP) single crystals with the structure ABX3 are one of the most studied crystalline systems. These hybrid crystals are solids composed of an organic cation such as methylammonium (A = MA+) or formamidinium (A = FA+) to form a three-dimensional periodic lattice together with the lead cation (B = Pb2+) and a halogen anion such as chloride, bromide or iodide (X = Cl-, Br- or I-) [23]. Among them are methylammonium lead tribromide (MAPbBr3), methylammonium lead triiodide (MAPbI3), as well as methylammonium lead trichloride (MAPbCl3) [62, 63]. Important representatives with the larger cation FA+ are formamidinium lead tribromide (FAPbBr3) and formamidinium lead triiodide (FAPbI3) [23, 64]. Besides the exchange of cations as well as anions, it was possible to grow crystals containing two halogens to obtain mixed crystals with different proportions of chlorine to bromine and bromine to iodine, as it is shown in Figure 70. By varying the mixing ratio of the halogens, it was therefore possible to vary the colour and thus the absorption properties of the crystals [85], as it can be done with thin polycrystalline perovskite films. In addition, since a few years it is also doable to grow complex crystals that contain several cations as well as anions [26, 80, 81]. These include the perovskites double cation – double halide formamidinium lead triiodide – methylammonium lead tribromide (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.1 (FAMA) [26, 80] and formamidinium lead triiodide – methylammonium lead tribromide – caesium lead tribromide (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.05(CsPbBr3)0.05 (CsFAMA) [81], which have made a significant contribution to increase the power conversion efficiency (PCE) in thin-film photovoltaics [47, 79, 182]. The growth of crystals to this day is performed exclusively from solution [23, 26, 56, 62]. Important preparation methods are the cooling acid-based precursor solution crystallisation [22], the inverse temperature crystallisation (ITC) [62], and the antisolvent vapour-assistant crystallisation (AVC) [137]. In the cooling crystallisation, the precursor salts AX and PbX2 are dissolved in an aqueous halogen-containing acid at high temperatures [56]. Controlled and slow cooling finally results in a supersaturated precursor solution, which leads to spontaneous nucleation of crystal nuclei, followed by subsequent crystal growth. The ITC method is based on the inverse or retrograde solubility of a dissociated perovskite in an organic solvent [23, 64]. With increasing temperature, the solubility of the perovskite decreases and mm-sized crystals can be grown within a few hours [23]. In the AVC method, the precursors are also dissolved in an organic solvent as well [137]. By slow evaporation of a so-called antisolvent [137], the solubility of the perovskite in the now present solvent mixture decreases and it finally precipitates. In addition, there are many other methods with the goal of growing high quality and large crystals in a short period of 
time [60, 61, 233, 310].
N2  - Mit der Antisolvent-Kristallisation (AVC) und der inversen Temperaturkristallisation (ITC) konnten alle aus der Dünnschichtanwendungen bekannten Perowskite auf Basis von Methylammonium als mm-große Kristalle gezüchtet werden. Detaillierte qualitative und quantitative Analysen ergaben die gleichen Stöchiometrie der Kristalle wie die ihrer entsprechenden Vorläuferlösung. Wie bereits erwähnt, war es möglich Kristalle mit einer Vielzahl unterschiedlicher Farben und dementsprechend variierenden Bandlücken zu erhalten, die durch selektive Änderung des Halogenverhältnisses als Photodetektoren im UV-VIS/NIR Bereich dienen könnten. Die Variation der Halogene führt jedoch nicht nur zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften, sondern auch zu einer Erhöhung der Gitterkonstante mit zunehmendem Brom/Chlor- bzw. Iod/Brom-Verhältnis. Darüber hinaus ändert sich die Gitterstruktur von einem einfachen kubischen Gitter für MAPbCl3 und MAPbBr3 zu einem tetragonal-raumzentrierten Gitter für MAPbI3.
Die Zahl der Verfahren zur Züchtung von OLTP-Einkristallen nimmt ständig zu. Die oben genannten Kristallisationsverfahren können kombiniert werden, um qualitativ hochwertige Perowskitkristalle zu züchten. Ein mechanischer Ansatz zur Züchtung komplexer und großformatiger Kristalle ohne Verwendung von Impfkristallen wurde mit der Wiederauffüllbaren-Kristallisationsmethode (RFCM) realisiert, die auf der inversen Löslichkeit von ITC beruht. Durch das Einleiten einer frischen Vorläuferlösung und die gleichzeitige Entfernung der verbrauchten Lösung war es möglich in-situ große Kristalle mit hervorragender struktureller Qualität zu züchten, wie die Röntgenbeugungsmessung (XRD) und die Rocking-Kurve eines FAMA-Einkristalls bestätigen. Die Methode ermöglicht nicht nur die Züchtung komplexer großer FAMA- und CsFAMA-Kristalle, sondern ist auch der etablierten Impfkristalltechnik überlegen, wie die radiographischen Messungen der Kristalloberfläche und des Kristallinneren zeigten. Um die Herausforderung der elektrischen Kontaktierung zu meistern, wurden Leiterplatten entwickelt, die die Kristalle sanft kontaktieren, um so elektronische Messungen zu ermöglichen.
Ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der inversen Löslichkeit wurde durch die Entwicklung eines neuen Kristallisationsverfahrens geleistet, das als reaktive inverse Temperaturkristallisation (RITC) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus reaktiver und inverser Temperaturkristallisation. Durch Zugabe einer geringen Menge eines primären Alkohols zur Perowskit-Vorläuferlösung konnte die inverse Löslichkeit des Perowskits drastisch reduziert werden. Dies konnte durch die Polaritätswerte der Alkohole bestimmt werden, wobei die Löslichkeit der Lösung mit abnehmender Polarität sank. Durch die geringere Löslichkeit konnten die Kristalle bei viel niedrigeren Temperaturen als mit der ITC-Methode gewachsen werden. Darüber hinaus eignet sich die Methode für die Züchtung aller bekannten bleiorganischen Trihalogenid-Perowskite und ermöglichte die Züchtung von qualitativ hochwertigen Einkristallen, was durch Röntgenmessungen bestätigt wurde.
Um Perowskit-Kristalle für photovoltaische Anwendungen zu nutzen, müssen sie wie die entsprechenden polykristallinen Dünnschichten in ihrer Dicke reduziert werden, da mm-dicke Kristalle für diesen Zweck weniger geeignet sind. Bevor jedoch µm-dicke Kristalle gezüchtet wurden, wurden polykristalline MAPbI3-Dünnschichten mit einigen 100 nm auf dem Lochleiter Poly[N,N’-bis(4-butilphenyl) - N,N’-bis(phenyl)-benzidine] (polyTPD) prozessiert, um im Folgenden effiziente Solarzellen herzustellen. Die erzielten Ergebnisse lieferten nicht nur einen weiteren wichtigen Beitrag zur Perowskit-Dünnschichtphotovoltaik, sondern die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten im Folgenden auch ein besseres Verständnis für die Herstellung von halbleitenden Bauteilen auf Basis von Kristallwafern und Kristall-„Filmen“. Insbesondere die hydrophobe Eigenschaft von Poly(triaryl)aminen erleichterte die Handhabung von MAPbI3-Wafern. Um die Waferdicke zu kontrollieren und Kristalle mit einer hohen Strukturqualität zu züchten, wurde ein selbst gebauter Aufbau verwendet. Ein Kristallwafer kann leicht auf einem mit Poly[bis(4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine] (PTAA)-beschichteten Siliziumwafer gezüchtet werden, wobei die Wachstumshöhe des Kristalls durch Abstandshalter begrenzt ist. Die gewachsenen MAPbI3-Wafer mit einer Dicke von wenigen hundert µm erwiesen sich als sehr vielversprechend für die Herstellung eines Photodetektor-Prototyps, was durch die Auswertung des Photostroms und der Photoresponsivität in Abhängigkeit von der Zeit bestätigt wurde. Schließlich gelang es die Dicke der Perowskitkristalle MAPbBr3 und MAPbI3 mit Hilfe der raumbegrenzten RITC-Methode auf nur 10 bis 15 µm zu reduzieren. Wie die Wafer, wiesen auch die Kristall-„Filme“ eine hohe Strukturqualität auf und wurden für die Fabrikation einer MAPbI3-basierten Solarzelle verwendet. Die Auswertung der charakteristischen Solarzellenparameter der MAPbI3-Kristall-„Film“-Solarzelle lieferte erste vielversprechende Ergebnisse und zeigt das Potenzial der Verwendung von Kristallen für photovoltaische Zellen, auch wenn die Herstellung von dünnen Perowskit-Kristall-Solarzellen heute noch sehr schwierig ist.
KW  - Perowskit
KW  - Kristall
KW  - Perovskite
KW  - Crystal
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258590
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wanner, Jonas Paul
T1  - Artificial Intelligence for Human Decision-Makers: Systematization, Perception, and Adoption of Intelligent Decision Support Systems in Industry 4.0
T1  - Künstliche Intelligenz für menschliche Entscheidungsträger: Systematisierung, Wahrnehmung und Akzeptanz von intelligenten Entscheidungsunterstützungssystemen im Kontext der Industrie 4.0
N2  - Innovative possibilities for data collection, networking, and evaluation are unleashing previously untapped potential for industrial production. However, harnessing this potential also requires a change in the way we work. In addition to expanded automation, human-machine cooperation is becoming more important: The machine achieves a reduction in complexity for humans through artificial intelligence. In fractions of a second large amounts of data of high decision quality are analyzed and suggestions are offered. The human being, for this part, usually makes the ultimate decision. He validates the machine’s suggestions and, if necessary, (physically) executes them.

Both entities are highly dependent on each other to accomplish the task in the best possible way. Therefore, it seems particularly important to understand to what extent such cooperation can be effective. Current developments in the field of artificial intelligence show that research in this area is particularly focused on neural network approaches. These are considered to be highly powerful but have the disadvantage of lacking transparency. Their inherent computational processes and the respective result reasoning remain opaque to humans. Some researchers assume that human users might therefore reject the system’s suggestions. The research domain of explainable artificial intelligence (XAI) addresses this problem and tries to develop methods to realize systems that are highly efficient and explainable.

This work is intended to provide further insights relevant to the defined goal of XAI. For this purpose, artifacts are developed that represent research achievements regarding the systematization, perception, and adoption of artificially intelligent decision support systems from a user perspective. The focus is on socio-technical insights with the aim to better understand which factors are important for effective human-machine cooperation. The elaborations predominantly represent extended grounded research. Thus, the artifacts imply an extension of knowledge in order to develop and/ or test effective XAI methods and techniques based on this knowledge. Industry 4.0, with a focus on maintenance, is used as the context for this development.
N2  - Durch innovative Möglichkeiten der Datenerhebung, Vernetzung und Auswertung werden Potenziale für die Produktion freigesetzt, die bisher ungenutzt sind. Dies bedingt jedoch eine Veränderung der Arbeitsweise. Neben einer erweiterten Automatisierung wird die Mensch-Maschinen-Kooperation wichtiger: Die Maschine erreicht durch Künstliche Intelligenz eine Komplexitätsreduktion für den Menschen. In Sekundenbruchteilen werden Vorschläge aus großen Datenmengen von hoher Entscheidungsqualität geboten, während der Mensch i.d.R. die Entscheidung trifft und diese ggf. (physisch) ausführt.

Beide Instanzen sind stark voneinander abhängig, um eine bestmögliche Aufgabenbewältigung zu erreichen. Es scheint daher insbesondere wichtig zu verstehen, inwiefern eine solche Kooperation effektiv werden kann. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz zeigen, dass die Forschung hierzu insbesondere auf Ansätze Neuronaler Netze fokussiert ist. Diese gelten als hoch leistungsfähig, haben aber den Nachteil einer fehlenden Nachvollziehbarkeit. Ihre inhärenten Berechnungsvorgänge und die jeweilige Ergebnisfindung bleiben für den Menschen undurchsichtig. Einige Forscher gehen davon aus, dass menschliche Nutzer daher die Systemvorschläge ablehnen könnten. Die Forschungsdomäne erklärbare Künstlichen Intelligenz (XAI) nimmt sich der Problemstellung an und versucht Methoden zu entwickeln, um Systeme zu realisieren die hoch-leistungsfähig und erklärbar sind.

Diese Arbeit soll weitere Erkenntnisse für das definierte Ziel der XAI liefern. Dafür werden Artefakte entwickelt, welche Forschungsleistungen hinsichtlich der Systematisierung, Wahrnehmung und Adoption künstlich intelligenter Entscheidungsunterstützungssysteme aus Anwendersicht darstellen. Der Fokus liegt auf sozio-technischen Erkenntnissen. Es soll besser verstanden werden, welche Faktoren für eine effektive Mensch-Maschinen-Kooperation wichtig sind. Die Erarbeitungen repräsentieren überwiegend erweiterte Grundlagenforschung. Damit implizieren die Artefakte eine Erweiterung des Wissens, um darauf aufbauend effektive XAI-Methoden und -Techniken zu entwickeln und/ oder zu erproben. Als Kontext der eigenen Erarbeitung wird die Industrie 4.0 mit Schwerpunkt Instandhaltung genutzt.
KW  - Künstliche Intelligenz
KW  - Entscheidungsunterstützungssystem
KW  - Industrie 4.0
KW  - Explainable AI
KW  - Erklärbare Künstliche Intelligenz
KW  - Artificial Intelligence
KW  - Industry 4.0
KW  - Decision Support Systems
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259014
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bangelesa, Freddy Fefe
T1  - Impacts of climate variability and change on Maize (\(Zea\) \(mays\)) production in tropical Africa
T1  - Auswirkungen von Klimavariabilität und Veränderungen auf die Mais (\(Zea\) \(mays\)) Produktion im tropischen Afrika
N2  - Climate change is undeniable and constitutes one of the major threats of the 21st century. It impacts sectors of our society, usually negatively, and is likely to worsen towards the middle and end of the century. The agricultural sector is of particular concern, for it is the primary source of food and is strongly dependent on the weather. Considerable attention has been given to the impact of climate change on African agriculture because of the continent’s high vulnerability, which is mainly due to its low adaptation capac- ity. Several studies have been implemented to evaluate the impact of climate change on this continent. The results are sometimes controversial since the studies are based on different approaches, climate models and crop yield datasets. This study attempts to contribute substantially to this large topic by suggesting specific types of climate pre- dictors. The study focuses on tropical Africa and its maize yield. Maize is considered to be the most important crop in this region. To estimate the effect of climate change on maize yield, the study began by developing a robust cross-validated multiple linear regression model, which related climate predictors and maize yield. This statistical trans- fer function is reputed to be less prone to overfitting and multicollinearity problems. It is capable of selecting robust predictors, which have a physical meaning. Therefore, the study combined: large-scale predictors, which were derived from the principal component analysis of the monthly precipitation and temperature; traditional local-scale predictors, mainly, the mean precipitation, mean temperature, maximum temperature and minimum temperature; and the Water Requirement Satisfaction Index (WRSI), derived from the specific crop (maize) water balance model. The projected maize-yield change is forced by a regional climate model (RCM) REMO under two emission scenarios: high emission scenario (RCP8.5) and mid-range emission scenario (RCP4.5). The different effects of these groups of predictors in projecting the future maize-yield changes were also assessed. Furthermore, the study analysed the impact of climate change on the global WRSI. The results indicate that almost 27 % of the interannual variability of maize production of the entire region is explained by climate variables. The influence of climate predictors on maize-yield production is more pronounced in West Africa, reaching 55 % in some areas. The model projection indicates that the maize yield in the entire region is expected to decrease by the middle of the century under an RCP8.5 emission scenario, and from the middle of the century to the end of the century, the production will slightly recover but will remain negative (around -10 %). However, in some regions of East Africa, a slight increase in maize yield is expected. The maize-yield projection under RCP4.5 remains relatively unchanged compared to the baseline period (1982-2016). The results further indicate that large-scale predictors are the most critical drivers of the global year-to-year maize-yield variability, and ENSO – which is highly correlated with the most important predictor (PC2) – seems to be the physical process underlying this variability. The effects of local predictors are more pronounced in the eastern parts of the region. The impact of the future climate change on WRSI reveals that the availability of maize water is expected to decrease everywhere, except in some parts of eastern Africa.
N2  - Weil die Folgen des Klimawandels die Lebensgrundlagen aller Lebewesen beeinträchtigen, ist der Klimawandel ein sehr relevantes Thema des 21. Jahrhunderts. Seine negativen Effekte betreffen bereits viele Sektoren unserer Gesellschaft und die Prognosen zeigen, dass sich die Auswirkungen des Klimawandels Mitte und Ende dieses Jahrhunderts ver- schärfen werden. Die Landwirtschaft ist besonders betroffen, denn sie ist sehr abhängig vom Klima. Da die Landwirtschaft als Hauptnahrungsquelle der Menschen gilt, ist es erforderlich sich mit den Problemen des Klimawandels rechtzeitig zu beschäftigen, um in der Zukunft die Ernährung der Menschheit gewährleisten zu können. Viele Forscher beschäftigen sich mit den Folgen des Klimawandels in der Landwirtschaft. Besonders in Afrika wurde viel geforscht, weil die Landwirtschaft in Afrika sich technisch schlecht anpassen kann, um die Schwierigkeiten, die mit dem Klimawandel einhergehen, zu über- winden. Mehrere Studien wurden durchgeführt, um die Auswirkungen des Klimawan- dels in Afrika zu bewerten. Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten statistischen Methoden, Modellierungen der Umweltprozesse oder Ertragsdaten sind die Ergebnisse teilweise kontrovers. Diese Studie versucht, einen wesentlichen Beitrag zum Einfluss des Klimawandels auf die Landwirtschaft in Westafrika zu leisten, indem sie spezifis- che Methoden vorschlägt, um das Klima der Zukunft projizieren zu können. Diese Studie behandelt Maiserträge in den Tropen Afrikas, da Mais dort die wichtigste Nutzpflanze ist. Um die Auswirkungen des Klimawandels auf den Maisertrag abzuschätzen, wurde ein Regressionsmodell (aus dem Englischen: robust cross-validated multiple) entwickelt, das Klimaprädiktoren und Maiserträge koppelt. Diese entwickelte statistische Übertra- gungsfunktion ist zuverlässiger bei Schwierigkeiten mit der Überanpassung und der Mul- tikollinearität. Außerdem ist sie auch in der Lage robuste Prädiktoren mit physikalischer Bedeutung auszuwählen. Deshalb wurden in der Studie großräumige und lokale Prädik- toren kombiniert. Erstere entstammen der Analyse der Komponenten des monatlichen Niederschlags und der Temperatur, letztere basieren basieren auf den mittleren und Ex- tremtemperaturen sowie dem mittleren Niederschlag. Zusätzlich zu den Prädiktoren wurde ein Index der Wasserbedarfsdeckung (Water Requirement Satisfaction Index, WRSI) verwendet, der auf einem Wasserhaushaltsmodell der Nutzpflanzen basiert. Die erwartete Mais-Ertragsänderung wird mithilfe eines regionalen Klimamodells (RCM) REMO für die Emissionsszenarien RCP8.5 und RCP4.5 simuliert. Die einzelnen Effekte der Prädiktoren- Gruppen bei der Prognose der zukünftigen Mais-Ertragsänderungen wurden ebenfalls bewertet. Darüber hinaus analysierte die Studie die Auswirkungen des Klimawandels auf den WSRI. Durchschnittlich zeigen die Ergebnisse eine jährliche Maisproduktionsän- derung von ca. 27 % in der gesamten Region. Diese Änderung, die in Westafrika mit ca. 55 % stärker ausgeprägt ist, ist eine Folge des Klimawandels. Die Simulationen des Mod- ells anhand von RCP8.5-Emissionsszenario zeigen auch, dass der Maisertrag der gesamten Region voraussichtlich bis Mitte des Jahrhunderts abnehmen wird. Danach findet eine geringe Ertragserhöhung statt, die jedoch um ca. 10 % unter der ursprünglichen Menge liegt. Im Gegensatz zu Westafrika wird in einigen Regionen Ostafrikas wird ein leichter Anstieg des Maisertrags simuliert. Die Mais-Ertragsprognose für die gesamte Region mittels RCP4.5 bleibt relativ unverändert im Vergleich zum ursprünglichen Ertrag. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die großräumigen Prädiktoren die wichtigste Rolle bei den globalen jährlichen Maisertragsschwankungen spielen. ENSO ist stark mit dem wichtigsten Prädiktor korreliert, was auf den physikalischen Prozess hinweist, der diese Ertragsänderung erklärt. Die Relevanz der lokalen Prädiktoren ist in den östlichen Re- gionen Afrikas stärker ausgeprägt. Sie beeinflussen den WRSI, sodass der Maisertrag im Verhältnis zur Wasserverfügbarkeit voraussichtlich überall abnehmen wird. Ausgenom- men sind einigen Regionen Ostafrikas.
KW  - Climate change
KW  - Food security
KW  - Modelling
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259347
ER  - 
TY  - THES
A1  - Harder, Tristan H.
T1  - Topological Modes and Flatbands in Microcavity Exciton-Polariton Lattices
T1  - Topologische Moden und Flachbänder in Mikrokavitäts-Exziton-Polariton-Gittern
N2  - The fascination of microcavity exciton-polaritons (polaritons) rests upon the combination of advanced technological control over both the III-V semiconductor material platform as well as the precise spectroscopic access to polaritonic states, which provide access to the investigation of open questions and complex phenomena due to the inherent nonlinearity and direct spectroscopic observables such as energy-resolved real and Fourier space information, pseudospin and coherence. The focus of this work was to advance the research area of polariton lattice simulators with a particular emphasis on their lasing properties. Following the brief introduction into the fundamental physics of polariton lattices in chapter 2, important aspects of the sample fabrication as well as the Fourier spectroscopy techniques used to investigate various features of these lattices were summarized in chapter 3. Here, the implementation of a spatial light modulator for advanced excitation schemes was presented. 
At the foundation of this work is the capability to confine polaritons into micropillars or microtraps resulting in discrete energy levels. By arranging these pillars or traps into various lattice geometries and ensuring coupling between neighbouring sites, polaritonic band structures were engineered. In chapter 4, the formation of a band structure was visualised in detail by investigating ribbons of honeycomb lattices. Here, the transition of the discrete energy levels of a single chain of microtraps to the fully developed band structure of a honeycomb lattice was observed. This study allows to design the size of individual domains in more complicated lattice geometries such that a description using band structures becomes feasible, as it revealed that a width of just six unit cells is sufficient to reproduce all characteristic features of the S band of a honeycomb lattice. In particular in the context of potential technological applications in the realms of lasing, the laser-like, coherent emission from polariton microcavities that can be achieved through the excitation of polariton condensates is intriguing. The condensation process is significantly altered in a lattice potential environment when compared to a planar microcavity. Therefore, an investigation of the polariton condensation process in a lattice with respect to the characteristics of the excitation laser, the exciton-photon detuning as well as the reduced trap distance that represents a key design parameter for polaritonic lattices was performed. Based on the demonstration of polariton condensation into multiple bands, the preferred condensation into a desired band was achieved by selecting the appropriate detuning. Additionally, a decreased condensation threshold in confined systems compared to a planar microcavity was revealed. 
In chapter 5, the influence of the peculiar feature of flatbands arising in certain lattice geometries, such as the Lieb and Kagome lattices, on polaritons and polariton condensates was investigated. Deviations from a lattice simulator described by a tight binding model that is solely based on nearest neighbour coupling cause a remaining dispersiveness of the flatbands along certain directions of the Brillouin zone. Therefore, the influence of the reduced trap distance on the dispersiveness of the flatbands was investigated and precise technological control over the flatbands was demonstrated. As next-nearest neighbour coupling is reduced drastically by increasing the distance between the corresponding traps, increasing the reduced trap distance enables to tune the S flatbands of both Lieb and Kagome lattices from dispersive bands to flatbands with a bandwidth on the order of the polariton linewidth. Additionally to technological control over the band structures, the controlled excitation of large condensates, single compact localized state (CLS) condensates as well as the resonant excitation of polaritons in a Lieb flatband were demonstrated. Furthermore, selective condensation into flatbands was realised. This combination of technological and spectroscopic control illustrates the capabilities of polariton lattice simulators and was used to study the coherence of flatband polariton condensates. Here, the ability to tune the dispersiveness from a dispersive band to an almost perfect flatband in combination with the selectivity of the excitation is particularly valuable. By exciting large flatband condensates, the increasing degree of localisation to a CLS with decreasing dispersiveness was demonstrated by measurements of first order spatial coherence. Furthermore, the first order temporal coherence of CLS condensates was increased from τ = 68 ps for a dispersive flatband, a value typically achieved in high-quality microcavity samples, to a remarkable τ = 459 ps in a flatband with a dispersiveness below the polarion linewidth. Corresponding to this drastic increase of the first order coherence time, a decrease of the second order temporal coherence function from g(2)(τ =0) = 1.062 to g(2)(0) = 1.035 was observed. Next to laser-like, coherent emission, polariton condensates can form vortex lattices. In this work, two distinct vortex lattices that can form in polariton condensates in Kagome flatbands were revealed. Furthermore, chiral, superfluid edge transport was realised by breaking the spatial symmetry through a localised excitation spot. This chirality was related to a change in the vortex orientation at the edge of the lattice and thus opens the path towards further investigations of symmetry breaking and chiral superfluid transport in Kagome lattices. 
Arguably the most influential concept in solid-state physics of the recent decades is the idea of topological order that has also provided a new degree of freedom to control the propagation of light. Therefore, in chapter 6, the interplay of topologically non-trivial band structures with polaritons, polariton condensates and lasing was emphasised. Firstly, a two-dimensional exciton-polariton topological insulator based on a honeycomb lattice was realised. Here, a topologically non-trivial band gap was opened at the Dirac points through a combination of TE-TM splitting of the photonic mode and Zeeman splitting of the excitonic mode. While the band gap is too small compared to the linewidth to be observed in the linear regime, the excitation of polariton condensates allowed to observe the characteristic, topologically protected, chiral edge modes that are robust against scattering at defects as well as lattice corners. This result represents a valuable step towards the investigation of non-linear and non-Hermitian topological physics, based on the inherent gain and loss of microcavities as well as the ability of polaritons to interact with each other. Apart from fundamental interest, the field of topological photonics is driven by the search of potential technological applications, where one direction is to advance the development of lasers. In this work, the starting point towards studying topological lasing was the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model, since it combines a simple and well-understood geometry with a large topological gap. The coherence properties of the topological edge defect of an SSH chain was studied in detail, revealing a promising degree of second order temporal coherence of g(2)(0) = 1.07 for a microlaser with a diameter of only d = 3.5 µm. In the context of topological lasing, the idea of using a propagating, topologically protected mode to ensure coherent coupling of laser arrays is particularly promising. Here, a topologically non-trivial interface mode between the two distinct domains of the crystalline topological insulator (CTI) was realised. After establishing selective lasing from this mode, the coherence properties were studied and coherence of a full, hexagonal interface comprised of 30 vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was demonstrated. This result thus represents the first demonstration of a topological insulator VCSEL array, combining the compact size and convenient light collection of vertically emitting lasers with an in-plane topological protection. 
Finally, in chapter 7, an approach towards engineering the band structures of Lieb and honeycomb lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites within each unit cell was presented. For Lieb lattices, this technique opens up a path towards controlling the coupling of a flatband to dispersive bands and could enable a detailed study of the influence of this coupling on the polariton flatband states. In an unbalanced honeycomb lattice, a quantum valley Hall boundary mode between two distinct, unbalanced honeycomb domains with permuted sites in the unit cells was demonstrated. This boundary mode could serve as the foundation for the realisation of a polariton quantum valley Hall effect with a truly topologically protected spin based on vortex charges. Modifying polariton lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites that comprise a unit cell was thus identified as an additional, promising path for the future development of polariton lattice simulators.
N2  - Die Faszination von Exziton-Polaritonen (Polaritonen) basiert auf der einzigartigen Kombination aus technologischer Kontrolle über die III-V Halbleiterplattform und umfassendem spektroskopischen Zugang zu polaritonischen Zuständen, die aufgrund ihrer inhärenten Nichtlinearität und vielfältigen Observablen, wie zum Beispiel Real- und Fourierraumspektren, Pseudospin und Kohärenz, Zugang zu diversen offenen Fragen und komplexen physikalischen Phänomenen bieten. Im Fokus dieser Arbeit lag die Weiterentwicklung von Polaritongittern als Simulatoren für diverse physikalische Phänomene. Dabei wurde insbesondere die das kohärente, Laser-artige Licht, das von Polaritonkondensaten ausgesendet wird, untersucht. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Zusammenfassung der für das Verständnis relevanten physikalischen Grundlagen in Kapitel 2, gefolgt von einer Beschreibung der Probenherstellung sowie der spektroskopischen Methoden, die für die Untersuchung der polaritonischen Gitter verwendet wurden, in Kapitel 3. Hier wurde insbesondere die Implementierung eines Spatial Light Modulators für die Erzeugung beliebig definierbarer Anregungsmuster präsentiert. 
Diese Arbeit basiert auf der Fähigkeit, Einschlusspotentiale in Form von Mikrotürmchen oder Mikrofallen für Polaritonen zu erzeugen, die zu einem diskretisierten Modenspektrum führen. Wird nun ein Gitter aus solchen Türmchen oder Fallen hergestellt, führt die Kopplung zwischen benachbarten Gitterpositionen zur Ausbildung von Bandstrukturen. Die Ausbildung einer solchen Bandstruktur wurde in Kapitel 4 anhand von Streifen eines Honigwabengitters veranschaulicht. Dabei konnte der Übergang vom diskreten Energiespektrum einer eindimensionalen Kette bis hin zur vollständig ausgebildeten Bandstruktur eines Honigwabengitters dargestellt werden. Diese systematische Untersuchung ermöglicht das gezielte Design neuer, komplizierterer Gittergeometrien, die aus verschiedenen Domänen bestehen, da gezeigt werden konnte, dass eine Domänengröße von sechs Einheitszellen ausreicht, um eine Bandstruktur zu erzeugen. Neben der Ausbildung von Bandstrukturen in Gittern ist das Phänomen der Polaritonkondensation, das zur Emission von kohärenter Strahlung führt, besonders spannend, da es in direktem Bezug zu möglichen technologischen Anwendungen als Laser steht. Da sich der Kondensationsprozess in einem Gitter grundsätzlich vom Kondensationsprozess in einer planaren Kavität unterscheidet, wurde dieser detailliert untersucht. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss des Anregungslasers, der Verstimmung zwischen Exziton und Photon, sowie des reduzierten Fallenabstandes, der einen wichtigen Parameter im Design neuer Gitter darstellt, untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte die Polaritonkondensation in mehrere Bänder nachgewiesen werden. Außerdem wurde selektive Kondensation in ein gewünschtes Band durch die Wahl einer geeigneten Verstimmung zwischen Exziton und Photon erreicht. Abschließend konnte eine Verringerung der Kondensationsschwelle in einem Gitter gegenüber einer planaren Kavität nachgewiesen werden. 
Ein bemerkenswertes Phänomen, das zum Beispiel in den Bandstrukturen von Lieb- und Kagomegittern auftritt, sind Flachbänder, deren Einfluss auf Polaritonen und Polaritonkondensate, insbesondere in Bezug zu ihren Kohärenzeigenschaften, in Kapitel 5 untersucht wurde. Abweichungen von einem Gittersimulator, der sich mit einem Tight Binding Modell, das nur Kopplung zwischen nächsten Nachbarn berücksichtigt, beschreiben lässt, führen dazu, dass Flachbänder entlang bestimmter Richtungen in der Brillouinzone dispersiv werden. Mit einer Untersuchung des Einflusses des reduzierten Fallenabstandes auf Flachbänder konnte technologische Kontrolle über diese Dispersivität gezeigt werden. Da die Kopplung zwischen übernächsten Nachbarn mit steigendem Abstand zwischen den Fallen stark abnimmt, lassen sich die Flachbänder in den S Bändern von Lieb und Kagomegittern von dispersiven in nahezu perfekte Flachbänder, deren Bandbreite in der Größenordnung der polaritonischen Linienbreite liegt, überführen, indem der reduzierte Fallenabstand vergrößert wird. Zusätzlich zur technologischen Kontrolle über die Dispersivität der Flachbänder wurde die kontrollierte Anregung von großen Flachbandkondensaten, Kondensaten in einzelnen Compact Localised States (CLS), sowie die resonante Anregung von Polaritonen in einem Lieb Flachband demonstriert. Insbesondere für das Flachband des Kagomegitters konnte selektive Kondensation realisiert werden. Diese Kombination aus technologischer und spektroskopischer Kontrolle verdeutlicht das Potential polaritonischer Gittersimulatoren. Aufbauend auf der Kontrolle über polaritonische Flachbänder wurde die Kohärenz von Flachbandkondensaten untersucht. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination aus der Möglichkeit, die Dispersivität des Flachbandes zu beeinflussen, und der selektiven Kondensation als besonders wertvoll. Durch interferometrische Messungen an großen Flachbandkondensaten konnte gezeigt werden, dass sich die Kohärenz mit abnehmender Dispersivität des Flachbandes auf einen CLS lokalisiert. Außerdem konnte eine Steigerung der Kohärenzzeit von τ = 68 ps, einem für hochwertige Mikrokavitäten typischen Wert, in einem dispersiven Flachband zu beeindruckenden τ = 459 ps in einem Flachband, dessen Dispersivität kleiner als die polaritonische Linienbreite ist, gezeigt werden. Passend zu dieser deutlichen Steigerung der Kohärenzzeit erster Ordnung konnte eine Abnahme der Kohärenzfunktion zweiter Ordnung von g(2)(τ =0) = 1.062 zu g(2)(0) = 1.035 beobachtet werden. Neben den mit einem Laser vergleichbaren Emissionseigenschaften können Polaritonkondensate Gitter aus Vortices ausbilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Vortexgitter nachgewiesen. Außerdem konnte durch Symmetriebrechung mittels eines lokalisierten Anregungslasers chiraler, superfluider Randtransport realisiert werden. Diese Chiralität konnte mit einer Änderung der Vortexausrichtung am Rand des Gitters in Verbindung gebracht werden und motiviert daher weitere Untersuchungen zu Symmetriebrechung und chiralem, superfluidem Transport in Kagomegittern. 
Das vermutlich einflussreichste Konzept in der Festkörperphysik der letzten Jahrzehnte ist die Idee einer topologischen Ordnung, die auch einen neuen Freiheitsgrad zur Kontrolle der Propagation von Licht bietet. Daher wurde in Kapitel 6 das Zusammenspiel aus topologisch nicht-trivialen Bandstrukturen und Polaritonen, Polarionkondensaten und Lasern untersucht. Zuerst wurde ein zweidimensionaler, polaritonischer, topologischer Isolator, der auf einem Honigwabengitter basiert, realisiert. Die topologisch nicht-triviale Bandlücke wurde durch eine Kombination aus einer Modenaufspaltung zwischen der transversal-elektrischen und der transversal-magnetischen Komponente der photonischen Mode sowie einer Zeeman-Aufspaltung der exzitonischen Mode geöffnet. Da die Bandlücke zu klein gegenüber der Linienbreite war, um sie im linearen Regime nachweisen zu können, wurden Polaritonkondensate angeregt. Mithilfe dieser Kondensate war es möglich, die charakteristischen, topologisch geschützten, chiralen Randmoden, die robust gegenüber Rückstreuung und Streuung an Defekten sowie den Ecken des Gitters sind, nachzuweisen. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt in der Untersuchung nicht-linearer und nichthermitischer, topologischer Systeme dar, da Mikrokavitäten eine intrinsische Nichtlinearität aufweisen und Polaritonen untereinander wechselwirken können. Neben dem fundamentalen Interesse wird das Feld der topologischen Photonik vor allem durch die Suche nach neuen technologischen Anwendungen vorangetrieben. Eine wichtige Forschungsrichtung ist dabei die Entwicklung neuer Laser. In dieser Arbeit war der Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Laser das Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Modell, da es eine einfache, gut verstandene Geometrie und eine große topologische Bandlücke bietet. Die Kohärenzeigenschaften des topologischen Randdefekts in SSH Ketten wurden detailliert untersucht und ein Grad zeitlicher Kohärenz zweiter Ordnung von g(2)(0) = 1.07 erreicht. Für einen Mikrolaser mit einem Durchmesser von nur d = 3.5 µm ist dies ein sehr gutes Ergebnis. Besonders vielversprechend in der Entwicklung topologischer Laser ist allerdings vor allem die kohärente Kopplung vieler Laser mithilfe einer propagierenden, topologisch geschützten Mode. Um diese Kopplung zu untersuchen wurde eine topologisch nichttriviale Mode an der Domänengrenze zwischen zwei kristallinen, topologischen Isolatoren implementiert. Nachdem selektive Laseremission aus dieser Mode erreicht wurde, wurden insbesondere die Kohärenzeigenschaften untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass 30 vertikal emittierende Laser, die eine geschlossene, hexagonale Domänengrenze bilden, kohärent gekoppelt werden können. Dieser erste Nachweis eines topologisch geschützten Gitters aus gekoppelten, vertikal emittieren Lasern überzeugt vor allem durch die Kombination der kompakten Bauform und einfachen Bündelung der Laseremission vertikal emittierenden Laser mit dem topologischen Schutz der zwischen den Lasern propagierenden Mode. 
Zuletzt wurde in Kapitel 7 untersucht, wie die Bandstrukturen von Lieb- und Honigwabengittern durch die Einführung eines Energieunterschiedes zwischen den Untergittern gezielt verändert werden können. In Liebgittern bietet diese Technologie einen Weg, die Kopplungsumgebung des Flachbandes drastisch zu ändern, da das Flachband nun nicht mehr einen Dirac-Punkt mit linearer Dispersion schneidet, sondern ein dispersives Band an einem Potentialminimum berührt. In Honigwabengittern konnte eine Quantum Valley Hall Mode an der Grenzfläche zwischen zwei Domänen mit invertiertem Untergitter gezeigt werden. Diese Mode könnte die Basis für die Entwicklung eines Quantum Valley Hall Zustandes mit echtem topologischem Schutz auf der Basis von Vortizes bilden. Eine Variation der Eigenenergien der Untergitter stellt also einen vielversprechenden, weiteren Weg für zukünftige Experimente mit polaritonischen Gittersimulatoren dar.
KW  - Exziton-Polariton
KW  - Topologie
KW  - Laser
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Topologische Laser
KW  - Gittersimulator
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259008
ER  - 
TY  - THES
A1  - Youssef, Almoatazbellah
T1  - Fabrication of Micro-Engineered Scaffolds for Biomedical Application
T1  - Fabrikation von Scaffolds mit optimierter Mikroarchitektur für biomedizinische Anwendungen
N2  - Thermoplastic polymers have a history of decades of safe and effective use in the clinic as implantable medical devices. In recent years additive manufacturing (AM) saw increased clinical interest for the fabrication of customizable and implantable medical devices and training models using the patients’ own radiological data. However, approval from the various regulatory bodies remains a significant hurdle. A possible solution is to fabricate the AM scaffolds using materials and techniques with a clinical safety record, e.g. melt processing of polymers. Melt Electrowriting (MEW) is a novel, high resolution AM technique which uses thermoplastic polymers. MEW produces scaffolds with microscale fibers and precise fiber placement, allowing the control of the scaffold microarchitecture. Additionally, MEW can process medical-grade thermoplastic polymers, without the use of solvents paving the way for the production of medical devices for clinical applications. This pathway is investigated in this thesis, where the layout is designed to resemble the journey of a medical device produced via MEW from conception to early in vivo experiments. To do so, first, a brief history of the development of medical implants and the regenerative capability of the human body is given in Chapter 1. In Chapter 2, a review of the use of thermoplastic polymers in medicine, with a focus on poly(ε-caprolactone) (PCL), is illustrated, as this is the polymer used in the rest of the thesis. This review is followed by a comparison of the state of the art, regarding in vivo and clinical experiments, of three polymer melt AM technologies: melt-extrusion, selective laser sintering and MEW. The first two techniques already saw successful translation to the bedside, producing patient-specific, regulatory-approved AM implants. To follow in the footsteps of these two technologies, the MEW device parameters need to be optimized. The MEW process parameters and their interplay are further discussed in Chapter 3 focusing on the importance of a steady mass flow rate of the polymer during printing. MEW reaches a balance between polymer flow, the stabilizing electric field and moving collector to produce reproducible, high-resolution scaffolds. An imbalance creates phenomena like fiber pulsing or arcing which result in defective scaffolds and potential printer damage. Chapter 4 shows the use of X-ray microtomography (µCT) as a non-destructive method to characterize the pore-related features: total porosity and the pore size distribution. MEW scaffolds are three-dimensional (3D) constructs but have long been treated in the literature as two-dimensional (2D) ones and characterized mainly by microscopy, including stereo- and scanning electron microscopy, where pore size was simply reported as the distance between the fibers in a single layer. These methods, together with the trend of producing scaffolds with symmetrical pores in the 0/90° and 0/60/120° laydown patterns, disregarded the lateral connections between pores and the potential of MEW to be used for more complex 3D structures, mimicking the extracellular matrix. Here we characterized scaffolds in the aforementioned symmetrical laydown patterns, along with the more complex 0/45/90/135° and 0/30/60/90/120/150° ones. A 2D pore size estimation was done first using stereomicroscopy, followed by and compared to µCT scanning. The scaffolds with symmetrical laydown patterns resulted in the predominance of one pore size, while those with more complex patterns had a broader distribution, which could be better shown by µCT scans. Moreover, in the symmetrical scaffolds, the size of 3D pores was not able to reach the value of the fiber spacing due to a flattening effect of the scaffold, where the thickness of the scaffold was less than the fiber spacing, further restricting the pore size distribution in such scaffolds. This method could be used for quality assurance of fabricated scaffolds prior to use in in vitro or in vivo experiments and would be important for a clinical translation. Chapter 5 illustrates a proof of principle subcutaneous implantation in vivo experiment. MEW scaffolds were already featured in small animal in vivo experiments, but to date, no analysis of the foreign body reaction (FBR) to such implants was performed. FBR is an immune reaction to implanted foreign materials, including medical devices, aimed at protecting the host from potential adverse effects and can interfere with the function of some medical implants. Medical-grade PCL was used to melt electrowrite scaffolds with 50 and 60 µm fiber spacing for the 0/90° and 0/60/120° laydown patterns, respectively. These implants were implanted subcutaneously in immunocompetent, outbred mice, with appropriate controls, and explanted after 2, 4, 7 and 14 days. A thorough characterization of the scaffolds before implantation was done, followed by a full histopathological analysis of the FBR to the implants after excision. The scaffolds, irrespective of their pore geometry, induced an extensive FBR in the form of accumulation of foreign body giant cells around the fiber walls, in a manner that almost occluded available pore spaces with little to no neovascularization. This reaction was not induced by the material itself, as the same reaction failed to develop in the PCL solid film controls. A discussion of the results was given with special regard to the literature available on flat surgical meshes, as well as other hydrogel-based porous scaffolds with similar pore sizes. Finally, a general summary of the thesis in Chapter 6 recapitulates the most important points with a focus on future directions for MEW.
N2  - Thermoplastische Polymere werden seit Jahrzehnten erfolgreich in der Klinik eingesetzt und für die Herstellung von Medizinprodukten verwendet. Vorangetrieben durch das zunehmende klinische Interesse an additiven Fertigungsverfahren, z.B. zur Herstellung patientenspezifischer Trainingsmodelle und implantierbarer Medizinprodukte, rücken thermoplastische Materialien noch mehr in den Fokus der klinischen Forschung. Allerdings stellt die Marktzulassung durch die verschiedenen Gesundheitsbehörden eine große Hürde dar. Eine mögliche Lösung ist die Gerüstfabrikation mit Materialien und Verfahren, die bereits etablierte Sicherheitsstandards durchlaufen haben, z. B. die Schmelzverarbeitung der Polymere. Ein neuartiges und hochauflösendes additives Fertigungsverfahren, welches die Verarbeitung von Thermoplasten ermöglicht, ist Melt Electrowriting (MEW). Mittels MEW lassen sich Gerüste, die aus Fasern mit Durchmessern im Mikrometerbereich zusammengesetzt sind, herstellen. Neben der hohen Kontrolle über den Faserdurchmesser ermöglicht MEW auch eine genaue Ablage der Fasern und erlaubt dadurch, die Mikroarchitektur der Konstrukte vorzugeben. Zudem kann das Verfahren medizinisch zugelassene thermoplastische Polymere ohne die Verwendung von Lösungsmitteln verarbeiten und ist somit für die Herstellung medizinischer Produkte sehr relevant.
Diese Relevanz sollte im Rahmen der vorliegenden Dissertation evaluiert werden, indem der Weg, den ein Medizinprodukt von der Konzeption bis hin zu in vivo Vorversuchen durchlaufen muss, anhand von Konstrukten, die mittels MEW hergestellt wurden, nachgeahmt wurde. Um eine Basis für das Verständnis dieses Prozesses zu schaffen, wird in Kapitel 1 erst die Geschichte der Entwicklung medizinischer Implantate zusammengefasst sowie ein Einblick in die regenerativen Fähigkeiten des menschlichen Körpers gegeben. Das zweite Kapitel befasst sich mit der Anwendung von thermoplastischen Polymeren im Bereich implantierbarer Medizinprodukte, wobei der Hauptfokus auf Poly(ε-caprolactone) (PCL) liegt, da dies der in der vorliegenden Arbeit verwendete Thermoplast ist. Es folgt ein Vergleich von in vivo sowie klinischen Versuchen dreier für die Biomedizin relevanten additiven Fertigungsverfahren, mit denen sich thermoplastische Polymere verarbeiten lassen: Die Mikro-Schmelzextrusion, das selektive Lasersintern und das MEW. Die ersten zwei Verfahren sind bereits erfolgreich in klinischen Anwendungen etabliert und ermöglichen die routinemäßige Herstellung von additiv gefertigten, patientenspezifischen, auf dem Markt zugelassenen Implantaten. Damit MEW in diese Fußstapfen treten kann, müssen die Prozessparameter und deren Zusammenspiel genau analysiert werden. Dieser Thematik widmet sich Kapitel 3, wobei die Untersuchung des Massendurchsatzes des Polymers während des Druckens diskutiert wird. Um den MEW-Prozess kontrollieren zu können, muss eine Balance zwischen Polymerdurchsatz, dem stabilisierenden elektrischen Feld und dem beweglichen Kollektor erreicht werden. Dies ist Grundlage für die reproduzierbare Herstellung hochaufgelöster Konstrukte. Ein Ungleichgewicht der Prozessparameter verursacht Phänomene wie Fiber Pulsing oder sogar elektrischen Durchschlag, welche zu defekten Konstrukten oder sogar zur Schädigung des Druckers führen können. Kapitel 4 zeigt die Anwendung der Röntgenmikrocomputertomographie (µCT) als eine zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode für MEW-Konstrukte, die die Quantifizierung charakteristischer Eigenschaften wie der Porosität und der Porengrößenverteilung ermöglicht. MEW-Konstrukte wurden in der Literatur lange als zweidimensional behandelt und hauptsächlich durch mikroskopische Verfahren wie die Stereo- und Rasterelektronmikroskopie charakterisiert. Die zweidimensionale Porengröße wurde hauptsächlich durch die Bestimmung des Faserabstands definiert und daraus errechnet, mit einer Tendenz der Herstellung der Konstrukte mit symmetrischen Poren in 0/90° und 0/60/120° Ablagemustern. Da es sich bei den Konstrukten jedoch um dreidimensionale (3D) Fasergerüste handelt, wurden die seitlichen Verbindungen zwischen den Poren und das Potential der Anwendung des MEW für die Herstellung von komplexeren 3D-Strukturen, wie bei der extrazellulären Matrix mit interkonnektierenden Poren, vernachlässigt. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit µCT-Scans verwendet, um die Porosität der Konstrukte besser wiedergeben zu können. Hierzu wurden verschiedene Ablagemuster mit symmetrischen Poren in 0/90° und 0/60/120° Mustern und komplexere Porenstrukturen durch Ablagen von 0/45/90/135° und 0/30/60/90/120/150° Geometrien hergestellt. Diese Konstrukte wurden dann mittels mikroskopischer und tomographischer Aufnahmen charakterisiert und die Ergebnisse miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass symmetrische Ablagemuster zu Konstrukten mit der Prädominanz einer Porengröße geführt haben. Bei den komplexeren Strukturen ergab sich jedoch ein klarer Unterschied, weil die interkonnektierenden Poren nur mit Hilfe von µCT-Scans erfasst werden konnten. Dies zeigte sich durch eine breitere Porenverteilung bei der Auswertung der rekonstruierten Scans. Die Porengrößen in den Konstrukten mit den symmetrischen Mustern konnten aufgrund einer Verflachungswirkung nicht die des Faserabstands erreichen. Die Dicke der Konstrukte war geringer als der Faserabstand mit einer weiteren einschränkenden Wirkung auf die Porenverteilung in den symmetrischen Konstrukten. µCT kann deshalb für die Qualitätssicherung von medizinischen Produkten, die mittels MEW hergestellt wurden, eingesetzt werden. Da die Methode zerstörungsfrei ist, könnte sie auch vor in vitro oder in vivo Versuchen verwendet werden. Kapitel 5 präsentiert eine Machbarkeitsstudie eines subkutanen in vivo Implantationsversuchs. Aus der Literatur ist zwar bekannt, dass MEW-Konstrukte bereits in vivo in Kleintierversuchen verwendet wurden, eine Analyse der Fremdkörperreaktion (FKR) zu solchen Implantaten wurde bisher jedoch noch nicht durchgeführt. FKR ist eine Immunreaktion gegen fremde, implantierte Materialien, einschließlich medizinischer Geräte, um den Wirt vor potenziellen Nebenwirkungen zu schützen. Allerdings könnte sie die Funktion verschiedener medizinischer Implantate beeinträchtigen Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation PCL mittels MEW zu Konstrukten mit 50 und 60 µm Fiberabstand in 0/90° bzw. 0/60/120° Ablagemuster verarbeitet. Diese Konstrukte wurden subkutan in immunkompetente, fremdgezüchtete Mäuse mit entsprechenden Kontrollen implantiert und nach 2, 4, 7 und 14 Tagen explantiert. Vor der Implantation wurde die Konstrukte ausführlich charakterisiert, gefolgt von einer vollen histopathologischen Analyse des FKR. Unabhängig von der Porengeometrie haben die Konstrukte eine deutliche Immunreaktion im Sinne einer Ansammlung von Fremdkörperriesenzellen um die Fasern der Konstrukte hervorgerufen. Hierbei wurden die Poren fast komplett verschlossen, ohne dass es zu einer Neovaskularisation kam. Es konnte nachgewiesen werden, dass die deutliche Immunantwort nicht durch das Material hervorgerufen wurde, da sie bei der Implantation von dichtem PCL-Film nicht beobachtet wurde. Eine Diskussion der Ergebnisse erfolgte unter Berücksichtigung aktueller Literatur zu klinischen Versuchen von flachen chirurgischen Netzen sowie porösen Hydrogel-basierten Implantaten mit vergleichbarer Porengröße. Abschließend wird die Arbeit in Kapitel 6 zusammengefasst und die wichtigsten Punkte rekapituliert. Der Fokus des Kapitels liegt hierbei auf dem zukünftigen Potential des MEW als Fabrikationsmethode für medizinische Produkte.
KW  - melt electrowriting
KW  - medical device
KW  - biomaterials
KW  - subcutaneous implanation
KW  - x-ray micro computed tomography
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235457
ER  - 
TY  - THES
A1  - Niklaus, Lukas
T1  - Electrochromic systems based on metallopolymers and metal oxides: towards neutral tint and near-infrared transmission modulation
T1  - Elektrochrome Systeme basierend auf Metallopolymeren und Metalloxiden: Auf dem Weg Richtung Neutralfärbung und Modulation im infraroten Bereich
N2  - While the field of electrochromic (EC) materials and devices (ECDs) continues to advance in terms of color palette and understanding the underlying mechanism, several scientific and technological challenges need to be addressed by optimizing the materials and understanding the electrochemical interplay of these materials in full cells. The main issue here is to further improve the EC profile for color neutrality and cycling stability in order to commercialize dimmable EC products. The transparent conductive substrates used in this work (FTO and ultra-thin ITO glass) have high visible light transmittance (τv > 85%) and low sheet resistance (< 25 Ω·sq-1). In addition, the Li+-containing gel electrolyte has sufficient ionic conductivity (2.8·10-4 S·cm-1 at 25 °C), so the investigated ECDs could achieve a fast response (required ionic conductivity is between 10−3 and 10−7 S·cm-1).
This work shows that the combination of cathodically-coloring Fe-MEPE with anodically-coloring non-stoichiometric nickel oxide (Ni1-xO) electrodes (prepared by the National Institute of Chemistry in Ljubljana, Slovenia) can be used in neutral-coloring type III ECDs. The Fe-MEPE/Ni1-xO ECD with the underbalanced CE (ECD1-1, 2: 1) and the balanced configuration (ECD1-2, 1: 1) are both nearly neutrally-colored (ECD1-1: a* = -6.7, b* = 8.8; ECD1-2: a* = -9.0, b* = 10.1) in the bright state with a τv of almost 70%. Due to the overbalancing of the CE (ECD1-3, 1:3), a deviation (a* = -2.8, b* = 19.9) from the neutral coloration occurred here. The balanced as well as the overbalanced ECD configurations show high electrochemical cycling stability (over 1,000 potentiostatic switching cycles). In general, the overbalanced configuration offers the advantage of a smaller operating voltage range (-1 V ↔ 2.5 V to -1 V ↔ 1.5 V), i.e., avoiding possible electrochemical degradation of the EC materials, electrolyte, or conductive layers. By using a Li RE in the full cell, insights into the optimal matching of electrochemical and optical properties between the two electrodes are obtained to achieve more stable ECDs. Thereby, the redox potentials of both EC electrodes (Fe-MEPE and Ni1-xO) can be measured during operation. The incomplete decolorization of ECD1-1 can be explained by the measured electrode potentials (below the required 4 V vs. Li/Li+), excluding side reactions and degradation at both electrodes. The results demonstrate the importance of using balanced and (slightly) overbalanced ECD configurations with complementary-coloring EC electrodes to achieve high cycling stability and fast switching at low operating voltages. Therefore, this three-electrode configuration provides an excellent method for in situ electrochemical characterization of the individual EC electrodes to better understand the redox processes during device operation and to further improve the optical contrast and cycle stability of ECDs.
The Fe-MEPE/Ni1-xO combination was tested on flexible ultrathin ITO glass (ECD1-4). Here, by applying a low voltage of -1 V ↔ 2.5 V, the MEPE/Ni1-xO ECDs can be reversibly switched from a colored (L* = 35.6, a* = 19.4, b* = -26.7) to a nearly colorless (L* = 78.5, a* = -14.0, b* = 21.3) state. This is accompanied by a change in τv from 6% to 53%. The ECDs exhibit fast response and good cycling stability (5% loss of optical contrast over 100 switching cycles). 
To further improve color neutrality and cycling stability, ECDs combining Fe-MEPE and mixed metal oxides as ion storage layers were investigated. Titanium manganese oxide (TMO, Fraunhofer IST) and titanium vanadium oxide (TiVOx, EControl-Glas GmbH & Co. KG) electrodes are compared for use as optically-passive ion storage layers. TiVOx with a maximum charge density of approx. 27 mC·cm-2 and a coloration efficiency of η = 2 cm·C-1 at 584 nm shows a color change from yellow to light gray at 2 V vs. Ag/AgCl, while the slightly anodically-coloring Ti-rich TMO (10.5 mC·cm-², η584 nm = -4 cm·C-1) switches from light yellow to colorless at -2.5 V vs. Ag/AgCl. These materials show only a slight change in τv value from 85% to 75% and from 72% to 81%, respectively, thus reaching the requirements for highly transmissive optical-passive ion storage layers. The ECDs with Fe-MEPE in combination with TiVOx (ECD2-1) and TMO-1 (ECD2-2) are blue-purple in the dark state (0 V) and turn colorless by applying a voltage of 1.5 V, changing the τv value from 28% to 69% and from 21% to 57% in 3 s and 13 s, respectively. The ECDs show fast responses and high cyclability over more than 100 cycles. 
In the last section, the simplification of cell architecture by using redox mediators shows that different redox mediators (KHCF(III), Fc-PF6, Fc-BF4, and TMTU) can be used in type II ECDs (4 instead of 5 layers) consisting of Fe-MEPE or Ni1-xO thin film electrodes. The combination of KHCF(III) with Fe-MEPE has a low cycling stability due to the electrochemical formation of Prussian blue (PB). This side reaction is undesirable as it decreases the optical contrast. It can be avoided by using Fc+- (ECD3-5/6) or TMTU-based (ECD3-7) redox mediators, which exhibit reversible redox behavior. A high τv value of 72% is obtained for the use of TMTU. Low concentrations (<0.1 M) of redox mediators decrease the cell voltage for complete switching without affecting the optical properties of the ECDs. The redox couple TMTU/TMFDS2+ (molar ratio of 1:0.1 in 1 M LiClO4/PC as electrolyte) works well in combination with 
Ni1-xO electrodes (ECD3-10), with a change in τv value from 38% (colored at 2 V, L* = 67.1, a* = 3.9, b* = 17.2) to 70% at (decolored at -2 V, L* = 86.6, a* = -0.6, b* = 17.2). This result implies that incorporating redox mediators into the electrolyte is an effective means to simplify the cell assembly and color neutrality can be obtained with one optically active WE and a color-neutral redox mediator. Moreover, the combination of Ni1-xO and the colorless TMTU/TMFDS2+ redox mediator is a potential candidate to obtain neutrally colored ECDs.
It is shown that the lab-sized FTO- and ultra-thin ITO-glass-based ECDs are very attractive for energy-efficient EC applications, e.g., in architectural or automotive glazing, aircraft, ships, home appliances and displays. To monitor the EC performance and to prevent diverging electrode potentials during the switching process, the studied three-electrode configuration can help to extend the cycle stability as well as to improve the charge balancing of dimmable applications. The studied ECDs display a route towards neutral tint, e.g., EC active Ni1-xO, optically-inactive mixed metal oxides, and colorless redox mediators. Nevertheless, color neutrality should be further improved to meet the requirements for industrial applications. For future work, a scale-up process from lab-sized (few cm²) to prototype (few m²) ECDs will be necessary.
N2  - Während das Gebiet der elektrochromen (EC) Materialien in Bezug auf die Farbpalette und das Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus weiter erforscht wird, bleiben einige wissenschaftliche und technologische Herausforderungen bestehen, die sowohl durch Optimierung der EC Materialien als auch durch tiefergehendes Verständnis des elektrochemischen Zusammenspiels dieser Materialien in elektrochromen Elementen (ECD) angegangen werden müssen. Hier geht es vor allem darum, das EC-Profil in Bezug auf Farbneutralität und Stabilität weiter zu verbessern, um kostengünstige und energieeffiziente Produkte zu kommerzialisieren. Die in der Arbeit verwendeten Substrate (FTO-Glas und ultradünnes ITO-Glas) weisen einen hohen Transmissionsgrad (τv > 85 %) und einen geringen Oberflächenwiderstand (< 25 Ω·sq-1) auf. Zusätzlich hat der eingesetzte Li+-haltige Elektrolyt ausreichend Ionenleitfähigkeit (2.8·10-4 S·cm-1 bei 25 °C), so dass die untersuchten ECDs schnelle Schaltzeiten erreichen konnten (erforderliche Ionenleitfähigkeit: 10-3 und 10-7 S·cm-1).
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Kombination aus kathodisch färbenden Fe-MEPE-Elektroden mit anodisch färbenden Ni1-xO Gegenelektroden (National Institute of Chemistry, Ljubljana, Slovenia) in neutralfärbenden Typ III ECDs verwendet werden kann. Sowohl die Fe-MEPE/Ni1-xO ECD mit einer unterdimensionierten Gegenelektrode (ECD1-1, 2: 1) und die balancierte Konfiguration 
(ECD1-2, 1: 1) sind beide im entfärbten Zustand mit einem τv von fast 70 % zudem fast neutral gefärbt (ECD1-1: a* = -6,7, b* = 8,8; ECD1-2: a* = -9,0, b* = 10,1). Durch die Überdimensionierung der Gegenelektrode (ECD1-3, 1:3) entstand hier eine Abweichung (a* = -2,8, b* = 19,9) von der geforderten Neutralfärbung. Die balancierte sowie die überdimensionierte ECD-Konfiguration zeigen eine hohe elektrochemische Zyklenstabilität (über 1.000 potentiostatische Schaltvorgänge). Im Allgemeinen bot die überdimensionierte Konfiguration den Vorteil eines kleineren Spannungsfensters (-1 V ↔ 1,5 V statt -1 V ↔ 2,5 V), d.h. der Vermeidung einer möglichen Degradation der EC Materialien, des Elektrolyten oder der leitfähigen Schichten. Durch den Einsatz einer Li RE in der ECD wurden Erkenntnisse über die optimale Anpassung der elektrochemischen und optischen Eigenschaften zwischen beiden Elektroden erhalten. Hierdurch konnten die Redoxpotentiale beider EC Elektroden (Fe-MEPE und Ni1-xO) während des Schaltvorgangs gemessen werden. Das unvollständige Entfärben von ECD1-1 kann durch die gemessenen Elektrodenpotentiale (unter den geforderten 4 V vs. Li/Li+) erklärt werden, wobei Nebenreaktionen und Degradation an beiden Elektroden ausgeschlossen sind. Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, balancierte und (leicht) überdimensionierte Konfigurationen mit komplementär färbenden Elektroden für stabil schaltende ECDs mit niedriger Zellenspannung zu verwenden. Somit bietet die Drei-Elektroden-Konfiguration eine hervorragende Methode zur elektrochemischen in situ Charakterisierung der einzelnen EC-Elektroden, um die Redoxprozesse während des Schaltvorgangs besser zu verstehen und den optischen Kontrast und die Stabilität von ECDs weiter zu verbessern.
Die Fe-MEPE/Ni1-xO Kombination wurde auf flexibles ultradünnes ITO-Glas übertragen (ECD1-4). Hier schaltet die MEPE/Ni1-xO-ECD durch das Anlegen einer niedrigen Spannung von -1 V ↔ 2,5 V reversibel von einem gefärbten Zustand (L* = 35,6, a* = 19,4, b* = -26,7) in einen nahezu farblosen Zustand (L* = 78,5, a* = -14,0, b* = 21,3). Dies geht mit einer Änderung des τv-Wertes von 6% auf 53% einher. Die ECD weist schnelle Schaltzeiten sowie eine gute Zyklenstabilität (5% Verlust des optischen Kontrasts über 100 Schaltzyklen) auf. 
Um die Farbneutralität und Langzeitstabilität weiter zu verbessern, werden ECDs aus Fe-MEPE Arbeits- und mischmetalloxidische Ionenspeicherelektroden untersucht. Titan-Manganoxid (TMO)-Elektroden (vom Fraunhofer IST) wurden mit kommerziell erhältlichem Titan-Vanadiumoxid (TiVOx, EControl-Glas GmbH & Co. KG) zur Verwendung als optisch passive Ionenspeicherschichten verglichen. TiVOx mit einer maximalen Ladungsdichte von ca. 27 mC·cm-² und einer Färbeeffizienz von η584 nm = 2 cm·C-1 weist eine Farbänderung von gelb nach hellgrau bei 2 V vs. Ag/AgCl, während das anodisch färbende Ti-reichen TMO (10,5 mC·cm-², η584 nm = -4 cm·C-1) bei -2,5 V vs. Ag/AgCl von hellgelb nach farblos schaltete. Diese Materialien zeigen nur eine geringe Änderung des τv-Wertes von 85 % auf 75 % bzw. von 72 % auf 81 %, wodurch die Anforderungen an hoch transmissive optisch-passive Ionenspeicherschichten erfüllt sind. Die ECDs mit Fe-MEPE in Kombination mit TiVOx (ECD2-1) und TMO-1 (ECD2-2) sind im gefärbten Zustand (0 V) blau-lila gefärbt und werden durch Anlegen einer Zellspannung von 1,5 V farblos, wobei sich der τv-Wert in 3 s bzw. 13 s von 28 % auf 69 % und von 21 % auf 57 % ändert. Die ECDs zeigen schnelle Reaktionen und eine gute Reversibilität (> 100 Zyklen). 
Kapitel 4 befasste sich mit der Vereinfachung der Zellarchitektur durch Verwendung von Redoxmediatoren. Diese Arbeit zeigt, dass verschiedene Redoxmediatoren (KHCF (III), Fc-PF6, Fc-BF4 und TMTU) in Typ II ECDs (4 statt 5 Schichten) verwendet werden können, die aus Fe-MEPE oder 
Ni1-xO Elektroden bestehen. Die Kombination von KHCF(III) mit Fe-MEPE-Elektroden hat aufgrund der Bildung von Preußisch Blau (PB) eine geringe Zyklenstabilität. Diese Nebenreaktion ist unerwünscht, da sie den optischen Kontrast vermindert. Sie kann durch die Verwendung von Redoxmediatoren auf Fc+- (ECD3-5/6) oder TMTU-Basis (ECD3-7) vermieden werden, da diese ein reversibles Redoxverhalten aufweisen. Für den Einsatz von TMTU wurde ein hoher τv-Wert von 72 % (L* = 87,7, a* = -9,2, b* = 11,6) erhalten. Niedrige Konzentrationen von Redoxmediatoren (< 0,1 M) verringern die Zellspannung, ohne die optischen Eigenschaften der ECDs zu beeinflussen. TMTU/TMFDS2+ (Molverhältnis von 1:0,1 in 1 M LiClO4/PC als Elektrolyt) wurde erfolgreich als Redoxmediator in Kombination mit Ni1-xO-Elektroden eingesetzt, wobei eine Änderung des τv-Wertes von 38 % (gefärbt bei 2 V, L* = 67,1, a* = 3,9, b* = 17,2) auf 70 % bei (entfärbt bei -2 V, L* = 86,6, a* = -0,6, b* = 17,2) erzielt wurde. Dieses Ergebnis impliziert, dass der Einsatz von Redoxmediatoren in den Elektrolyten ein effektives Mittel zur Vereinfachung des Zellaufbaus sind und Farbneutralität mit einer optisch aktiven WE und einem farbneutralen Redoxmediator erreicht werden kann. Ein exzellentes Beispiel ist hierfür die Kombination von Ni1-xO und des farblose TMTU/TMFDS2+-Redoxmediator.
Es wurde gezeigt, dass FTO- und ultradünnen ITO-Glas-basierte ECDs sehr attraktiv für energieeffiziente EC-Anwendungen sind, z. B. in Architektur- oder Automobilverglasungen, Flugzeugen, Schiffen, Haushaltsgeräten und Displays. Um die Änderung der Elektrodenpotentiale während des Schaltvorgangs zu überwachen, kann die Drei-Elektroden-Konfiguration helfen, die Zyklenstabilität zu verbessern. Die untersuchten ECDs zeigen einen Weg zur Farbneutralität auf, z.B. EC-aktives Ni1-xO, optisch inaktive Mischmetalloxide und farblose Redoxmediatoren. Dennoch sollte die Farbneutralität weiter verbessert werden, um die Anforderungen für industrielle Anwendungen zu erfüllen und für zukünftige Arbeiten ist ein Scale-up-Prozess von Laborgröße (wenige cm²) zu Prototypen (wenige m²) ECDs notwendig.
KW  - Elektrochromie
KW  - metallopolymers
KW  - metal oxides
KW  - electrochromic device
KW  - neutral tint
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258554
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Sednev, Maksim V.
A1  - Liaqat, Anam
A1  - Höbartner, Claudia
T1  - High-Throughput Activity Profiling of RNA-Cleaving DNA Catalysts by Deoxyribozyme Sequencing (DZ-seq)
T2  - Journal of the American Chemical Society
N2  - RNA-cleaving deoxyribozymes have found broad application as useful tools for RNA biochemistry. However, tedious in vitro selection procedures combined with laborious characterization of individual candidate catalysts hinder the discovery of novel catalytic motifs. Here, we present a new high-throughput sequencing method, DZ-seq, which directly measures activity and localizes cleavage sites of thousands of deoxyribozymes. DZ-seq exploits A-tailing followed by reverse transcription with an oligo-dT primer to capture the cleavage status and sequences of both deoxyribozyme and RNA substrate. We validated DZ-seq by conventional analytical methods and demonstrated its utility by discovery of novel deoxyribozymes that allow for cleaving challenging RNA targets or the analysis of RNA modification states.
KW  - RNA-Cleaving Deoxyribozymes
KW  - High-Throughput Sequencing Method, DZ-seq
KW  - Analysis of RNA Modifications
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258520
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gall, Dominik
T1  - Increasing the effectiveness of human-computer interfaces for mental health interventions
T1  - Steigerung der Effektivität von Mensch-Computer-Schnittstellen für Interventionen im Bereich der psychischen Gesundheit
N2  - Human-computer interfaces have the potential to support mental health practitioners in alleviating mental distress.
Adaption of this technology in practice is, however, slow.
We provide means to extend the design space of human-computer interfaces for mitigating mental distress.
To this end, we suggest three complementary approaches: using presentation technology, using virtual environments, and using communication technology to facilitate social interaction.
We provide new evidence that elementary aspects of presentation technology affect the emotional processing of virtual stimuli, that perception of our environment affects the way we assess our environment, and that communication technologies affect social bonding between users.
By showing how interfaces modify emotional reactions and facilitate social interaction, we provide converging evidence that human-computer interfaces can help alleviate mental distress.
These findings may advance the goal of adapting technological means to the requirements of mental health practitioners.
N2  - Mensch-Computer-Schnittstellen haben das Potenzial, psychosoziale Fachkräfte bei der Linderung von psychischen Problemen zu unterstützen.
Die Adaption solcher Technologien in der Praxis verläuft jedoch langsam.
Wir stellen Mittel zur Verfügung, um den Gestaltungsraum von Mensch-Computer-Schnittstellen zur Linderung von psychischen Belastungen zu erweitern.
Zu diesem Zweck schlagen wir drei komplementäre Ansätze vor: die Verwendung von Präsentationstechnologie, die Verwendung virtueller Umgebungen und die Verwendung von Kommunikationstechnologie zur Erleichterung sozialer Interaktion.
Wir liefern neue Belege dafür, dass elementare Aspekte der Präsentationstechnologie die emotionale Verarbeitung virtueller Stimuli beeinflussen, dass die Wahrnehmung unserer Umgebung die Art und Weise beeinflusst, wie wir unsere Umgebung bewerten, und dass Kommunikationstechnologien die soziale Bindung zwischen Nutzern beeinflussen.
Indem wir zeigen, wie Benutzerschnittstellen emotionale Reaktionen modifizieren und soziale Interaktion erleichtern, liefern wir konvergierende Hinweise dafür, dass Mensch-Computer-Schnittstellen die Linderung von psychischen Belastungen unterstützen können.
Diese Erkenntnisse können das Vorhaben unterstützen, technologische Möglichkeiten an die Bedürfnisse von psychosozialen Fachkräften anzupassen.
KW  - Mensch-Maschine-Kommunikation
KW  - Human-Computer Interaction
KW  - Mensch-Maschine-Schnittstelle
KW  - Psychische Gesundheit
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230120
ER  - 
TY  - THES
A1  - Busch, Marlene Corinna
T1  - Developing a virtual Control Room for future satellite missions
T1  - Entwicklung eines virtuellen Kontrollraums für künftige Satellitenmissionen
N2  - This thesis deals with the first part of a larger project that follows the ultimate goal of implementing a software tool that creates a Mission Control Room in Virtual Reality. The software is to be used for the operation of spacecrafts and is specially developed for the unique real-time requirements of unmanned satellite missions. Beginning from launch, throughout the whole mission up to the recovery or disposal of the satellite, all systems need to be monitored and controlled in continuous intervals, to ensure the mission’s success. Mission Operation is an essential part of every space mission and has been undertaken for decades. Recent technological advancements in the realm of immersive technologies pave the way for innovative methods to operate spacecrafts. Virtual Reality has the capability to resolve the physical constraints set by traditional Mission Control Rooms and thereby delivers novel opportunities. The paper highlights underlying theoretical aspects of Virtual Reality, Mission Control and IP Communication. However, the focus lies upon the practical part of this thesis which revolves around the first steps of the implementation of the virtual Mission Control Room in the Unity Game Engine. Overall, this paper serves as a demonstration of Virtual Reality technology and shows its possibilities with respect to the operation of spacecrafts.
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit dem ersten Teil eines größeren Projekts, das das Ziel verfolgt, eine Software zu implementieren, die einen Missionskontrollraum in der virtuellen Realität erstellt. Die Software soll zum Einsatz für den Betrieb von Raumfahrzeugen eingesetzt werden und wurde speziell für die besonderen Echtzeitanforderungen von unbemannten Satellitenmissionen entwickelt. Vom Start über die gesamte Mission bis hin zur Entsorgung des Satelliten, müssen alle Systeme kontinuierlich überwacht und gesteuert werden, um den Erfolg der Mission zu gewährleisten. Der Missionsbetrieb ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Weltraum Mission und wird seit Jahrzehnten durchgeführt. Die jüngsten technologischen Fortschritte auf dem Gebiet der immersiven Technologien ebnen den Weg für innovative Methoden zum Betrieb von Raumfahrzeugen. Virtuelle Realität ist in der Lage, die physischen Beschränkungen traditioneller Missionskontrollräume zu überwinden und bietet dadurch neue Möglichkeiten. Der Beitrag beleuchtet die grundlegenden theoretischen Aspekte von Virtual Reality, Missionskontrolle und IP-Kommunikation. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf dem praktischen Teil der dieser Arbeit, der sich um die ersten Schritte der Implementierung des virtuellen Missionskontrollraums Raumes in der Unity Game Engine. Insgesamt dient diese Arbeit als Demonstration der Virtual Reality Technologie und zeigt deren Möglichkeiten im Hinblick auf den Betrieb von Raumschiffen.
KW  - Control room
KW  - virtual reality
KW  - spacecrarft control
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258261
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lasway, Julius Vincent
T1  - Impact of human land use on bee diversity and plant-pollinator interactions in Tanzania savannah ecosystems
T1  - Auswirkungen der Landnutzung durch den Menschen auf die Bienendiversität und die Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Bestäuber in den Savannenökosystemen Tansanias
N2  - One of the pronounced global challenges facing ecologists is how to feed the current growing human population while sustaining biodiversity and ecosystem services. To shed light on this, I investigated the impact of human land use on bee diversity and plant-pollinator interactions in Tanzania Savannah ecosystems. The thesis comprises the following chapters: 
Chapter I: General Introduction
	This chapter provides the background information including the study objectives and hypotheses. It highlights the ecological importance of bees and the main threats facing bee pollinators with a focus on two land-use practices namely livestock grazing and agriculture. It also highlights the diversity and global distribution of bees. It further introduces the tropical savannah ecosystem, its climate, and vegetation characteristics and explains spectacular megafauna species of the system that form centers of wildlife tourism and inadequacy knowledge on pollinators diversity of the system. Finally, this chapter describes the study methodology including, the description of the study area, study design, and data collection. 
Chapter II: Positive effects of low livestock grazing intensity on East African bee assemblages mediated by increases in floral resources 
	The impact of livestock grazing intensity on bee assemblage has been subjected to research over decades. Moreover, most of these studies have been conducted in temperate Europe and America leaving the huge tropical savannah of East Africa less studied. Using sweep netting and pan traps, a total of 183 species (from 2,691 individuals) representing 55 genera and five families were collected from 24 study sites representing three levels of livestock grazing intensity in savannah ecosystem of northern Tanzania. Results have shown that moderate livestock grazing slightly increased bee species richness. However, high livestock grazing intensity led to a strong decline. Besides, results revealed a unimodal distribution pattern of bee species richness and mean annual temperature. It was also found that the effect of livestock grazing and environmental temperature on bee species richness was mediated by a positive effect of moderate grazing on floral resource richness. The study, therefore, reveals that bee communities of the African savannah zone may benefit from low levels of livestock grazing as this favors the growth of flowering plant species. A high level of livestock grazing intensity will cause significant species losses, an effect that may increase with climatic warming. 
Chapter III: Agricultural intensification with seasonal fallow land promotes high bee diversity in Afrotropical drylands 
	This study investigated the impact of local agriculture intensification on bee diversity in the Afro tropical drylands of northern Tanzania. Using sweep netting and pan traps, a total of 219 species (from 3,428 individuals) representing 58 genera and six families were collected from 24 study sites (distributed from 702 to 1708 m. asl) representing three levels of agriculture intensity spanning an extensive gradient of mean annual temperature. Results showed that bee species richness increased with agricultural intensity and with increasing temperature. However, the effects of agriculture intensity and temperature on bee species richness were mediated by the positive effects of agriculture and temperature on floral resource richness used by bee pollinators. Moreover, results showed that variation of bee body sizes increases with agricultural intensification, “that effect”, however, diminished in environments with higher temperatures. This study reveals that bee assemblages in Afrotropical drylands benefit from agriculture intensification in the way it is currently practiced. Further intensification, including year-round irrigated crop monocultures and extensive use of agrochemicals, is likely to exert a negative impact on bee diversity and pollination services, as reported in temperate regions. Moreover, several bee species were restricted to natural savannah habitats. Therefore, to conserve bee communities in Afro tropical drylands and guarantee pollination services, a mixture of savannah and agriculture, with long periods of fallow land should be maintained.
Chapter IV: Impact of land use intensification and local features on plants and pollinators in Sub-Saharan smallholder farms
	For the first time in the region, this study explores the impact of land-use intensification on plants and pollinators in Sub-Saharan smallholder farms. The study complemented field surveys of bees with a modern DNA metabarcoding approach to characterize the foraged plants and thus built networks describing plant-pollinator interactions at the individual insect level. This information was coupled with quantitative traits of landscape composition and floral availability surrounding each farm. The study found that pollinator richness decreased with increasing impervious and agricultural cover in the landscape, whereas the flower density at each farm correlated with pollinator richness. The intensification of agricultural land use and urbanization correlated with a higher foraging niche overlap among pollinators due to the convergence of individuals' flower-visiting strategies. Furthermore, within farms, the higher availability of floral resources drove lower niche overlap among individuals, greater abundance of flower visitors shaped higher generalization at the networks level (H2I), possibly due to increased competition. These mechanistic understandings leading to individuals’ foraging niche overlap and generalism at the network level, could imply stability of interactions and the pollination ecosystem service. The integrative survey proved that plant-pollinator systems are largely affected by land use intensification and by local factors in smallholder farms of Sub-Saharan Africa. Thus, policies promoting nature-based solutions, among which the introduction of more pollinator-friendly practices by smallholder farmers, could be effective in mitigating the intensification of both urban and rural landscapes in this region, as well as in similar Sub-Saharan contexts.
Chapter V: A synopsis of the Bee occurrence data of northern Tanzania 
	This study represents a synopsis of the bee occurrence data of northern Tanzania obtained from a survey in the Kilimanjaro, Arusha, and Manyara regions. Bees were sampled using two standardized methods, sweep netting and colored pan traps. The study summed up 953 species occurrences of 45 species belonging to 20 genera and four families (Halictidae, Apidae, Megachilidae, and andrenidae) A. This study serves as the baseline information in understanding the diversity and distribution of bees in the northern parts of the country. Understanding the richness and distribution of bees is a critical step in devising robust conservation and monitoring strategies for their populations since limited taxonomic information of the existing and unidentified bee species makes their conservation haphazard. 
Chapter VI: General discussion
	In general, findings obtained in these studies suggest that livestock grazing and agriculture intensification affects bee assemblages and floral resources used by bee pollinators. Results have shown that moderate livestock grazing intensity may be important in preserving bee diversity. However, high level of livestock grazing intensity may result in a strong decline in bee species richness and abundance. Moreover, findings indicate that agriculture intensification with seasonal fallow lands supports high floral resource richness promoting high bee diversity in Afrotropical drylands. Nonetheless, natural savannahs were found to contain unique bee species. Therefore, agriculture intensification with seasonal fallow should go in hand with conserving remnant savannah in the landscapes to increase bee diversity and ensure pollination services. Likewise, findings suggest that increasing urbanization and agriculture cover at the landscape level reduce plant and pollinator biodiversity with negative impacts on their complex interactions with plants. Conversely, local scale availability of floral resources has shown the positive effects in buffering pollinators decline and mitigating all detrimental effects induced by land-use intensification. Moreover, findings suggest that the impact of human land use (livestock grazing and agriculture) do not act in isolation but synergistically interacts with climatic factors such as mean annual temperature, MAT. The impact of MAT on bee species richness in grazing gradient showed to be more detrimental than in agriculture habitats. This could probably be explained by the remaining vegetation cover following anthropogenic disturbance. Meaning that the remaining vegetation cover in the agricultural gradient probably absorbs the solar radiations hence reducing detrimental effect of mean annual temperature on bee species richness. This one is not the case in grazing gradient since the impact of livestock grazing is severe, leaving the bare land with no vegetation cover. Finally, our findings conclude that understanding the interplay of multiple anthropogenic activities and their interaction with MAT as a consequence of ongoing climate change is necessary for mitigating their potential consequences on bee assemblages and the provision of ecosystem services. Morever, future increases in livestock grazing and agriculture intensification (including year-round crop irrigated monocultures and excessive use of agrochemicals) may lead to undesirable consequences such as species loss and impair provision of pollination services.
N2  - Eine der größten globalen Herausforderungen für Ökologen ist die Beantwortung der Frage, wie die wachsende menschliche Bevölkerung ernährt und gleichzeitig die biologische Vielfalt und die Ökosystemleistungen erhalten werden können. Um dies zu beleuchten, habe ich die Auswirkungen der menschlichen Landnutzung auf die Bienenvielfalt und die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bestäubern in den Ökosystemen der Tansania-Savanne untersucht. Die Arbeit umfasst die folgenden Kapitel:

Kapitel I: Allgemeine Einführung
	Dieses Kapitel enthält die Hintergrundinformationen, einschließlich der Studienziele und Hypothesen. Es hebt die ökologische Bedeutung von Bienen und die Hauptbedrohungen für Bienenbestäuber hervor, wobei der Schwerpunkt auf zwei Landnutzungspraktiken liegt, nämlich Viehbeweidung und Landwirtschaft. Außerdem werden die Vielfalt und die globale Verbreitung der Bienen herausgearbeitet. Des Weiteren werden das Ökosystem der tropischen Savanne, sein Klima und seine Vegetationscharakteristika vorgestellt und die spektakulären Megafauna-Arten des Systems erläutert, die Zentren des Wildtiertourismus bilden, sowie die unzureichenden Kenntnisse über die Vielfalt der Bestäuber in diesem System. Schließlich wird in diesem Kapitel die Methodik der Studie beschrieben, einschließlich der Beschreibung des Untersuchungsgebiets, des Studiendesigns und der Datenerhebung.

Kapitel II: Positive Auswirkungen einer geringen Beweidungsintensität auf ostafrikanische Bienengemeinschaften, vermittelt durch eine Zunahme der floralen Ressourcen 
	Die Auswirkungen der Weideintensität auf die Bienenbestände sind seit Jahrzehnten Gegenstand von empirischen Untersuchungen. Die meisten dieser Studien wurden jedoch in den gemäßigten Breiten Europas und Amerikas durchgeführt, während die riesigen tropischen Savannen Ostafrikas weniger untersucht wurden. Mit Hilfe von Wurfnetzen und Schwenkfallen wurden insgesamt 183 Arten (von 2.691 Individuen) aus 55 Gattungen und fünf Familien an 24 Untersuchungsstandorten, die drei Stufen der Viehweideintensität im Savannen-Ökosystem im Norden Tansanias repräsentieren, gesammelt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine mäßige Beweidung mit Weidevieh den Artenreichtum der Bienen leicht erhöht. Eine hohe Beweidungsintensität führte jedoch zu einem starken Rückgang. Außerdem zeigten die Ergebnisse ein unimodales Verteilungsmuster des Bienenartenreichtums und der mittleren Jahrestemperatur. Es wurde auch festgestellt, dass die Auswirkungen von Viehbeweidung und Umwelttemperatur auf den Bienenartenreichtum durch eine positive Auswirkung von mäßiger Beweidung auf den Reichtum an floralen Ressourcen vermittelt wurden. Die Studie zeigt daher, dass Bienengemeinschaften in der afrikanischen Savanne von einer geringen Beweidung durch Vieh profitieren können, da dies das Wachstum blühender Pflanzenarten fördert. Eine hohe Beweidungsintensität führt zu erheblichen Artenverlusten, die sich infolge der Klimaerwärmung noch verstärken können.

Kapitel III: Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland fördert hohe Bienenvielfalt in afrotropischen Trockengebieten 
	In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Intensivierung der lokalen Landwirtschaft auf die Bienenvielfalt in den afrotropischen Trockengebieten im Norden Tansanias untersucht. An 24 Untersuchungsstandorten (zwischen 702 und 1.708 m ü.N.N.), die drei Intensitätsstufen der Landwirtschaft repräsentieren und einen weiten Gradienten der Jahresmitteltemperatur abdecken, wurden 219 Arten (von 3.428 Individuen) gesammelt, die 58 Gattungen und sechs Familien repräsentieren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Artenreichtum der Bienen mit der Intensität der Landwirtschaft und mit steigender Temperatur zunahm. Die Auswirkungen der Intensität der Landwirtschaft und der Temperatur auf den Artenreichtum der Bienen wurden jedoch durch die positiven Auswirkungen der Landwirtschaft und der Temperatur auf den Reichtum der von den Bienenbestäubern genutzten Blütenressourcen vermittelt. Außerdem zeigten die Ergebnisse, dass die Variation der Körpergröße der Bienen mit der Intensivierung der Landwirtschaft zunimmt, diese jedoch in Umgebungen mit höheren Temperaturen abnimmt. Diese Studie zeigt, dass die Bienengemeinschaften in afrotropischen Trockengebieten von der Intensivierung der Landwirtschaft, wie sie derzeit praktiziert wird, profitieren. Eine weitere Intensivierung, einschließlich ganzjährig bewässerter Monokulturen und intensiver Einsatz von Agrochemikalien, wird sich wahrscheinlich negativ auf die Bienenvielfalt und die Bestäubungsleistung auswirken, wie dies auch in den gemäßigten Regionen beobachtet wurde. Außerdem war das Vorkommen einiger Bienenarten auf natürliche Savannenlebensräume beschränkt. Um die Bienengemeinschaften in afrotropischen Trockengebieten zu erhalten und die Bestäubungsleistungen zu gewährleisten, sollte daher eine Mischung aus Savanne und Landwirtschaft mit Langzeitig-Brachflächen beibehalten werden.

Kapitel IV: Auswirkungen der Intensivierung der Landnutzung und lokaler Gegebenheiten auf Pflanzen und Bestäuber in kleinbäuerlichen Betrieben südlich der Sahara
	In dieser Studie werden zum ersten Mal in der Region die Auswirkungen der Intensivierung der Landnutzung auf Pflanzen und Bestäuber in kleinbäuerlichen Betrieben südlich der Sahara untersucht. Hierbei wurden Felduntersuchungen von Bienen um einen modernen DNA-Metabarcoding-Ansatz ergänzt, um die beflogenen Pflanzen zu charakterisieren und so Netzwerke aufzudecken, die die Interaktionen zwischen Pflanzen und Bestäubern auf der Ebene einzelner Insekten beschreiben. Diese Informationen wurden mit quantitativen Merkmalen der Landschaftszusammensetzung und der Blütenverfügbarkeit in der Umgebung der einzelnen landwirtschaftlichen Betriebe verknüpft. Die Studie ergab, dass der Reichtum an Bestäubern mit zunehmendem Landschaftsanteil an undurchlässiger und landwirtschaftlicher Fläche abnahm, während die Blütendichte mit dem Reichtum an Bestäubern korrelierte. Die Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung und die Urbanisierung korrelierten mit einer stärkeren Überlappung der Nischen für die Nahrungssuche von Bestäubern, was auf die Konvergenz der Strategien der Individuen bei der Suche nach Blüten zurückzuführen ist. Darüber hinaus führte innerhalb der landwirtschaftlichen Betriebe die höhere Verfügbarkeit von Blütenressourcen zu einer geringeren Nischenüberschneidung zwischen den Individuen, während eine größere Anzahl von Blütenbesuchern zu einer stärkeren Generalisierung auf der Ebene der Netzwerke führte (H2I), was möglicherweise auf einen erhöhten Wettbewerb zurückzuführen ist. Diese mechanistischen Erkenntnisse, die zur Überlappung der Nischen der Individuen bei der Nahrungssuche und zum Generalismus auf der Netzwerkebene führen, könnten die Stabilität der Interaktionen und der Ökosystemdienstleistung Bestäubung implizieren. Die integrative Untersuchung hat gezeigt, dass die Bestäubersysteme in den kleinbäuerlichen Betrieben Afrikas südlich der Sahara weitgehend von der Intensivierung der Landnutzung und von lokalen Faktoren beeinflusst werden. Daher könnten politische Maßnahmen zur Förderung naturbasierter Lösungen, zu denen auch die Einführung bestäuberfreundlicher Praktiken durch Kleinbauern gehört, die Intensivierung sowohl städtischer als auch ländlicher Landschaften in dieser Region wie auch in ähnlichen Kontexten südlich der Sahara wirksam abmildern.
Kapitel V: Ein Überblick über die Daten zum Bienenvorkommen im Norden Tansanias 
	Diese Studie gibt einen Überblick über die Daten zum Bienenvorkommen im Norden Tansanias, die im Rahmen einer Erhebung in den Regionen Kilimanjaro, Arusha und Manyara gewonnen wurden. Die Bienen wurden mit zwei standardisierten Methoden erfasst: mit Keschern und Farbschalen. Im Rahmen der Studie wurden 953 Individuen aus 45 Arten aus 20 Gattungen und vier Familien (Halictidae, Apidae, Megachilidae und Andrenidae) nachgewiesen. Diese Studie dient als Grundlage für das Verständnis der Vielfalt und Verbreitung von Bienen in den nördlichen Teilen des Landes. Das Verständnis des Reichtums und der Verbreitung von Bienen ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung robuster Erhaltungs- und Überwachungsstrategien für deren Populationen, da die begrenzten taxonomischen Informationen über die vorhandenen und nicht identifizierten Bienenarten deren Erhaltung ungewiss erscheinen lassen.

Kapitel VI: Allgemeine Diskussion
	Im Allgemeinen deuten die Ergebnisse dieser Studien darauf hin, dass die Beweidung mit Vieh und die Intensivierung der Landwirtschaft Auswirkungen auf die Bienenbestände und die von Bienenbestäubern genutzten Blütenressourcen haben. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass eine mäßige Beweidungsintensität für die Erhaltung der Bienenvielfalt von Bedeutung sein kann. Eine hohe Beweidungsintensität kann jedoch zu einem starken Rückgang des Artenreichtums und der Abundanz von Bienen führen. Außerdem deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland einen hohen Reichtum an floralen Ressourcen aufweist, der eine hohe Bienenvielfalt in afrotropischen Trockengebieten fördert. Nichtsdestotrotz zeigte sich, dass natürliche Savannen eine einzigartige Artenzusammensetzung aufweisen. Daher sollte die Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland mit der Erhaltung von Savannenresten in den Landschaften einhergehen, um die Bienenvielfalt zu erhöhen und die Bestäubungsleistung sicherzustellen. Ebenso deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die zunehmende Urbanisierung und landwirtschaftliche Nutzung auf Landschaftsebene die biologische Vielfalt von Pflanzen und Bestäubern verringert, was sich negativ auf ihre komplexen Interaktionen mit Pflanzen auswirkt. Umgekehrt hat sich die Verfügbarkeit von Blütenressourcen auf lokaler Ebene als positiv erwiesen, da sie den Rückgang der Bestäuber abpuffert und alle durch die Intensivierung der Flächennutzung verursachten negativen Auswirkungen abmildert. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Auswirkungen der menschlichen Landnutzung (Viehbeweidung und Landwirtschaft) nicht isoliert wirken, sondern synergetisch mit Klimafaktoren wie der mittleren Jahrestemperatur (MAT) zusammenwirken. Die Auswirkung von MAT auf den Artenreichtum der Bienen in Weidegebieten erwies sich als nachteiliger als in landwirtschaftlich genutzten Lebensräumen. Dies könnte wahrscheinlich durch die verbleibende Vegetationsdeckung nach einer anthropogenen Störung erklärt werden. Das bedeutet, dass die verbleibende Vegetationsdeckung im landwirtschaftlichen Gradienten wahrscheinlich die Sonneneinstrahlung absorbiert und damit die nachteiligen Auswirkungen der mittleren Jahrestemperatur auf den Artenreichtum der Bienen verringert. Dies ist im Weidegradienten nicht der Fall, da die Auswirkungen der Beweidung durch das Weidevieh schwerwiegend sind und kahles Land ohne nennenswerte Vegetationsbedeckung zurücklassen. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass ein Verständnis des Zusammenspiels verschiedener anthropogener Aktivitäten und ihrer Interaktion mit MAT als Folge des fortschreitenden Klimawandels notwendig ist, um die potenziellen Folgen für die Bienenbestände und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu mildern. Darüber hinaus können die künftige Zunahme der Viehbeweidung und die Intensivierung der Landwirtschaft (einschließlich ganzjährig bewässerter Monokulturen und übermäßiger Einsatz von Agrochemikalien) zu unerwünschten Folgen wie dem Verlust von Arten und Bestäubungsleistungen führen.
KW  - Human land use
KW  - Plant-pollinator interactions
KW  - Tanzania
KW  - Savannah ecosystems
KW  - Livestock grazing
KW  - Agriculture intensification
KW  - Bee assemblages
KW  - Bee abundance
KW  - Bee species richness
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bertero, Edoardo
T1  - Mechano-energetic uncoupling in Barth syndrome cardiomyopathy
T1  - Mechano-energetische Entkopplung bei der Barth Syndrom Kardiomyopathie
N2  - In this Doctoral Thesis we investigated the consequences of perturbed mitochondrial calcium handling in the context of a rare human disease, Barth syndrome, in which the altered phospholipid composition of the inner mitochondrial membrane affects the structural organization of several protein complexes, including the mitochondrial calcium uniporter. We discovered that loss of the mitochondrial calcium uniporter in cardiac, but not skeletal muscle mitochondria hinders the calcium-induced adaptation of mitochondrial oxidative metabolism during workload transitions. This mechano-energetic uncoupling impairs the physiological increase in contractile force during physical exercise and might predispose Barth syndrome patients to the development of arrhythmias.
N2  - Diese Doktorarbeit umfasst vier Studien, deren verbindendes Thema die Rolle von Calcium (Ca2+) als Verbindung zwischen elektromechanischer Kopplung und mitochondrialem oxidativen Metabolismus im Herzen unter physiologischen und pathologischen Bedingungen ist. Dieser Prozess wird als mechano-energetische Kopplung bezeichnet. Während eine übermäßige Ca2+ Aufnahme in Mitochondrien katastrophale Folgen für die oxidative Phosphorylierung hat und zum Zelltod führt, stimuliert die physiologische Ca2+-Aufnahme über den mitochondrialen Ca2+ uniporter (MCU) die Krebs-Zyklus abhängige Erzeugung von Reduktionsäquivalenten, die sowohl die Atmungskette als auch die mitochondrialen Antioxidationssysteme antreiben, und spielt somit eine wesentliche Rolle sowohl für die ATP Produktion als auch für die Eliminierung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). ...
KW  - Barth syndrome
KW  - Cardiomyopathy
KW  - Mitochondria
KW  - Calcium
KW  - Cardiolipin
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255176
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vellmer, Tim
T1  - New insights into the histone variant H2A.Z incorporation pathway in \(Trypanosoma\) \(brucei\)
T1  - Neue Erkenntnisse zum Einbau der Histonvariante H2A.Z in \(Trypanosoma\) \(brucei\)
N2  - The histone variant H2A.Z is a key player in transcription regulation in eukaryotes. Histone acetylations by the NuA4/TIP60 complex are required to enable proper incorporation of the histone variant and to promote the recruitment of other complexes and proteins required for transcription initiation. The second key player in H2A.Z-mediated transcription is the chromatin remodelling complex SWR1, which replaces the canonical histone H2A with its variant. By the time this project started little was known about H2A.Z in the unicellular parasite Trypanosoma brucei. Like in other eukaryotes H2A.Z was exclusively found in the transcription start sites of the polycistronic transcription units where it keeps the chromatin in an open conformation to enable RNA-polymerase II-mediated transcription. Previous studies showed the variant colocalizing with an acetylation of lysine on histone H4 and a methylation of lysine 4 on histone H3. Data indicated that HAT2 is linked to H2A.Z since it is required for acetylation of lyinse 10 on histone H4. A SWR1-like complex and a complex homologous to the NuA4/TIP60 could not be identified yet. This study aimed at identifying a SWR1-like remodelling complex in T. brucei and at identifying a protein complex orthologous to NuA4/TIP60 as well as at answering the question whether HAT2 is part of this complex or not. To this end, I performed multiple mass spectrometry-coupled co-Immunoprecipitation assays with potential subunits of a SWR1 complex, HAT2 and a putative homolog of a NuA4/TIP60 subunit. In the course of these experiments, I was able to identify the TbSWR1 complex. Subsequent cell fractionation and chromatin immunoprecipitation-coupled sequencing analysis experiments confirmed, that this complex is responsible for the incorporation of the histone variant H2A.Z in T. brucei. In addition to this chromatin remodelling complex, I was also able to identify two histone acetyltransferase complexes assembled around HAT1 and HAT2. In the course of my study data were published by the research group of Nicolai Siegel that identified the histone acetyltransferase HAT2 as being responsible for histone H4 acetylation, in preparation to promote H2A.Z incorporation. The data also indicated that HAT1 is responsible for acetylation of H2A.Z. According to the literature, this acetylation is required for proper transcription initiation. Experimental data generated in this study indicated, that H2A.Z and therefore TbSWR1 is involved in the DNA double strand break response of T. brucei. The identification of the specific complex composition of all three complexes provided some hints about how they could interact with each other in the course of transcription regulation and the DNA double strand break response. A proximity labelling approach performed with one of the subunits of the TbSWR1 complex identified multiple transcription factors, PTM writers and proteins potentially involved in chromatin maintenance. Overall, this work will provide some interesting insights about the composition of the complexes involved in H2A.Z incorporation in T. brucei. Furthermore, it is providing valuable information to set up experiments that could shed some light on RNA-polymerase II-mediated transcription and chromatin remodelling in T. brucei in particular and Kinetoplastids in general.
N2  - Die Histonvariante H2A.Z ist ein Schlüsselelement bei der Transkriptionsregulation in Eukaryoten. Histonacetylierungen die vom NuA4/Tip60 Komplex prozessiert werden, sind für den korrekten Einbau der Variante unerlässlich. Darüber hinaus erlauben diese posttranslationellen Modifikationen die Rekrutierung weiterer Proteine und Komplexe die für die Transkription notwendig sind. Ein weiteres Schlüsselelement der mittels H2A.Z regulierten Transkription ist der Komplex zur Umstrukturierung des Chromatins SWR1, welcher das kanonische Histon H2A gegen seine Variante austauscht. Zu Beginn dieses Projektes war der Wissenstand bezüglich der Histonvariante H2A.Z in dem einzelligen Parasiten Trypanosoma brucei limitiert. Wie in anderen eukaryotischen Organismen wurde die Variante ausschließlich an den Startpunkten der polyzistronischen Transkriptionseinheiten gefunden, an denen es für die Öffnung des Chromatins verantwortlich ist und so die Transkription mittels RNAPolymerase II ermöglicht. Vorangegangene Studien konnten zeigen, dass die Variante mit einer Acetylierung des Lysins 10 im Histon H4 und einer Methylierung des Lysins 4 im Histon H3 co-lokalisiert. Einige Daten lieferten den Hinwies, dass die Histon-Acetyltransferase HAT2 mit H2A.Z in Zusammenhang steht, da diese die Acetylierung des Lysins 10 im Hinston H4 prozessiert. Komplexe die in ihrer Funktion dem SWR1 oder dem NuA4/TIP60 Komplex entsprechen, konnten bisher noch nicht gefunden werden. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab Komplexe zu identifizieren, die in ihrer Funktion dem SWR1 sowie dem NuA4/TIP60 Komplex entsprechen. Zudem soll die Frage geklärt werden ob HAT2 Teil eines möglichen NuA4/TIP60 Komplexes ist. In diesem Zusammenhang habe ich mehrere Massenspektrometrie gekoppelte Co-Immunopräzipitationen mit potenziellen Untereinheiten eines SWR1 Komplexes sowie HAT2 und einem Protein welches otholog zu einer NuA4/TIP60 Untereinheit ist, durchgeführt. Im Verlauf dieser Experimente konnte der SWR1 Komplex in T. brucei (TbSWR1) identifiziert werden. Anschließende Zellfraktionierungen sowie Chromatin Immunopräzipitationen gekoppelte Sequenzanalysen konnten bestätigen, dass der identifizierte Komplex für den Einbau der Histonvariante H2A.Z zuständig ist. Darüber hinaus konnten neben diesem Komplex noch zwei weitere Komplexe identifiziert werden, die jeweils die Histonacetyltransferasen HAT1 und HAT2 als Kernkomponenten enthalten. Im Verlauf meiner Arbeit wurden von der Arbeitsgruppe von Nicolai Siegel Daten publiziert die zeigten, dass die Histonacetyltransferase HAT2, in Vorbereitung auf den Einbau von H2A.Z, für die Acetylierung des Histons H4 verantwortlich ist. Im Gegenzug ist HAT1 für die Acetylierung von H2A.Z notwendig, welche wiederum für die korrekte Initiation der Transkription benötigt wird. Damit entspricht die Funktion der Acetylierung von H2A.Z in T. brucei der in der Literatur beschriebenen Funktion. Experimentelle Daten die im Verlauf dieser Arbeit generiert wurden, lieferten einen Hinweis darauf, dass H2A.Z auch an der Reparatur von DNS Doppelstrangbrüchen beteiligt ist. Die Aufschlüsselung der spezifischen Zusammensetzung aller drei Komplexe gab einige Hinweise darauf, wie sie sowohl während der Transkriptionsregulation als auch der Reparatur von DNS Doppelstrangbrüchen miteinander interagieren. Im Zuge einer molekularen Umgebungskartierung, die mit einer der Untereinheiten des TbSWR1 Komplexes durchgeführt wurde, konnten mehrere Transkriptionsfaktoren und Enzyme zur Histonmodifizierung identifiziert werden. Dabei wurden auch einige Proteine identifiziert, welche möglicherweise mit der Umformung des Chromatins in Zusammenhang stehen. Abschließend ist festzuhalten, dass diese Arbeit einige äußerst interessante Einsichten über die Zusammensetzung der Komplexe, die am H2A.Z Einbau in T. brucei beteiligt sind, liefern konnte. Darüber hinaus stellt sie einige wertvolle Informationen zur Verfügung. Diese könnten zur gezielten Planung von Experimenten genutzt werden, um mehr über RNA-Polymerase II vermittelte Transkription und Chromatin Umstrukturierung in T. brucei im speziellen und in Kinetoplastiden im Allgemeinen zu erfahren.
KW  - Chromatinremodelling
KW  - Histone
KW  - Transkription
KW  - Chromatinremodeling
KW  - Histones
KW  - Variants
KW  - Complexes
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257960
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weißenseel, Sebastian Günter
T1  - Spin-Spin Interactions and their Impact on Organic Light-Emitting Devices
T1  - Spin-Spin-Wechselwirkungen und ihre Einflüsse auf organische Leuchtdioden
N2  - This work investigates the correlations between spin states and the light emission properties of organic light-emitting diodes (OLEDs), which are based on the principle of thermally activated delayed fluorescence. The spin-spin interactions responsible for this mechanism are investigated in this work using methods based on spin-sensitive electron paramagnetic resonance (EPR). In particular, this method has been applied to electrically driven OLEDs. The magnetic resonance has been detected by electroluminescence, giving this method its name: electroluminescence detected magnetic resonance (ELDMR).
Initial investigations on a novel deep blue TADF emitter were performed. Furthermore, the ELDMR method was used in this work to directly detect the spin states in the OLED. These measurements were further underlined by time-resolved experiments such as transient electro- and photoluminescence.
N2  - Diese Arbeit untersucht die Zusammenhänge zwischen Spinzuständen und den Lichtemissions Eigenschaften von Organischen Leuchtdioden (OLEDs), welche auf dem Prinzip der thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenz basieren. Die für diesen Mechanismus verantwortlichen Spin-Spin-Wechselwirkungen werden im Rahmen der Arbeit mit Methoden untersucht, die auf der spinsensitiven Elektron Paramagnetische Resonanz (EPR) basieren. Insbesondere wurde diese Methode auf elektrisch betriebene OLEDs angewendet und die magnetische Resonanz durch Elektrolumineszenz nachgewiesen, was dieser Methode ihren Namen verleiht: Elektrolumineszenz detektierte magnetische Resonanz (ELDMR).
Erste Untersuchungen an einem neuartigen tiefblauen TADF-Emitters wurden durchgeführt.
Ebenfalls konnte in dieser Arbeit mit Hilfe der ELDMR-Methode direkt die Spinzustände in der OLED detektiert werden. Unterstützt wurden diese Messungen von Zeit-aufgelösten Experimenten wie transiente Elektro- und Photolumineszenz.
KW  - Elektronenspinresonanz
KW  - Technische Optik
KW  - Nanometerbereich
KW  - Organische Leuchtdioden
KW  - OLED
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257458
ER  - 
TY  - THES
A1  - Huang, Mingming
T1  - C–S Bond Borylation and Diborylation of Alkyl Halides, Tosylates, and Alcohols
T1  - Borylierung und Diborylierung von C–S-Bindungen von Alkylhalogeniden, Tosylaten und Alkoholen
N2  - Alkylboronates play an important role in synthetic chemistry, materials science and drug discovery. They are easy to handle due to their good air and moisture stability, and can be readily employed to form carbon–carbon and carbon–heteroatom bonds and can be converted to various functional groups under mild reaction conditions. Compared with conventional groups, such as aryl (pseudo)halides or alcohols, organosulfur compounds represent an alternative and complimentary substitute in coupling reactions. The construction of C–B bond from C–SO bond of aryl sulfoxide is presented in Chapter 2. The selective cleavage of either alkyl(C)-sulfonyl or aryl(C)-sulfonyl bonds of an aryl alkyl sulfone via Cu-free or Cu-mediated processes generates the corresponding boronate esters, which are presented in Chapter 3 and Chapter 4. 1,2-Bis(boronate esters) are emerging as important synthetic intermediates for preparing 1,2-difunctional compounds. In addition, the boryl moieties in different environments in a 1,2-bis(boronate ester) can be differentiated and converted selectively, allowing the synthesis of a wide variety of complex molecules. A direct and selective diboration of C–X and C–O bonds for the preparation of 1,2-bis(boronate esters) is presented in Chapter 5.
N2  - Alkylboronate spielen eine wichtige Rolle in der Synthesechemie, den Materialwissenschaften und der Wirkstoffforschung. Sie sind aufgrund ihrer guten Luft- und Feuchtigkeitsstabilität einfach zu handhaben und können leicht zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen verwendet und unter milden Reaktionsbedingungen in verschiedene funktionelle Gruppen umgewandelt werden. Gegenüber herkömmlichen Gruppen wie Aryl(Pseudo)halogeniden oder Alkoholen stellen Organoschwefelverbindungen einen alternativen und komplementären Ersatz bei Kupplungsreaktionen dar. Der Aufbau einer C–B-Bindung aus einer C–SO-Bindung von Arylsulfoxid wird in Kapitel 2 vorgestellt. Die selektive Spaltung von entweder Alkyl(C)-Sulfonyl- oder Aryl(C)-Sulfonyl-Bindungen eines Arylalkylsulfons über Cu-freie oder Cu-vermittelte Prozesse erzeugen die entsprechenden Boronatester und werden in Kapitel 3 und Kapitel 4 vorgestellt. 1,2-Bis(Boronatester) entwickeln sich als wichtige Synthesezwischenprodukte zur Herstellung von 1,2-difunktionellen Verbindungen. Darüber hinaus können die Boryleinheiten in verschiedenen Umgebungen in einem 1,2-Bis(boronatester) differenziert und selektiv umgewandelt werden, was die Synthese einer Vielzahl komplexer Moleküle ermöglicht. Eine direkte und selektive Diborierung von C–X- und C–O-Bindungen zur Herstellung von 1,2-Bis(boronatestern) wird in Kapitel 5 vorgestellt.
KW  - borylation
KW  - borys
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257186
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Fischer, Jonas
A1  - Dirks, Johannes
A1  - Klaussner, Julia
A1  - Haase, Gabriele
A1  - Holl-Wieden, Annette
A1  - Hofmann, Christine
A1  - Hackenberg, Stephan
A1  - Girschick, Hermann
A1  - Morbach, Henner
T1  - Effect of clonally expanded PD-1\(^h\)\(^i\)\(^g\)\(^h\) CXCR5-CD4+ peripheral T Helper cells on B cell differentiation in the joints of patients with antinuclear antibody-positive juvenile idiopathic arthritis
JF  - Arthritis & Rheumatology
N2  - Objective
Antinuclear antibody (ANA)–positive juvenile idiopathic arthritis (JIA) is characterized by synovial B cell hyperactivity, but the precise role of CD4+ T cells in promoting local B cell activation is unknown. This study was undertaken to determine the phenotype and function of synovial CD4+ T cells that promote aberrant B cell activation in JIA.

Methods
Flow cytometry was performed to compare the phenotype and cytokine patterns of PD-1\(^h\)\(^i\)\(^g\)\(^h\)CD4+ T cells in the synovial fluid (SF) of patients with JIA and T follicular helper cells in the tonsils of control individuals. TCRVB next-generation sequencing was used to analyze T cell subsets for signs of clonal expansion. The functional impact of these T cell subsets on B cells was examined in cocultures in vitro.

Results
Multidimensional flow cytometry revealed the expansion of interleukin-21 (IL-21) and interferon-γ (IFNγ)–coexpressing PD-1\(^h\)\(^i\)\(^g\)\(^h\)CXCR5–HLA–DR+CD4+ T cells that accumulate in the joints of ANA-positive JIA patients. These T cells exhibited signs of clonal expansion with restricted T cell receptor clonotypes. The phenotype resembled peripheral T helper (Tph) cells with an extrafollicular chemokine receptor pattern and high T-bet and B lymphocyte–induced maturation protein 1 expression, but low B cell lymphoma 6 expression. SF Tph cells, by provision of IL-21 and IFNy, skewed B cell differentiation toward a CD21\(^l\)\(^o\)\(^w\)\(^/\)\(^-\)CD11c+ phenotype in vitro. Additionally, SF Tph cell frequencies correlated with the appearance of SF CD21\(^l\)\(^o\)\(^w\)\(^/\)\(^-\)CD11c+CD27–IgM– double-negative (DN) B cells in situ.
KW  - medicine
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256607
VL  - 74
IS  - 1
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Schulz, Alexander
A1  - Würthner, Frank
T1  - Folding-induced fluorescence enhancement in a series of merocyanine hetero-folda-trimers
JF  - Angewandte Chemie International Edition
N2  - Many dyes suffer from fast non-radiative decay pathways, thereby showing only short-lived excited states and weak photoluminescence. Here we show a pronounced fluorescence enhancement for a weakly fluorescent merocyanine (MC) dye by being co-facially stacked to other dyes in hetero-folda-trimer architectures. By means of fluorescence spectroscopy (lifetime, quantum yield) the fluorescence enhancement was explained by the rigidification of the emitting chromophore in the defined foldamer architecture and the presence of a non-forbidden lowest exciton state in H-coupled hetero-aggregates. This folding-induced fluorescence enhancement (FIFE) for specific sequences of π-stacked dyes points at a viable strategy toward improved fluorophores that relates to the approach used by nature in the green fluorescent protein (GFP).
KW  - organic chemistry
KW  - merocyanines
KW  - aggregation
KW  - dyes/pigments
KW  - fluorescence
KW  - folding
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256582
VL  - 61
IS  - 2
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lu, Wei
A1  - Jayaraman, Arumugam
A1  - Fantuzzi, Felipe
A1  - Dewhurst, Rian D.
A1  - Härterich, Marcel
A1  - Dietz, Maximilian
A1  - Hagspiel, Stephan
A1  - Krummenbacher, Ivo
A1  - Hammond, Kai
A1  - Cui, Jingjing
A1  - Braunschweig, Holger
T1  - An unsymmetrical, cyclic diborene based on a chelating CAAC ligand and its small-molecule activation and rearrangement chemistry
JF  - Angewandte Chemie International Edition
N2  - A one-pot synthesis of a CAAC-stabilized, unsymmetrical, cyclic diborene was achieved via consecutive two-electron reduction steps from an adduct of CAAC and B\(_2\)Br\(_4\)(SMe\(_2\))\(_2\). Theoretical studies revealed that this diborene has a considerably smaller HOMO–LUMO gap than those of reported NHC- and phosphine-supported diborenes. Complexation of the diborene with [AuCl(PCy\(_3\))] afforded two diborene–Au\(^I\) π complexes, while reaction with DurBH\(_2\), P\(_4\) and a terminal acetylene led to the cleavage of B−H, P−P, and C−C π bonds, respectively. Thermal rearrangement of the diborene gave an electron-rich cyclic alkylideneborane, which readily coordinated to Ag\(^I\) via its B=C double bond.
KW  - inorganic chemistry
KW  - thermal rearrangement
KW  - alkylideneborane
KW  - carbene
KW  - diborene
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256576
VL  - 61
IS  - 3
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bold, Kevin
A1  - Stolte, Matthias
A1  - Shoyama, Kazutaka
A1  - Holzapfel, Marco
A1  - Schmiedel, Alexander
A1  - Lambert, Christoph
A1  - Würthner, Frank
T1  - Macrocyclic donor-acceptor dyads composed of a perylene bisimide dye surrounded by oligothiophene bridges
JF  - Angewandte Chemie Internationale Edition
N2  - Two macrocyclic architectures comprising oligothiophene strands that connect the imide positions of a perylene bisimide (PBI) dye have been synthesized via a platinum-mediated cross-coupling strategy. The crystal structure of the double bridged PBI reveals all syn-arranged thiophene units that completely enclose the planar PBI chromophore via a 12-membered macrocycle. The target structures were characterized by steady-state UV/Vis absorption, fluorescence and transient absorption spectroscopy, as well as cyclic and differential pulse voltammetry. Both donor–acceptor dyads show ultrafast Förster Resonance Energy Transfer and photoinduced electron transfer, thereby leading to extremely low fluorescence quantum yields even in the lowest polarity cyclohexane solvent.
KW  - organic chemistry
KW  - photoinduced electron transfer
KW  - donor–acceptor dyads
KW  - macrocycles
KW  - oligothiophenes
KW  - perylenebisimide
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256569
VL  - 61
IS  - 1
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dietz, Christopher Andreas
T1  - Distinguishing phenotypes of Complex Regional Pain Syndrome
T1  - Phänotypen des komplexen regionalen Schmerzsyndroms
N2  - This work investigated phenotypes of complex regional pain syndrome (CRPS) with special interest in sensory abnormalities. Quantitative sensory testing (QST) was used to assess sensory function. In addition, clinical and sensory differences of fracture and CRPS patients were addressed. Finally, the longitudinal outcome of CRPS patients was part of this thesis.
N2  - Diese Arbeit untersuchte Phänotypen des komplexen regionalen Schmerzsyndroms (CRPS) mit einem besonderen Augenmerk auf sensorischen Veränderungen. Diese sensorischen Auffälligkeiten wurden mittels quantitativer sensorischer Testung (QST) untersucht. Außerdem wurden klinische und sensorische Unterschiede zwischen Fraktur- und CRPS-Patient*Innen erarbeitet. Schließlich befasste sich diese Arbeit mit dem Langzeitverlauf des CRPS.
KW  - Complex regional pain syndrome
KW  - CRPS
KW  - Quantitative sensory testing
KW  - QST
KW  - pain
KW  - chronic pain
KW  - Komplexes regionales Schmerzsyndrom
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-256327
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bertelsmann, Dietmar
T1  - Analysis of the Frequency of Kidney Toxicity in Preclinical  Safety Studies using the eTOX Database
T1  - Analyse der Häufigkeit von Nierentoxizität in präklinischen Sicherheitsstudien unter Verwendung der eTOX-Datenbank
N2  - This research aimed to obtain reliable data on the frequency of different 
types of renal toxicity findings in 28-day oral gavage studies in Wistar rats, their
consistency across species and study duration, as well as the correlation between histopathological endpoints and routinely used clinical chemistry parameters indicative of kidney injury. Analysis of renal histopathological findings was 
carried out through extraction of information from the IMI eTOX database.
Spontaneous renal histopathological findings in 28-day oral gavage studies in control Wistar rats and beagle dogs confirmed tubular basophilia and renal 
dilation as the most frequent incidental findings in controls, whereas necrosis 
and glomerulosclerosis were not identified at all or only rarely as a background 
lesion. 
Histopathological evidence of necrosis and glomerulosclerosis was associated with changes in clinical chemistry parameters in 28-day oral gavage 
Wistar rat studies. Necrosis was frequently accompanied by a statistically significant rise in serum creatinine and serum urea, whereas serum albumin was 
frequently found to decrease statistically significantly in treatment groups in 
which necrosis was recorded. In contrast to necrosis, glomerulosclerosis was 
not associated with statistically significant changes in serum creatinine and urea 
in any of the 28-day oral gavage Wistar rat treatment groups, but appears to be 
best reflected by a pattern of statistically significantly lowered serum albumin 
and serum protein together with a statistically significant increase in serum cholesterol. As might have been expected based on the high background incidences 
of tubular basophilia and dilation, no consistent changes in any of the clinical 
chemistry parameters were evident in animals in which renal lesions were con� fined to renal tubular basophilia or dilation. In summary, the routinely provided 
clinical chemistry parameters are rather insensitive - novel kidney biomarkers 
such as Cystatin C, β-trace protein and Kidney injury molecule 1 should further 
be evaluated and integrated into routine preclinical and clinical practice. However, evaluation of clinical chemistry data was limited by the lack of individual 
animal data. Even though an extensive amount of preclinical studies is accessible 
through the eTOX database, comparison of consistency across time was limited 
by the limited number of shorter- and longer term studies conducted with the 
compounds identified as causing renal histopathological changes within a 28-
day study in rats. A high consistency across time for both treatment-related tubular basophilia and treatment-related dilation cannot be confirmed for either of 
the two effects as these two findings were both induced only rarely in studies 
over a different treatment-duration other than 28 days after administration of the 
compounds which provoked the respective effect in a 28-day study. For the 
finding of necrosis consistency across time was low with the exception of 
“AZ_GGA_200002321”, in which renal papillary necrosis was identified consist� ently throughout different treatment durations (2, 4, 26, 104 weeks). No shorter and longer-term studies were available for the compounds identified as causing 
glomerulosclerosis within a 28-day study in rats.
No consistent findings of the selected histopathological endpoints were 
identified in any of the corresponding 28-day oral gavage beagle dog studies 
after treatment with the identical compounds, which caused the respective ef� fect after 28-day treatment in rats. However, in the overwhelming majority of 
cases, beagle dogs were administered lower doses in these studies in compar� ison to the corresponding 28-day Wistar rat studies.
Searching the eTOX database yielded no 28-day oral gavage studies in 
Wistar and Wistar Han rats in which accumulation of hyaline droplets, tubular 
atrophy or hyperplasia was recorded. Only one 28-day oral gavage Wistar rat 
study was identified with the histopathological result of neutrophilic inflammation. Consequently, evaluation of these four renal findings in relation to clinical 
chemistry parameters and consistency across time and species cannot be 
made.
In summary, this work contributes knowledge through mining and evaluating the eTOX database on a variety of specific renal endpoints that frequently 
occur after administration of trial substances in 28-day oral gavage studies in 
Wistar rats in the field of preclinical toxicity with specific focus on their frequency  relation to background findings, as well as consistency across time and species. Targeted statistical evaluation of in vivo data within joint research ventures 
such as the eTOX project, presents an enormous opportunity for an innovative 
future way of aiding preclinical research towards a more efficient research in the 
preclinical stage of drug development. This could be achieved through the aug� mentation of methodological strategies and possibly novel software tools in order to predict in vivo toxicology of new molecular entities by means of information that is already available before early stages of the drug development 
pipeline begin.
N2  - Diese Arbeit zielte darauf ab, verlässliche Daten über die Häufigkeit verschiedener Arten von Nierentoxizitätsbefunden in 28-tägigen oralen Sondenstudien an Wistar-Ratten zu erhalten. Untersucht wurde weiterhin die Konsistenz 
der Toxizitätsbefunde unterschiedlicher Spezies und Studiendauer sowie die 
Korrelation zwischen histopathologischen Endpunkten und routinemäßig verwendeten klinisch-chemischen Parametern, die auf eine Nierenschädigung hinweisen. Die Analyse der histopathologischen Nierenbefunde wurde durch Extraktion von Informationen aus der IMI eTOX-Datenbank durchgeführt.
Spontane renale histopathologische Befunde in 28-tägigen oralen Sondenstudien an Wistar-Ratten und Beagles bestätigten tubuläre Basophilie und 
renale Dilatation als häufigste Nebenbefunde bei den Kontrolltieren, während 
Nekrose und Glomerulosklerose gar nicht oder nur selten als Hintergrundläsion 
identifiziert wurden. 
Der histopathologische Nachweis von Nekrose und Glomerulosklerose 
war mit Änderungen der klinisch-chemischen Parameter in 28-tägigen Wistar-Rattenstudien mit oraler Sonde verbunden. Nekrose ging häufig mit einem statistisch signifikanten Anstieg von Serumkreatinin und Serumharnstoff einher, 
während Serumalbumin in Behandlungsgruppen, in denen Nekrose aufgezeichnet wurde, häufig statistisch signifikant abnahm. Im Gegensatz zur Nekrose war 
Glomerulosklerose in keiner der 28-tägigen Wistar-Ratten-Behandlungsgruppen 
mit oraler Sonde mit statistisch signifikanten Veränderungen von Serumkreatinin 
und Harnstoff assoziiert, sondern scheint sich am besten in einem Muster von 
statistisch signifikant erniedrigtem Serumalbumin und Serumprotein zusammen 
mit einem statistisch signifikanten Anstieg des Serumcholesterins widerzuspiegeln. Wie aufgrund der hohen Hintergrundinzidenzen von tubulärer Basophilie 
und Dilatation zu erwarten war, waren bei Tieren, bei denen Nierenläsionen auf 
renale tubuläre Basophilie oder Dilatation beschränkt waren, keine konsistenten 
Änderungen der klinisch-chemischen Parameter erkennbar. Zusammenfassend 
sind die routinemäßig bereitgestellten klinisch-chemischen Parameter eher unempfindlich - neuartige Nieren-Biomarker wie „Cystatin C“, „β-trace protein“ und „Kidney injury molecule 1“ sollten weiter evaluiert und in die routinemäßige 
präklinische und klinische Praxis integriert werden. Die Auswertung der Daten 
zur klinischen Chemie war jedoch durch das Fehlen individueller Tierdaten begrenzt.
Trotz der umfangreichen Anzahl an präklinischen Studien in der eTOX-Datenbank wurde der zeitliche Vergleich der Konsistenz durch die begrenzte 
Anzahl von Kurz- und Langzeitstudien eingeschränkt, welche mit denselben
Substanzen durchgeführt wurden, die innerhalb einer 28-Tage-Studie an Ratten 
als Verursacher von renalen histopathologischen Veränderungen identifiziert 
wurden. Eine hohe zeitliche Konsistenz sowohl für die behandlungsbedingte tubuläre Basophilie und Dilatation kann für keinen der beiden Effekte bestätigt 
werden, da diese beiden Befunde nur selten in Studien über eine andere Behandlungsdauer als 28 Tage nach Verabreichung derselben Substanzen, die den 
jeweiligen Effekt in einer 28-Tage-Studie hervorriefen, induziert wurden. Für den 
Befund der Nekrose war die zeitliche Konsistenz gering. Eine Ausnahme stellte
Substanz "AZ_GGA_200002321" dar, bei der über verschiedene Behandlungsdauern (2, 4, 26, 104 Wochen) hinweg konstant renale papilläre Nekrose festgestellt wurde. Für die Substanzen, die in einer 28-Tage-Studie an Ratten als glomeruloskleroseauslösend identifiziert wurden, waren keine Kurz- und Langzeitstudien verfügbar.
In keiner der korrespondierenden 28-Tage-Studien an Beagles mit oraler 
Sonde wurden konsistente Befunde der ausgewählten histopathologischen Endpunkte nach Behandlung mit den identischen Verbindungen, die den jeweiligen 
Effekt nach 28-tägiger Behandlung in Ratten verursachten, festgestellt. In der 
überwiegenden Mehrheit der Fälle wurden den Beagles in diesen Studien im 
Vergleich zu den entsprechenden 28-Tage-Wistar-Rattenstudien niedrigere Dosen verabreicht.
In der eTOX-Datenbank konnten keine 28-tägigen oralen Sondenstudien
an Wistar- und Wistar-Han-Ratten gefunden werden, in denen eine Akkumulation von hyalinen Tröpfchen, tubuläre Atrophie oder Hyperplasie aufgezeichet wurde. Nur eine 28-tägige Wistar-Rattenstudie wurde mit dem histopathologischen Ergebnis einer neutrophilen Entzündung identifiziert. Folglich kann eine 
Bewertung dieser vier Nierenbefunde in Bezug auf klinische Chemie und Konsistenz über Zeit und Spezies nicht vorgenommen werden.
Insgesamt zeigt dieser Arbeit, dass eine gezielte statistische Auswertung 
von in vivo-Daten im Rahmen von Forschungsverbünden wie dem eTOX-Projekt 
eine enorme Chance bietet, die präklinische Forschung in Zukunft auf dem Weg 
zu einer effizienteren Forschung in der präklinischen Phase der Arzneimittelentwicklung zu unterstützen. Dies könnte außerdem durch die Erweiterung methodischer Strategien und möglicherweise neuartiger Software-Tools erreicht werden, um die In-vivo-Toxikologie neuer molekularer Entitäten mit Hilfe von Informationen vorherzusagen, die bereits vor Beginn der Arzneimittelentwicklungspipeline verfügbar sind.
KW  - renal toxicity
KW  - etox database
KW  - rats
KW  - toxicity
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257104
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kneer, Katharina Johanna
T1  - The association of three anxiety dimensions in children and adolescents: their influence on the brain and malleability by a prevention program
T1  - Der Zusammenhang dreier Angstdimensionen bei Kindern und Jugendlichen: ihr Einfluss auf das Gehirn und ihre Veränderbarkeit durch ein Präventionsprogramm
N2  - Anxiety disorders are the most prevalent group of neuropsychiatric disorders and go along with high personal suffering. They often arise during childhood and show a progression across the life span, thus making this age a specific vulnerable period during development. Still most research about these disorders is done in adults. In light of this, it seems of utmost importance to identify predictive factors of anxiety disorders in children and adolescents. Temperament or personality traits have been proclaimed as risk markers for the development of subsequent anxiety disorders, but their exact interplay is not clear. In this dissertation an effort is made to contribute to the understanding of how risk markers of early temperamental traits, in this case Trait Anxiety, Anxiety Sensitivity and Separation Anxiety are interplaying. While Trait Anxiety is regarded as a more general tendency to react anxiously to threatening situations or stimuli (Unnewehr, Joormann, Schneider, & Margraf, 1992), Anxiety Sensitivity is the tendency to react with fear to one’s own anxious sensations (Allan et al., 2014; S. Reiss, Peterson, Gursky, & McNally, 1986), and  Separation Anxiety is referring to the extent to which the child is avoiding certain situations because of the fear of being separated from primary care givers (In-Albon & Schneider, 2011). In addition, it will be addressed how these measurements are associated with negative life events, as well as brain functioning and if they are malleable by a prevention program in children and adolescents. In study 1 the aim was to extend the knowledge about the interrelations of this anxiety dimensions and negative life events. Results indicated positive correlations of all three anxiety traits as well as with negative life events. Thus, a close connection of all three anxiety measures as well as with negative life events could be indicated. The closest association was found between Anxiety Sensitivity and Trait Anxiety and between Separation Anxiety and Anxiety Sensitivity. Furthermore, negative life events functioned as mediator between Anxiety Sensitivity and Trait Anxiety, indicating that a part of the association was explained by negative life events. In study 2 we extended the findings from study 1 with neurobiological parameters and examined the influence of anxiety traits on emotional brain activation by administering the “emotional face matching task”. This task activated bilateral prefrontal regions as well as both hippocampi and the right amygdala. Further analyses indicated dimension-specific brain activations: Trait Anxiety was associated with a hyperactivation of the left inferior frontal gyrus (IFG) and Separation Anxiety with a lower activation bilaterally in the IFG and the right middle frontal gyrus (MFG). Furthermore, the association between Separation Anxiety and Anxiety Sensitivity was moderated by bi-hemispheric Separation-Anxiety-related IFG activation. Thus, we could identify distinct brain activation patterns for the anxiety dimensions (Trait Anxiety and Separation Anxiety) and their associations (Separation Anxiety and Anxiety Sensitivity). The aim of study 3 was to probe the selective malleability of the anxiety dimensions via a prevention program in an at-risk population. We could identify a reduction of all three anxiety traits from pre- to post-prevention-assessment and that this effect was significant in Anxiety Sensitivity and Trait Anxiety scores. Furthermore, we found that pre-intervention Separation Anxiety and Anxiety Sensitivity post-intervention were associated. In addition, pre-interventive scores were correlated with the intervention-induced change within the measure (i.e., the higher the score before the intervention the higher the prevention-induced change) and pre-intervention Anxiety Sensitivity correlated with the change in Separation Anxiety scores. All relations, seemed to be direct, as mediation/moderation analyses with negative life events did not reveal any significant effect. These results are very promising, because research about anxiety prevention in children and adolescents is still rare and our results are indicating that cognitive-behavioural-therapy based prevention is gilding significant results in an indicated sample even when samples sizes are small like in our study.
In sum the present findings hint towards distinct mechanisms underlying the three different anxiety dimensions on a phenomenological and neurobiological level, though they are highly overlapping (Higa-McMillan, Francis, Rith-Najarian, & Chorpita, 2016; Taylor, 1998). Furthermore, the closest associations were found between Anxiety Sensitivity and Trait Anxiety, as well as between Separation Anxiety and Anxiety Sensitivity. Specifically, we were able to find a neuronal manifestation of the association between Separation Anxiety and Anxiety Sensitivity (Separation Anxiety-specific IFG activation) and a predictive potential on prevention influence. The results of these studies lead to a better understanding of the etiology of anxiety disorders and the interplay between different anxiety-related temperamental traits and could lead to further valuable knowledge about the intervention as well as further prevention strategies.
N2  - Angststörungen sind die am häufigsten auftretende Gruppe neuropsychiatrischer Erkrankungen und führen in vielen Fällen zu großem Leid. Sie beginnen häufig in der Kindheit und Spontanremissionen sind selten, im Gegenteil - die Erkrankungen verschlimmern sich häufig und führen zu weiteren psychischen Erkrankungen. Dabei stellt die Kindheit eine Lebensphase mit besonderer Vulnerabilität für die Entwicklung von Angsterkrankungen dar. Trotzdem werden die meisten Studien zu Angststörungen weiterhin mit Erwachsenen durchgeführt. Vor diesem Hintergrund scheint es von größter Bedeutung, prädiktive Faktoren für Angststörungen bei Kindern und Jugendlichen zu identifizieren. Temperament- oder Persönlichkeitsmerkmale werden als Risikomarker für Angststörungen gesehen. Dabei ist das genaue Zusammenspiel dieser Risikomarker im Kindes- und Jugendalter nicht klar. Diese Dissertation leistet dabei einen Beitrag zum Verständnis des Zusammenspiels der Risikomarker Trait-Angst, Angstsensitivität und Trennungsangst. Während Trait-Angst als eine eher allgemeinere Tendenz angesehen wird, ängstlich auf bedrohliche Situationen oder Reize zu reagieren (Unnewehr et al., 1992), ist Angstsensitivität die Tendenz, mit Angst auf die eigenen potentiell angst-assoziierten Empfindungen zu reagieren (Allan et al., 2014; S. Reiss et al., 1986). Trennungsangst bezieht sich auf das Ausmaß, in dem das Kind bestimmt Situationen vermeidet, weil es befürchtet von Primärbezugspersonen getrennt zu werden (In-Albon & Schneider, 2011). Darüber hinaus befasst sich diese Dissertation damit, wie diese drei Angstmaße mit negativen Lebensereignissen und Gehirnaktivierung zusammenhängen und evaluiert deren Veränderbarkeit durch ein indiziertes Präventionsprogram. Zu diesem Zweck wurden drei Studien durchgeführt. In Studie 1 war das Ziel, das Wissen, um die Wechselbeziehungen dieser Angstmaße und negativer Lebensereignisse zu erweitern. Die Ergebnisse zeigten enge Zusammenhänge zwischen den drei Angstmaßen und ebenso mit der Anzahl negativer Lebensereignissen. Darüber hinaus fungierten negative Lebensereignisse als Mediator zwischen Angstsensitivität und Trait-Angst, was darauf hinweist, dass ein Teil des Zusammenhangs dieser beiden Angstmaße durch negative Lebensereignisse erklärt wird. In Studie 2 erweiterten wir die Ergebnisse aus Studie 1 um ein neurobiologisches Maß und untersuchten den Einfluss der Angstmaße auf Hirnaktivierung während emotionaler Verarbeitung mittels der Durchführung des „emotional face matching task“. Die Analyse zeigte eine Aktivierung während der Aufgabe in bilateralen präfrontalen Regionen sowie beiden Hippocampi und der rechten Amygdala. Angstspezifische Aktivierungen zeigten eine Trait-Angst-spezifische Hyperaktivierung im linken gyrus frontalis inferior (IFG) und eine Trennungsangst-spezifische Hypoaktivierung in beiden IFG und dem rechten gyrus frontalis medius. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen Trennungsangst und Angstsensitivität durch bi-hemisphärische Trennungsangst-spezifische IFG Aktivierung moderiert. Wir konnten also Hirnregionen identifizieren, die spezifisch mit den Angstmaßen assoziiert waren (Trait-Angst und Trennungsangst) und auch deren Verbindung moderierten (Trennungsangst und Angstsensitivität). Ziel der Studie 3 war es, die Veränderbarkeit der Angstmaße anhand eines Präventionsprogramms in einer Risikopopulation zu untersuchen. Wir konnten eine Verringerung aller drei Angstmaße durch die Prävention feststellen und dieser Effekt war für Angstsensitivität und Trait-Angst statistisch signifikant. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die Trennungsangst vor der Prävention signifikant mit der Angstsensitivität nach der Prävention korrelierte. Zusätzlich sagte das Ausmaß der Angstmaße vor der Prävention die durch die Intervention induzierten Veränderung innerhalb eines Maßes signifikant voraus (Je höher die Werte vor der Intervention, desto höher die präventionsinduzierte Änderung), zudem vermochte Angstsensitivität vor der Intervention Änderung der Trennungsangstwerte zu prognostizierten. Alle gefunden Zusammenhänge schienen darüber hinaus direkt zu sein, da Mediations- / Moderationsanalysen mit negativen Lebensereignissen keinen signifikanten Effekt zeigten. Diese Ergebnisse sind sehr vielversprechend, da es nur wenig Forschung zur Angstprävention bei Kindern und Jugendlichen gibt und unsere Ergebnisse darauf hinweisen das Präventionsprogramme, welche auf Kognitiv-verhaltenstherapeutischen Elementen beruhen in einer indizierten Population gute Effekte erzielen können, selbst wenn es sich, wie in unserem Fall, um eine kleine Stichprobengröße handelt.
Zusammenfassend deuten die vorliegenden Ergebnisse auf unterschiedliche Mechanismen hin, die den drei verschiedenen Angstmaßen auf phänomenologischer und neurobiologischer Ebene zugrunde liegen. Darüber hinaus wurden enge Assoziationen zwischen Angstsensitivität und Trait-Angst sowie Trennungsangst und Angstsensitivität gefunden. Insbesondere konnten wir eine neuronale Manifestation des Zusammenhangs zwischen Trennungsangst und Angstsensitivität (Trennungangstspezifische IFG-Aktivierung) und ein Vorhersagepotential für den Einfluss der Prävention finden. Die Resultate der beschriebenen Studien tragen zu einem besseren Verständnis der Ätiologie von Angststörungen und dem Zusammenspiel verschiedener angstspezifischer Temperamentmerkmale bei, und können zu weiteren wertvollen Erkenntnissen über Interventions- sowie Präventionsstrategien führen.
KW  - Prävention
KW  - Angst
KW  - Kind
KW  - Jugend
KW  - Angsterkrankungen
KW  - Kindheit und Jugend
KW  - Angst als Eigenschaft
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257468
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Gernert, Michael
A1  - Tony, Hans-Peter
A1  - Fröhlich, Matthias
A1  - Schwaneck, Eva Christina
A1  - Schmalzing, Marc
T1  - Immunosuppressive therapy after autologous hematopoietic stem cell transplantation in systemic sclerosis patients — high efficacy of Rituximab
JF  - Frontiers in Immunology
N2  - Background
Systemic sclerosis (SSc) patients often need immunosuppressive medication (IS) for disease control. If SSc is progressive despite IS, autologous hematopoietic stem cell transplantation (aHSCT) is a treatment option for selected SSc patients. aHSCT is effective with good available evidence, but not all patients achieve a treatment-free remission after aHSCT. Thus far, data about the need of IS after aHSCT in SSc is not published. The aim of this study was to investigate the use of IS after aHSCT, its efficacy, and the occurrence of severe adverse events (SAEs).

Methods
Twenty-seven patients with SSc who had undergone aHSCT were included in this single-center retrospective cohort study. Clinical data, including IS, SAEs, and lung function data, were collected.

Results
Sixteen of 27 (59.3%) patients received IS after aHSCT. Methotrexate, rituximab, mycophenolate, cyclophosphamide, and hydroxychloroquine were most commonly used. The main reason for starting IS was SSc progress. Nine patients received rituximab after aHSCT and showed an improvement in modified Rodnan skin score and a stabilization of lung function 2 years after rituximab. SAEs in patients with IS after aHSCT (50.0%) were not more common than in patients without IS (54.6%). SAEs were mostly due to SSc progress, secondary autoimmune diseases, or infections. Two deaths after aHSCT were transplantation related and three during long-term follow-up due to pulmonary arterial hypertension.

Conclusion
Disease progression and secondary autoimmune diseases may necessitate IS after aHSCT in SSc. Rituximab seems to be an efficacious treatment option in this setting. Long-term data on the safety of aHSCT is reassuring.
KW  - systemic sclerosis
KW  - scleroderma
KW  - autologous hematopoietic stem cell transplantation
KW  - immunosuppression
KW  - adverse events
KW  - rituximab
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254345
SN  - 1664-3224
VL  - 12
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ji, Changhe
T1  - The role of 7SK noncoding RNA in development and function of motoneurons
T1  - Die Rolle der nichtkodierenden RNA 7SK bei der Entwicklung und Funktion von Motoneuronen
N2  - In mammals, a major fraction of the genome is transcribed as non-coding RNAs. An increasing amount of evidence has accumulated showing that non-coding RNAs play important roles both for normal cell function and in disease processes such as cancer or neurodegeneration. Interpreting the functions of non-coding RNAs and the molecular mechanisms through which they act is one of the most important challenges facing RNA biology today.

In my Ph.D. thesis, I have been investigating the role of 7SK, one of the most abundant non-coding RNAs, in the development and function of motoneurons. 7SK is a highly structured 331 nt RNA transcribed by RNA polymerase III. It forms four stem-loop (SL) structures that serve as binding sites for different proteins. Larp7 binds to SL4 and protects the 3' end from exonucleolytic degradation. SL1 serves as a binding site for HEXIM1, which recruits the pTEFb complex composed of CDK9 and cyclin T1. pTEFb has a stimulatory role for transcription and is regulated through sequestration by 7SK. More recently, a number of heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs) have been identified as 7SK interactors. One of these is hnRNP R, which has been shown to have a role in motoneuron development by regulating axon growth. Taken together, 7SK’s function involves interactions with RNA binding proteins, and different RNA binding proteins interact with different regions of 7SK, such that 7SK can be considered as a hub for recruitment and release of different proteins. The questions I have addressed during my Ph.D. are as follows: 1) which region of 7SK interacts with hnRNP R, a main interactor of 7SK? 2) What effects occur in motoneurons after the protein binding sites of 7SK are abolished? 3) Are there additional 7SK binding proteins that regulate the functions of the 7SK RNP?

Using in vitro and in vivo experiments, I found that hnRNP R binds both the SL1 and SL3 region of 7SK, and also that pTEFb cannot be recruited after deleting the SL1 region but is able to bind to a 7SK mutant with deletion of SL3. In order to answer the question of how the 7SK mutations affect axon outgrowth and elongation in mouse primary motoneurons, we proceeded to conduct rescue experiments in motoneurons by using lentiviral vectors. The constructs were designed to express 7SK deletion mutants under the mouse U6 promoter and at the same time to drive expression of a 7SK shRNA from an H1 promoter for the depletion of endogenous 7SK. Using this system we found that 7SK mutants harboring deletions of either SL1 or SL3 could not rescue the axon growth defect of 7SK-depleted motoneurons suggesting that 7SK/hnRNP R complexes are integral for this process. 

In order to identify novel 7SK binding proteins and investigate their functions, I proceeded to conduct pull-down experiments by using a biotinylated RNA antisense oligonucleotide that targets the U17-C33 region of 7SK thereby purifying endogenous 7SK complexes. Following mass spectrometry of purified 7SK complexes, we identified a number of novel 7SK interactors. Among these is the Smn complex. Deficiency of the Smn complex causes the motoneuron disease spinal muscular atrophy (SMA) characterized by loss of lower motoneurons in the spinal cord. Smn has previously been shown to interact with hnRNP R. Accordingly, we found Smn as part of 7SK/hnRNP R complexes. These proteomics data suggest that 7SK potentially plays important roles in different signaling pathways in addition to transcription.
N2  - Bei Säugetieren wird ein großer Teil des Genoms als nicht-kodierende RNAs transkribiert. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass nicht-kodierende RNAs eine wichtige Rolle sowohl für die normale Zellfunktion als auch bei Krankheitsprozessen wie Krebs oder Neurodegeneration spielen. Die Interpretation der Funktionen nicht-kodierender RNAs und der molekularen Mechanismen, über die sie wirken, ist eine der wichtigsten Herausforderungen, denen die RNA-Biologie heute gegenübersteht.

In meiner Promotionsarbeit habe ich die Rolle von 7SK, einer der am häufigsten vorkommenden nicht-kodierenden RNAs, bei der Entwicklung und Funktion von Motoneuronen untersucht. 7SK ist eine RNA, die aus 331 Nukleotiden besteht und deren Struktur bekannt ist. Sie wird von der RNA-Polymerase III transkribiert. Sie bildet vier Stem-Loop (SL)-Strukturen, die als Bindungsstellen für verschiedene Proteine dienen. LARP7 bindet an SL4 und schützt das 3'-Ende vor exonukleolytischem Abbau. SL1 dient als Bindungsstelle für HEXIM1, das den P-TEFb-Komplex rekrutiert, der aus CDK9 und Cyclin T1 besteht. P-TEFb hat eine stimulierende Rolle für die Transkription und wird durch Sequestrierung durch 7SK reguliert. In jüngerer Zeit wurde eine Reihe von heterogenen nukleären Ribonukleoproteinen (hnRNPs) als 7SK-Interaktoren identifiziert. Eines davon ist hnRNP R, von dem gezeigt wurde, dass es eine Rolle bei der Entwicklung von Motoneuronen spielt, indem es das Axonwachstum reguliert. Durch die Interaktion mit P-TEFb und RNA-bindenden Proteinen kann 7SK als Drehscheibe für die Rekrutierung und Freisetzung verschiedener Proteine betrachtet werden. Die Fragen, mit denen ich mich während meiner Doktorarbeit beschäftigt habe, lauten wie folgt: 1) Welche Region von 7SK interagiert mit hnRNP R, einem Hauptinteraktor von 7SK? 2) Welche Effekte treten in Motoneuronen auf, wenn die Bindung von hnRNP R an 7SK inhibiert wird? 3) Gibt es zusätzliche 7SK-bindende Proteine, die die Funktionen des 7SK RNPs regulieren?

Mit Hilfe von in vitro und in vivo Experimenten fand ich heraus, dass hnRNP R sowohl die SL1- als auch die SL3-Region von 7SK bindet, und dass P-TEFb nach der Deletion der SL1-Region nicht rekrutiert werden kann, aber in der Lage ist, an eine 7SK-Mutante mit Deletion von SL3 zu binden. Um die Frage zu beantworten, wie sich die 7SK-Mutationen auf Axonwachstum in primären Motoneuronen der Maus auswirken, führten wir Rettungsexperimente an Motoneuronen unter Verwendung lentiviraler Vektoren durch. Die Konstrukte wurden so konzipiert, dass sie 7SK-Deletionsmutanten durch den U6-Promotor der Maus exprimieren und gleichzeitig eine 7SK-shRNA von einem H1-Promotor für die Depletion von endogenem 7SK transkribieren. Mit diesem System fanden wir heraus, dass 7SK-Mutanten, die Deletionen von SL1 oder SL3 beherbergen, den Axon-Wachstumsdefekt von 7SK-depletierten Motoneuronen nicht retten konnten, was darauf hindeutet, dass 7SK/hnRNP R-Komplexe für diesen Prozess von Bedeutung sind. 

Um neue 7SK-Bindungsproteine zu identifizieren und ihre Funktionen zu untersuchen, führte ich Pulldown-Experimente durch, bei denen ich ein biotinyliertes RNA-Antisense-Oligonukleotid verwendete, das an die U17-C33-Region von 7SK bindet und dadurch Aufreinigung endogener 7SK-Komplexe erlaubt. Nach der Massenspektrometrie der gereinigten 7SK-Komplexe identifizierten wir eine Reihe neuer 7SK-Interaktoren. Einer davon ist der Smn-Komplex. Ein Mangel des Smn-Komplexes verursacht die Motoneuronerkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA), die durch den Verlust der unteren Motoneuronen im Rückenmark gekennzeichnet ist. Es wurde bereits gezeigt, dass Smn mit hnRNP R interagiert. Dementsprechend fanden wir Smn als Teil des 7SK/hnRNP R-Komplexes. Diese Proteom-Daten deuten darauf hin, dass 7SK neben der Transkription möglicherweise auch in anderen Signalwegen wie der spliceosomalen snRNP Biogenese eine wichtige Rolle spielt.
KW  - Spliceosome
KW  - Interaction of 7SK with the Smn complex modulates snRNP production
KW  - 7SK
KW  - SMN
KW  - snRNP
KW  - Transcription
KW  - hnRNP
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-224638
ER  - 
TY  - THES
A1  - Göttler, David Johannes
T1  - Smoking cessation patterns in patients with established coronary heart disease
T1  - Entwicklung des Rauchverhaltens bei Patienten*innen mit Koronarer Herzerkrankung
N2  - Background
Tobacco smoking is accountable for more than one in ten deaths in patients with cardiovascular disease. Thus, smoking cessation has a high priority in secondary prevention of coronary heart disease (CHD). The present study meant to assess smoking cessation patterns, identify parameters associated with smoking cessation and investigate personal reasons to change or maintain smoking habits in patients with established CHD.

Methods 
Quality of CHD care was surveyed in 24 European countries in 2012/13 by the fourth European Survey of Cardiovascular Disease Prevention and Diabetes. Patients 18 to 79 years of age at the date of the CHD index event hospitalized due to first or recurrent diagnosis of coronary artery bypass graft, percutaneous coronary intervention, acute myocardial infarction or acute myocardial ischemia without infarction (troponin negative) were included. Smoking status and clinical parameters were iteratively obtained a) at the cardiovascular disease index event by medical record abstraction, b) during a face-to-face interview 6 to 36 months after the index event (i.e. baseline visit) and c) by telephone-based follow-up interview two years after the baseline visit. Parameters associated with smoking status at the time of follow-up interview were identified by logistic regression analysis. Personal reasons to change or maintain smoking habits were assessed in a qualitative interview and analyzed by qualitative content analysis. 

Results 
One hundred and four of 469 (22.2%) participants had been classified current smokers at the index event and were available for follow-up interview. After a median observation period of 3.5 years (quartiles 3.0, 4.1), 65 of 104 participants (62.5%) were classified quitters at the time of follow-up interview. There was a tendency of diabetes being more prevalent in quitters vs non-quitters (37.5% vs 20.5%, p=0.07). Higher education level (15.4% vs 33.3%, p=0.03) and depressed mood (17.2% vs 35.9%, p=0.03) were less frequent in quitters vs non-quitters. Quitters more frequently participated in cardiac rehabilitation programs (83.1% vs 48.7%, p<0.001). Cardiac rehabilitation appeared as factor associated with smoking cessation in multivariable logistic regression analysis (OR 5.19, 95%CI 1.87 to 14.46, p=0.002). Persistent smokers at telephone-based follow-up interview reported on addiction as wells as relaxation and pleasure as reasons to continue their habit. Those current and former smokers who relapsed at least once after a quitting attempt, stated future health hazards as their main reason to undertake quitting attempts. Prevalent factors leading to relapse were influence by their social network and stress. Successful quitters at follow-up interview referred to smoking-related harm done to their health having had been their major reason to quit. 

Interpretation 
Participating in a cardiac rehabilitation program was strongly associated with smoking cessation after a cardiovascular disease index event. Smoking cessation counseling and relapse prophylaxis may include alternatives for the pleasant aspects of smoking and incorporate effective strategies to resist relapse.
N2  - Einleitung 
Bei Patienten*innen mit kardiovaskulären Erkrankungen ist mehr als einer von zehn Todesfällen auf Tabakrauchen zurückzuführen. Daher ist Rauchentwöhnung ein wichtiger Aspekt der Sekundärprävention der koronaren Herzerkrankung. In dieser Studie wurde der Verlauf des Rauchverhalten von Patienten*innen mit bekannter koronarer Herzerkrankung erfasst, Einflussfaktoren für Tabakabstinenz untersucht und die persönlichen Beweggründe zur Änderung oder Beibehaltung des Rauchverhaltens analysiert.

Methoden 
Die Güte der Behandlung der koronaren Herzerkrankung wurde in 24 Europäischen Staaten in den Jahren 2012/13 im Rahmen des vierten European Survey of Cardiovascular Disease Prevention and Diabetes erfasst. Eingeschlossen wurden Patienten*innen zwischen 18 und 79 Jahren zum Zeitpunkt des kardiovaskulären Indexereignisses. Als kardiovaskuläres Indexereignis wurde eine stationäre Behandlung aufgrund der folgenden Erst- oder Rezidiv Diagnosen definiert: Koronararterien-Bypass, perkutane Koronarintervention, akuter Myokardinfarkt und akute myokardiale Ischämie ohne Infarkt (Troponin negativ). Rauchgewohnheiten und klinische Parameter wurden bei Patienten*innen im Studienverlauf wiederholt erhoben: a) Anhand der Behandlungsunterlagen während des kardiovaskulären Indexereignis, b) während eines persönlichen Interviews 6-36 Monate nach dem Indexereignis (i.e. Baseline Untersuchung) und c) im Rahmen eines telefonischen Follow-Up Interviews zwei Jahre nach der Baseline Untersuchung. Einflussfaktoren für Tabakabstinenz zum Zeitpunkt des telefonischen Follow-Up Interviews wurden über logistische Regressionsmodelle ermittelt. Die persönlichen Beweggründe das individuelle Rauchverhalten beizubehalten oder zu ändern wurden im Rahmen eines qualitativen Interviews erhoben und mithilfe der qualitativen Inhaltsanalyse ausgewertet. 

Ergebnisse 
104 von 469 (22,2%) Studienteilnehmer*innen wurden zum Zeitpunkt des Indexereignisses als Raucher*innen klassifiziert und nahmen an dem Follow-Up Interview teil. 65 von 104 (62,5%) dieser Raucher*innen gaben median 3,5 Jahre (Quartilen 3,0; 4,1) nach dem kardiovaskulären Indexereignis an mit dem Rauchen aufgehört zu haben. Es gab eine Tendenz zu höheren Prävalenzen von Diabetes bei nicht mehr Rauchenden im Vergleich zu weiterhin Rauchenden (37,5% vs. 20,5%; p=0,07). Höherer Bildungsgrad (15,4% vs. 33,3%; p=0,03) und Symptome einer depressiven Verstimmung (17,2% vs. 35,9%; p=0,03) waren bei nicht mehr Rauchenden seltener als bei weiterhin Rauchenden. Nicht mehr Rauchende nahmen überdurchschnittlich häufig an einem kardialen Rehabilitationsprogramm teil (83,1% vs. 48,7%; p<0,001). Kardiale Rehabilitation war ein signifikanter Einflussfaktor auf Tabakabstinenz in der multivariaten logistischen Regression (OR 5,19; 95% Konfidenzintervall 1,87-14,46; p=0,002). Weiterhin Rauchende berichteten von Sucht sowie von Entspannung und Freude als Gründe nach wie vor zu rauchen. Diejenigen aktiven und ehemaligen Raucher*innen, welche mindestens einmal einen Rückfall nach einem Aufhörversuch erlebten, gaben Sorgen vor den gesundheitlichen Folgeschäden des Rauchens als Hauptgrund für Aufhörversuche an. Ihr soziales Umfeld und Stress waren häufige Gründe für Rückfälle. Ehemalige Raucher*innen berichteten von bereits eingetretenen gesundheitlichen Problemen, welche sie mit dem Rauchen in Verbindung gebracht hatten, als treibende Kräfte um nachhaltig abstinent sein zu können.

Interpretation 
Die Teilnahme an einem kardialen Rehabilitationsprogramm war bei Patienten*innen mit kardiovaskulärer Erkrankung deutlich mit dem Verzicht auf Tabakrauchen assoziiert. Beratung zur Raucherentwöhnung und Rückfallprophylaxe könnten Alternativen für die, in der subjektiven Wahrnehmung, angenehmen Aspekte des Rauchens bieten und effektive Strategien zur Vermeidung von Rückfällen berücksichtigen.
KW  - Tabakkonsum
KW  - Koronare Herzkrankheit
KW  - Tobacco smoking
KW  - Coronary heart disease
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-223955
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klinke, Christopher Matthias
T1  - Experimental investigation of the effect of distal stress induction on threat conditioning in humans
T1  - Experimentelle Untersuchung des Effektes von distaler Stressinduktion auf Threat-Konditionierung beim Menschen
N2  - Stress constitutes a major risk factor for the development of psychiatric disorders, such as PTSD and anxiety disorders, by shifting the brain into a state of sensitization and makes it more vulnerable when being exposed to further aversive events. This was experimentally in-vestigated in rodents by examining the effect of a distal stress induction on threat conditioning, where stress impaired extinction learning and caused spontaneous recovery. However, this effect has never been experimentally investigated in humans, so far. Thus, the aim of this dissertation was to investigate the effect of distal stress on threat conditioning in humans.

Therefore, two subsequent studies were conducted. For both studies, the threat conditioning paradigm comprised threat acquisition, extinction learning, and re-extinction. In the threat acquisition phase, two geometrical shapes were used as conditioned stimulus (CS), from which one (CS+) was paired with a painful electric stimulus (unconditioned stimulus, US), but not the other one (CS-). During extinction learning 24 h later and re-extinction seventeen days later, CSs were again presented but without any US delivery.

In Study 1, 69 participants underwent either a stress (socially evaluated cold pressor test; SECPT) or sham protocol 10 days prior to threat conditioning. Furthermore, context effects were examined by placing the stress protocol in the same context (context-A stress, and sham group) or a different context (context-B stress group) than conditioning. Results revealed that the context-A, but not context-B, stress group displayed impaired safety learning (i.e. potenti-ation towards CS-) for startle response during threat acquisition. Moreover, the same stress group showed impaired threat extinction, evident in sustained CS discrimination in valence and arousal ratings during extinction learning, and memory recall. In sum, distal stress on the one hand impaired safety learning during threat conditioning on a level of startle response. On the other hand, stress impaired threat extinction on a level of ratings. Noteworthy, the effect of distal stress was only found when the stressor was placed in the same context as later threat learning. Hence, suggesting that the combination of stressor and stressor-associated context exerted the effect on threat extinction.

In Study 2, it was examined if distal stress induction could also have an impact on threat and extinction processes without the necessity of context association. Therefore, the same stress (n = 45) or sham protocol (n = 44) as in Study 1 was conducted in a different context than and 24 h prior to a threat conditioning paradigm. Similar to Study 1, weakened extinction learning was found in fear ratings for the stress (vs. sham) group, which was indicated by persistent CS+/CS- differentiation after the first block of extinction trials. Alterations in safety learning towards the CS- during threat acquisition were only supported by significant correlations between stress measures on the stress day and conditioned startle response of the CS- during acquisition.

Taken together, in two subsequent studies this dissertation provided first evidence of impaired threat extinction after distal stress induction in humans. Furthermore, impairments in safety learning, as can be observed in PTSD, were additionally demonstrated. Interestingly, the effects were boosted and more profound when associating the stressor to the later learning context. These results have clinical implications as they can be translated to the notion that prior stress exposure makes an individual more vulnerable for later aversive events.
N2  - Stress stellt einen Hauptrisikofaktor für die Entstehung einer psychiatrischen Erkrankung, insbesondere PTSD und Angststörungen, dar. Dieser Prozess wird vermittelt über einen Wechsel des Gehirns in einen Zustand der Sensibilisierung, welcher das Individuum vulnerabler bei der Exposition eines weiteren aversiven Ereignisses macht. Experimentell ließ sich dies in Tierstudien durch Untersuchungen des Effektes von distalem Stress auf Threat-Konditionierung nachweisen. Die Ergebnisse der Studien weisen auf ein verschlechtertes Extinktionslernen und dessen Abruf aufgrund der Stressinduktion hin. Experimentelle Untersuchungen dieses Effektes beim Menschen fehlen jedoch bislang. Daher hat sich diese Dissertation das Ziel gesetzt, eben diesen Effekt von distalem Stress auf Threat-Konditionierung im Menschen zu untersuchen.

Hierzu wurden zwei aufeinander aufbauende Studien durchgeführt. In beiden Studien wurden differenzielle Threat-Konditionierungsparadigmen verwendet, welche aus den Phasen der Threat-Akquisition, des Extinktionslernens und der Re-Extinktion bestanden. In der Threat-Akquisitionsphase wurden zwei geometrische Figuren als konditionierte Stimuli (CS) verwendet. Eine dieser Figuren (CS+) wurde mit einem leicht schmerzhaften elektrischen Stromreiz (unkonditionierter Stimulus, US) gekoppelt, wohingegen solch eine Paarung mit der anderen Figur (CS-) ausblieb. Während des Extinktionslernens und der Re-Extinktion, welche jeweils 24 h und 17 Tage nach der Akquisition stattfanden, wurden beide CSs ohne US-Paarung wiederholt präsentiert.

In der ersten Studie durchliefen 69 Probanden entweder ein Stress- (Sozial-evaluativer Cold Pressor Test, SECPT) oder ein Sham-Kontrollprotokoll, welches zehn Tage vor dem Threat-Konditionierungsparadigma stattfand. Darüber hinaus wurden Kontexteffekte untersucht. Dieses wurde durch die Platzierung des Stressprotokolls, entweder im gleichen (Kontext-A Stress & Shamgruppe) oder in einem anderen Kontext (Kontext-B Stressgruppe) als das Lernparadigma, realisiert. Die Ergebnisse demonstrieren für die Kontext-A Stressgruppe im Gegensatz zur Kontext-B Stressgruppe während der Akquisitionsphase ein verschlechtertes Sicherheitslernen (d.h. eine Potenzierung der konditionierten Reaktionen des CS-) in der Startle-Reaktion. Darüber hinaus demonstrierte dieselbe Stressgruppe verschlechterte Extinktion, was sich in persistierender CS-Diskrimination in Valenz- und Arousalratings während des Extinktionslernens und des Gedächtnisabrufes äußerte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass distaler Stress einerseits das Sicherheitslernen während der Akquisitionsphase auf der Ebene der Startle-Reaktion verschlechterte. Andererseits verschlechterte Stress die Extinktion und verstärkte die Furchtrückkehr auf der Ebene der subjektiven Ratings. Allerdings ist wichtig zu erwähnen, dass diese Effekte des distalen Stresses nur gefunden wurden, wenn der Stressor im gleichen Kontext wie das Konditionierungsparadigma appliziert wurde. Dieses lässt vermuten, dass die Kombination aus Stressor und stressor-assoziiertem Kontext den verschlechternden Effekt auf die Extinktion ausübten.

In der zweiten Studie wurde darauf aufbauend untersucht, ob distale Stressinduktion einen Einfluss auf Threat- und Extinktionsprozesse, auch ohne die Notwendigkeit der Kontextassoziation, haben kann. Hierfür wurden das gleiche Stress- (n = 45) und Sham-Kontrollprotokoll (n = 44) wie in Studie 1 durchlaufen. In diesem Fall jedoch in einem anderen Kontext und 24 h vor dem Konditionierungsparadigma. Vergleichbar mit Studie 1 konnte abgeschwächtes Extinktionslernen für die Stress- im Vergleich zur Shamgruppe festgestellt werden. Es zeigte sich nur für die Stressgruppe eine anhaltende CS+/CS- Differenzierung in den Furchtratings nach dem ersten Block des Extinktionslernens. Unterschiede im Sicherheitslernen bezüglich des CS- während der Akquisitionsphase ließen sich nicht finden. Jedoch deuten signifikante Korrelation zwischen Stressmaßen am Stresstag und der konditionierten Startle-Reaktion auf den CS- während der Akquisition auf einen Einfluss von Stress auf das Sicherheitslernen hin.

Zusammengefasst liefern die Studien dieser Dissertation erste Evidenzen für verschlechterte Extinktionsprozesse nach distaler Stressinduktion beim Menschen. Darüber hinaus konnten Einbußen im Sicherheitslernen aufgrund des Stressors verzeichnet werden. Hervorzuheben ist, dass der Stresseffekt durch die Assoziation zwischen Stressor und Konditionierungskontext verstärkt wurde. Die Ergebnisse dieser Dissertation haben klinische Relevanz, da sie erste experimentelle Evidenzen am Menschen für die Annahme liefern, dass vorherige Stresserfahrungen ein Individuum vulnerabler für späteres aversives Lernen machen.
KW  - Stress
KW  - Stress
KW  - Lernen
KW  - threat conditioning
KW  - learning and memory
KW  - Furcht
KW  - Assoziatives Lernen
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-225562
ER  - 
TY  - THES
A1  - Züfle, Marwin Otto
T1  - Proactive Critical Event Prediction based on Monitoring Data with Focus on Technical Systems
T1  - Proaktive Vorhersage kritischer Ereignisse auf der Grundlage von Beobachtungsdaten mit Schwerpunkt auf technischen Systemen
N2  - The importance of proactive and timely prediction of critical events is steadily increasing, whether in the manufacturing industry or in private life. In the past, machines in the manufacturing industry were often maintained based on a regular schedule or threshold violations, which is no longer competitive as it causes unnecessary costs and downtime. In contrast, the predictions of critical events in everyday life are often much more concealed and hardly noticeable to the private individual, unless the critical event occurs. For instance, our electricity provider has to ensure that we, as end users, are always supplied with sufficient electricity, or our favorite streaming service has to guarantee that we can watch our favorite series without interruptions. For this purpose, they have to constantly analyze what the current situation is, how it will develop in the near future, and how they have to react in order to cope with future conditions without causing power outages or video stalling.

In order to analyze the performance of a system, monitoring mechanisms are often integrated to observe characteristics that describe the workload and the state of the system and its environment. Reactive systems typically employ thresholds, utility functions, or models to determine the current state of the system. However, such reactive systems cannot proactively estimate future events, but only as they occur. In the case of critical events, reactive determination of the current system state is futile, whereas a proactive system could have predicted this event in advance and enabled timely countermeasures. To achieve proactivity, the system requires estimates of future system states. Given the gap between design time and runtime, it is typically not possible to use expert knowledge to a priori model all situations a system might encounter at runtime. Therefore, prediction methods must be integrated into the system. Depending on the available monitoring data and the complexity of the prediction task, either time series forecasting in combination with thresholding or more sophisticated machine and deep learning models have to be trained.

Although numerous forecasting methods have been proposed in the literature, these methods have their advantages and disadvantages depending on the characteristics of the time series under consideration. Therefore, expert knowledge is required to decide which forecasting method to choose. However, since the time series observed at runtime cannot be known at design time, such expert knowledge cannot be implemented in the system. In addition to selecting an appropriate forecasting method, several time series preprocessing steps are required to achieve satisfactory forecasting accuracy. In the literature, this preprocessing is often done manually, which is not practical for autonomous computing systems, such as Self-Aware Computing Systems. Several approaches have also been presented in the literature for predicting critical events based on multivariate monitoring data using machine and deep learning. However, these approaches are typically highly domain-specific, such as financial failures, bearing failures, or product failures. Therefore, they require in-depth expert knowledge. For this reason, these approaches cannot be fully automated and are not transferable to other use cases. Thus, the literature lacks generalizable end-to-end workflows for modeling, detecting, and predicting failures that require only little expert knowledge.

To overcome these shortcomings, this thesis presents a system model for meta-self-aware prediction of critical events based on the LRA-M loop of Self-Aware Computing Systems. Building upon this system model, this thesis provides six further contributions to critical event prediction. While the first two contributions address critical event prediction based on univariate data via time series forecasting, the three subsequent contributions address critical event prediction for multivariate monitoring data using machine and deep learning algorithms. Finally, the last contribution addresses the update procedure of the system model. Specifically, the seven main contributions of this thesis can be summarized as follows:

First, we present a system model for meta self-aware prediction of critical events. To handle both univariate and multivariate monitoring data, it offers univariate time series forecasting for use cases where a single observed variable is representative of the state of the system, and machine learning algorithms combined with various preprocessing techniques for use cases where a large number of variables are observed to characterize the system’s state. However, the two different modeling alternatives are not disjoint, as univariate time series forecasts can also be included to estimate future monitoring data as additional input to the machine learning models. Finally, a feedback loop is incorporated to monitor the achieved prediction quality and trigger model updates.

We propose a novel hybrid time series forecasting method for univariate, seasonal time series, called Telescope. To this end, Telescope automatically preprocesses the time series, performs a kind of divide-and-conquer technique to split the time series into multiple components, and derives additional categorical information. It then forecasts the components and categorical information separately using a specific state-of-the-art method for each component. Finally, Telescope recombines the individual predictions. As Telescope performs both preprocessing and forecasting automatically, it represents a complete end-to-end approach to univariate seasonal time series forecasting. Experimental results show that Telescope achieves enhanced forecast accuracy, more reliable forecasts, and a substantial speedup. Furthermore, we apply Telescope to the scenario of predicting critical events for virtual machine auto-scaling. Here, results show that Telescope considerably reduces the average response time and significantly reduces the number of service level objective violations.

For the automatic selection of a suitable forecasting method, we introduce two frameworks for recommending forecasting methods. The first framework extracts various time series characteristics to learn the relationship between them and forecast accuracy. In contrast, the other framework divides the historical observations into internal training and validation parts to estimate the most appropriate forecasting method. Moreover, this framework also includes time series preprocessing steps. Comparisons between the proposed forecasting method recommendation frameworks and the individual state-of-the-art forecasting methods and the state-of-the-art forecasting method recommendation approach show that the proposed frameworks considerably improve the forecast accuracy.

With regard to multivariate monitoring data, we first present an end-to-end workflow to detect critical events in technical systems in the form of anomalous machine states. The end-to-end design includes raw data processing, phase segmentation, data resampling, feature extraction, and machine tool anomaly detection. In addition, the workflow does not rely on profound domain knowledge or specific monitoring variables, but merely assumes standard machine monitoring data. We evaluate the end-to-end workflow using data from a real CNC machine. The results indicate that conventional frequency analysis does not detect the critical machine conditions well, while our workflow detects the critical events very well with an F1-score of almost 91%.

To predict critical events rather than merely detecting them, we compare different modeling alternatives for critical event prediction in the use case of time-to-failure prediction of hard disk drives. Given that failure records are typically significantly less frequent than instances representing the normal state, we employ different oversampling strategies. Next, we compare the prediction quality of binary class modeling with downscaled multi-class modeling. Furthermore, we integrate univariate time series forecasting into the feature generation process to estimate future monitoring data. Finally, we model the time-to-failure using not only classification models but also regression models. The results suggest that multi-class modeling provides the overall best prediction quality with respect to practical requirements. In addition, we prove that forecasting the features of the prediction model significantly improves the critical event prediction quality.

We propose an end-to-end workflow for predicting critical events of industrial machines. Again, this approach does not rely on expert knowledge except for the definition of monitoring data, and therefore represents a generalizable workflow for predicting critical events of industrial machines. The workflow includes feature extraction, feature handling, target class mapping, and model learning with integrated hyperparameter tuning via a grid-search technique. Drawing on the result of the previous contribution, the workflow models the time-to-failure prediction in terms of multiple classes, where we compare different labeling strategies for multi-class classification. The evaluation using real-world production data of an industrial press demonstrates that the workflow is capable of predicting six different time-to-failure windows with a macro F1-score of 90%. When scaling the time-to-failure classes down to a binary prediction of critical events, the F1-score increases to above 98%.

Finally, we present four update triggers to assess when critical event prediction models should be re-trained during on-line application. Such re-training is required, for instance, due to concept drift. The update triggers introduced in this thesis take into account the elapsed time since the last update, the prediction quality achieved on the current test data, and the prediction quality achieved on the preceding test data. We compare the different update strategies with each other and with the static baseline model. The results demonstrate the necessity of model updates during on-line application and suggest that the update triggers that consider both the prediction quality of the current and preceding test data achieve the best trade-off between prediction quality and number of updates required.

We are convinced that the contributions of this thesis constitute significant impulses for the academic research community as well as for practitioners. First of all, to the best of our knowledge, we are the first to propose a fully automated, end-to-end, hybrid, component-based forecasting method for seasonal time series that also includes time series preprocessing. Due to the combination of reliably high forecast accuracy and reliably low time-to-result, it offers many new opportunities in applications requiring accurate forecasts within a fixed time period in order to take timely countermeasures. In addition, the promising results of the forecasting method recommendation systems provide new opportunities to enhance forecasting performance for all types of time series, not just seasonal ones. Furthermore, we are the first to expose the deficiencies of the prior state-of-the-art forecasting method recommendation system.
Concerning the contributions to critical event prediction based on multivariate monitoring data, we have already collaborated closely with industrial partners, which supports the practical relevance of the contributions of this thesis. The automated end-to-end design of the proposed workflows that do not demand profound domain or expert knowledge represents a milestone in bridging the gap between academic theory and industrial application. Finally, the workflow for predicting critical events in industrial machines is currently being operationalized in a real production system, underscoring the practical impact of this thesis.
N2  - Die Bedeutung einer proaktiven und rechtzeitigen Vorhersage von kritischen Ereignissen nimmt immer weiter zu, sei es in der Fertigungsindustrie oder im Privatleben. In der Vergangenheit wurden Maschinen in der Fertigungsindustrie oft auf der Grundlage eines regelmäßigen Zeitplans oder aufgrund von Grenzwertverletzungen gewartet, was heutzutage nicht mehr wettbewerbsfähig ist, da es unnötige Kosten und Ausfallzeiten verursacht. Im Gegensatz dazu sind die Vorhersagen von kritischen Ereignissen im Alltag oft wesentlich versteckter und für die Privatperson kaum spürbar, es sei denn das kritische Ereignis tritt ein. So muss zum Beispiel unser Stromanbieter dafür sorgen, dass wir als Endverbraucher immer ausreichend mit Strom versorgt werden, oder unser Streaming-Dienst muss garantieren, dass wir unsere Lieblingsserie jederzeit ohne Unterbrechungen anschauen können. Hierzu müssen diese ständig analysieren wie der aktuelle Zustand ist, wie er sich in naher Zukunft entwickeln wird und wie sie reagieren müssen, um die zukünftigen Bedingungen zu bewältigen, ohne dass es zu Stromausfällen oder Videoabbrüchen kommt.

Zur Analyse der Leistung eines Systems werden häufig Überwachungsmechanismen integriert, um Merkmale zu beobachten, die die Arbeitslast und den Zustand des Systems und seiner Umgebung abbilden. Reaktive Systeme verwenden typischerweise Schwellenwerte, Nutzenfunktionen oder Modelle, um den aktuellen Zustand des Systems zu bestimmen. Allerdings können solche reaktiven Systeme zukünftige Ereignisse nicht proaktiv abschätzen, sondern lediglich sobald diese eintreten. Bei kritischen Ereignissen ist die reaktive Bestimmung des aktuellen Systemzustands jedoch zwecklos, während ein proaktives System dieses Ereignis im Voraus hätte vorhersagen und rechtzeitig Gegenmaßnahmen einleiten können. Um Proaktivität zu erreichen, benötigt das System Abschätzungen über zukünftige Systemzustände. Angesichts der Kluft zwischen Entwurfszeit und Laufzeit ist es typischerweise nicht möglich Expertenwissen zu verwenden, um alle Situationen zu modellieren, auf die ein System zur Laufzeit stoßen könnte. Daher müssen Vorhersagemethoden in das System integriert werden. Abhängig von den verfügbaren Überwachungsdaten und der Komplexität der Vorhersageaufgabe müssen entweder Zeitreihenprognosen in Kombination mit Schwellenwerten oder ausgefeiltere Modelle des „Machine Learning“ und „Deep Learning“ trainiert werden.

Obwohl in der Literatur schon zahlreiche Zeitreihenprognosemethoden vorgeschlagen wurden, haben alle diese Methoden in Abhängigkeit der Eigenschaften der betrachteten Zeitreihen ihre Vor- und Nachteile. Daher ist Expertenwissen erforderlich, um zu entscheiden, welche Zeitreihenprognosemethode gewählt werden sollte. Da jedoch die zur Laufzeit beobachteten Zeitreihen zur Entwurfszeit nicht bekannt sein können, lässt sich ein solches Expertenwissen nicht im System integrieren. Zusätzlich zur Auswahl einer geeigneten Zeitreihenprognosemethode sind mehrere Zeitreihenvorverarbeitungsschritte erforderlich, um eine zufriedenstellende Prognosegenauigkeit zu erreichen. In der Literatur wird diese Vorverarbeitung oft manuell durchgeführt, was für autonome Computersysteme, wie z. B. „Self-Aware Computing Systems“, nicht praktikabel ist. Hinsichtlich der Vorhersage kritischer Ereignisse auf der Grundlage multivariater Überwachungsdaten wurden in der Literatur auch bereits mehrere Ansätze unter Verwendung von „Machine Learning“ und „Deep Learning“ vorgestellt. Diese Ansätze sind jedoch typischerweise sehr domänenspezifisch, wie z. B. für finanzielle Zusammenbrüche, Lagerschäden oder Produktfehler. Aus diesem Grund erfordern sie umfassendes Expertenwissen. Durch den spezifischen Zuschnitt auf die jeweilige Domäne können diese Ansätze nicht vollständig automatisiert werden und sind nicht auf andere Anwendungsfälle übertragbar. Somit fehlt es in der Literatur an verallgemeinerbaren Ende-zu-Ende Prozessen zur Modellierung, Erkennung und Vorhersage von Ausfällen, die lediglich wenig Expertenwissen erfordern.

Um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden, wird in dieser Arbeit ein Systemmodell zur meta-selbstbewussten Vorhersage kritischer Ereignisse vorgestellt, das auf der LRA-M-Schleife von „Self-Aware Computing Systems“ basiert. Aufbauend auf diesem Systemmodell liefert diese Arbeit sechs weitere Beiträge zur Vorhersage kritischer Ereignisse. Während sich die ersten beiden Beiträge mit der Vorhersage kritischer Ereignisse auf der Basis univariater Daten mittels Zeitreihenprognose befassen, adressieren die drei folgenden Beiträge die Vorhersage kritischer Ereignisse für multivariate Überwachungsdaten unter Verwendung von „Machine Learning“ und „Deep Learning“ Algorithmen. Der letzte Beitrag schließlich behandelt das Aktualisierungsverfahren des Systemmodells. Im Einzelnen lassen sich die sieben Hauptbeiträge dieser Arbeit wie folgt zusammenfassen:

Zunächst stellen wir ein Systemmodell für die meta-selbstbewusste Vorhersage von kritischen Ereignissen vor. Um sowohl univariate als auch multivariate Überwachungsdaten verarbeiten zu können, bietet es univariate Zeitreihenprognosen für Anwendungsfälle, in denen eine einzelne Beobachtungsgröße repräsentativ für den Zustand des Systems ist, sowie „Machine Learning“ und „Deep Learning“ Algorithmen in Kombination mit verschiedenen Vorverarbeitungstechniken für Anwendungsfälle, in denen eine große Anzahl von Variablen beobachtet wird, um den Zustand des Systems zu charakterisieren. Die beiden unterschiedlichen Modellierungsalternativen sind jedoch nicht disjunkt, da auch univariate Zeitreihenprognosen einbezogen werden können, um zukünftige Überwachungsdaten als zusätzliche Eingabe für die „Machine Learning“ und „Deep Learning“ Modelle zu schätzen. Schließlich ist eine Rückkopplungsschleife eingebaut, die die erreichte Vorhersagequalität überwacht und gegebenenfalls Modellaktualisierungen auslöst.

Wir präsentieren eine neuartige, hybride Zeitreihenvorhersagemethode für univariate, saisonale Zeitreihen, die wir Telescope nennen. Telescope verarbeitet die Zeitreihe automatisch vor, führt eine Art „Divide-and-Conquer“ Technik durch, welche die Zeitreihe in mehrere Komponenten unterteilt, und leitet zusätzliche kategoriale Informationen ab. Anschließend prognostiziert es die Komponenten und kategorialen Informationen getrennt voneinander mit einer spezifischen Methode für jede Komponente. Abschließend setzt Telescope die einzelnen Vorhersagen wieder zusammen. Da Telescope alle Vorverarbeitungsschritte und Vorhersagen automatisch durchführt, stellt es einen vollständigen Ende-zu-Ende Ansatz für univariate, saisonale Zeitreihenvorhersagen dar. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Telescope eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit, zuverlässigere Vorhersagen und eine erhebliche Beschleunigung erreicht. Darüber hinaus wenden wir Telescope für die Vorhersage kritischer Ereignisse bei der automatischen Skalierung von virtuellen Maschinen an. Die Ergebnisse belegen, dass Telescope die durchschnittliche Antwortzeit erheblich reduziert und die Anzahl der Verletzungen der Service Level Zielvorgaben signifikant verringert.

Für die automatische Auswahl einer geeigneten Zeitreihenprognosemethode führen wir zwei Empfehlungssysteme ein. Das erste System extrahiert verschiedene Zeitreihencharakteristika, um die Beziehung zwischen ihnen und der Prognosegenauigkeit zu erlernen. Im Gegensatz dazu unterteilt das zweite System die historischen Beobachtungen in interne Trainings- und Validierungsteile, um die am besten geeignete Zeitreihenprognosemethode zu schätzen. Außerdem beinhaltet letzteres System auch Zeitreihenvorverarbeitungsschritte. Vergleiche zwischen den vorgeschlagenen Empfehlungssystemen für Zeitreihenprognosemethoden und den einzelnen Prognosemethoden sowie dem Ansatz zur Empfehlung von Zeitreihenprognosemethoden nach dem Stand der Technik ergeben, dass die vorgeschlagenen Systeme die Prognosegenauigkeit erheblich verbessern.

Im Hinblick auf multivariate Überwachungsdaten stellen wir zunächst einen Ende-zu-Ende Prozess vor, mit dem kritische Ereignisse in technischen Systemen in Form von anomalen Maschinenzuständen erkannt werden können. Der Ende-zu-Ende Entwurf umfasst die Rohdatenverarbeitung, die Phasensegmentierung, das Datenresampling, die Merkmalsextraktion und die Maschinenanomalieerkennung. Darüber hinaus stützt sich der Prozess explizit nicht auf tiefgreifendes Domänenwissen oder spezifische Überwachungsgrößen, sondern setzt lediglich gängige Maschinenüberwachungsdaten voraus. Wir evaluieren den Ende-zu-Ende Prozess anhand von Daten einer realen CNC-Maschine. Die Ergebnisse zeigen, dass die konventionelle Frequenzanalyse die kritischen Maschinenzustände nicht gut erkennt, während unser Prozess die kritischen Ereignisse mit einem F1-Wert von fast 91% sehr gut identifiziert.

Um kritische Ereignisse vorherzusagen, anstatt sie nur reaktiv zu erkennen, vergleichen wir verschiedene Modellierungsalternativen für die Vorhersage kritischer Ereignisse im Anwendungsfall der Vorhersage der Zeit bis zum nächsten Fehler von Festplattenlaufwerken. Da Fehlerdatensätze typischerweise wesentlich seltener sind als Instanzen, die den Normalzustand repräsentieren, setzen wir verschiedene Strategien zum Erzeugen künstlicher Fehlerinstanzen ein. Im nächsten Schritt vergleichen wir die Vorhersagequalität der binären Klassenmodellierung mit der herunterskalierten Mehrklassenmodellierung. Des Weiteren integrieren wir die univariate Zeitreihenprognose in den Merkmalsgenerierungsprozess, um so die zukünftigen Überwachungsdaten zu schätzen. Schließlich modellieren wir die Zeit bis zum nächsten Fehler nicht nur mithilfe von Klassifikationsmodellen, sondern auch mit Regressionsmodellen. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Mehrklassenmodellierung die insgesamt beste Vorhersagequalität hinsichtlich praktischer Anforderungen liefert. Außerdem belegen wir, dass die Prognose der Merkmale des Vorhersagemodells mittels univariater Zeitreihenprognose die Qualität der Vorhersage kritischer Ereignisse signifikant verbessert.

Wir stellen einen Ende-zu-Ende Prozess für die Vorhersage kritischer Ereignisse von Industriemaschinen vor. Auch dieser Ansatz verlässt sich nicht auf Expertenwissen, mit Ausnahme der Definition von Überwachungsdaten, und stellt daher einen verallgemeinerbaren Prozess für die Vorhersage kritischer Ereignisse von Industriemaschinen dar. Der Prozess umfasst Merkmalsextraktion, Merkmalsverarbeitung, Zielklassenzuordnung und Modelllernen mit integrierter Hyperparameter-Abstimmung mittels einer Gittersuchtechnik. Ausgehend von den Ergebnissen des vorherigen Beitrags modelliert der Prozess die Vorhersage der Zeit bis zum nächsten Fehler in Form mehrerer Klassen, wobei wir verschiedene Beschriftungsstrategien für die Mehrklassenklassifizierung vergleichen. Die Evaluierung anhand realer Produktionsdaten einer großen Industriepresse demonstriert, dass der Prozess in der Lage ist, sechs verschiedene Zeitfenster für bevorstehende Fehler mit einem Makro F1-Wert von 90% vorherzusagen. Wenn man die Klassen der Zeit bis zum nächsten Fehler auf eine binäre Vorhersage von kritischen Ereignissen herunterskaliert, steigt der F1-Wert sogar auf über 98%.

Schließlich stellen wir vier Aktualisierungsauslöser vor, um zu bestimmen, wann Modelle zur Vorhersage kritischer Ereignisse während der Online-Anwendung neu trainiert werden sollten. Ein solches Neutraining ist bspw. aufgrund von Konzeptdrift erforderlich. Die in dieser Arbeit vorgestellten Aktualisierungsauslöser berücksichtigen die Zeit, die seit der letzten Aktualisierung verstrichen ist, die auf den aktuellen Testdaten erreichte Vorhersagequalität und die auf den vorangegangenen Testdaten erreichte Vorhersagequalität. Wir vergleichen die verschiedenen Aktualisierungsstrategien miteinander und mit dem statischen Ausgangsmodell. Die Ergebnisse veranschaulichen die Notwendigkeit von Modellaktualisierungen während der Online-Anwendung und legen nahe, dass die Aktualisierungsauslöser, die sowohl die Vorhersagequalität der aktuellen als auch der vorangegangenen Testdaten berücksichtigen, den besten Kompromiss zwischen Vorhersagequalität und Anzahl der erforderlichen Aktualisierungen erzielen.

Wir sind der festen Überzeugung, dass die Beiträge dieser Arbeit sowohl für die akademische Forschungsgemeinschaft als auch für die praktische Anwendung wichtige Impulse darstellen. Zuallererst sind wir unseres Wissens nach die ersten, die eine vollautomatische, hybride, komponentenbasierte, Ende-zu-Ende Prognosemethode für saisonale Zeitreihen vorschlagen, die auch die Zeitreihenvorverarbeitung beinhaltet. Durch die Verbindung einer zuverlässig hohen Vorhersagegenauigkeit mit einer zuverlässig niedrigen Zeit bis zum Ergebnis eröffnet diese viele neue Möglichkeiten für Anwendungen, die genaue Vorhersagen innerhalb eines festen Zeitraums erfordern, um rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergreifen zu können. Darüber hinaus bieten die vielversprechenden Ergebnisse der Empfehlungssysteme für Zeitreihenprognosemethoden neue Ansätze zur Verbesserung der Vorhersageleistung für alle Arten von Zeitreihen, nicht nur für saisonale Zeitreihen. Ferner sind wir die ersten, die die Schwachstellen des bisherigen Stands der Technik bei der Empfehlung von Zeitreihenprognosemethoden aufgedeckt haben.
Hinsichtlich der Beiträge zur Vorhersage kritischer Ereignisse mittels multivariater Überwachungsdaten haben wir bereits eng mit Industriepartnern zusammengearbeitet,wodurch die hohe praktische Relevanz der Beiträge dieser Arbeit verdeutlicht wird. Der automatisierte Ende-zu-Ende Entwurf der vorgeschlagenen Prozesse, die kein tiefes Domänen- oder Expertenwissen erfordern, stellt einen Meilenstein in der Überbrückung der Kluft zwischen akademischer Theorie und industrieller Anwendung dar. Diese Tatsache wird insbesondere dadurch untermauert, dass der Prozess zur Vorhersage kritischer Ereignisse in Industriemaschinen derzeit bereits in einem realen Produktionssystem operationalisiert wird.
KW  - Prognose
KW  - Automation
KW  - Zeitreihe
KW  - Forecasting
KW  - Zeitreihenvorhersage
KW  - Failure Prediction
KW  - Fehlervorhersage
KW  - End-to-End Automation
KW  - Ende-zu-Ende Automatisierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255757
ER  - 
TY  - THES
A1  - Upcin, Berin
T1  - Contribution of vascular adventitia-resident progenitor cells to new vessel formation in \(ex\) \(vivo\) 3D models
T1  - Der Beitrag der Gefäßwandadventitia-residenten Vorläuferzellen zur Neovaskularisation in \(ex\) \(vivo\) 3D Modellen
N2  - Ongoing research to fight cancer, one of the dominant diseases of the 21st century has led to big progress especially when it comes to understanding the tumor growth and metastasis. This includes the discovery of the molecular mechanisms of tumor vascularization, which is critically required for establishment of tumor metastasis. 
Formation of new blood vessels is the first step in tumor vascularization. Therefore, understanding the molecular and cellular basis of tumor vascularization attracted a significant effort studying in biomedical research. The blood vessels for supplying tumor can be formed by sprouting from pre-existing vessels, a process called angiogenesis, or by vasculogenesis, that is de novo formation of blood vessels from not fully differentiated progenitor cell populations. Vasculogenic endothelial progenitor cells (EPCs) can either be activated from populations in the bone marrow reaching the pathological region via the circulation or they can be recruited from local reservoirs. Neovessel formation influences tumor progression, hence therapeutic response model systems of angiogenesis/vasculogenesis are necessary to study the underlying mechanisms. Although, initially the research in this area focused more on angiogenesis, it is now well understood that both angiogenesis and postnatal vasculogenesis contribute to neovessel formation in adult under both most pathological as well as physiological conditions. Studies in the last two decades demonstrate that in addition to the intimal layer of fully differentiated mature endothelial cells (ECs) and various smaller supplying vessels (vasa vasorum) that can serve as a source for new vessels by angiogenesis, especially the adventitia of large and medium size blood vessels harbors various vascular wall-resident stem and progenitor cells (VW-SPCs) populations that serve as a source for new vessels by postnatal vasculogenesis. However, little is known about the potential role of VW-SPCs in tumor vascularization. 
 To this end, the present work started first to establish a modified aortic ring assay (ARA) using mouse aorta in order to study the contribution of vascular adventitia-resident VW-SPCs to neovascularization in general and in presence of tumor cells. ARA is already established an ex vivo model for neovascularization allows to study the morphogenetic events of complex new vessel formation that includes all layers of mature blood vessels, a significant advantage over the assays that employ monolayer endothelial cell cultures. Moreover, in contrast to assays employing endothelial cells monocultures, both angiogenic and vasculogenic events take place during new vessel formation in ARA although the exact contribution of these two processes to new vessel formation cannot be easily distinguished in conventional ARA. Thus, in this study, a modified protocol for the ARA (mdARA) was established by either removing or keeping the aortic adventitia in place. The mdARA allows to distinguish the role of VW-SPCs from those of other aortic layers. The present data show that angiogenic sprouting from mature aortic endothelium was markedly delayed when the adventitial layer was removed. Furthermore, the network between the capillary-like sprouts was significantly reduced in absence of aortic adventitia. Moreover, the stabilization of new sprouts by assembling the NG2+ pericyte-like cells that enwrapped the endothelial sprouts from the outside was improved when the adventitial layer remained in place. 
Next, mimicking the tumor-vessel adventitia-interaction, multicellular tumor spheroids (MCTS) and aortic rings (ARs) with or without adventitia of C57BL/6-Tg (UBC-GFP) mice were confronted within the collagen gel and cultured ex vivo. This 3D model enabled analysis of the mobilization, migration and capillary-like sprouts formation by VW-SPCs within tumor-vessel wall-interface in comparison to tumor-free side of the ARs. Interestingly, while MCTS preferred the uptake of single vascular adventitia-derived cells, neural spheroids were directly penetrated by capillary-like structures that were sprouted from the aortic adventitia. In summary, the model established in this work allows to study new vessel formation by both postnatal vasculogenesis and angiogenesis under same conditions. It can be applied in various mouse models including reporter mouse models, e.g. Cxcr1 CreER+/mTmG+/- mice, in which GFP-marked macrophages of the vessel wall were directly observed as they mobilized from their niche and migrated into collagen gel. Another benefit of the model is that it can be used for testing different factors such as small molecules, growth factors, cytokines, and drugs with both pro- and anti-angiogenic/vasculogenic effects.
N2  - Die Forschungsarbeiten der letzten Jahrzehnte zur Bekämpfung der Krebserkrankung, einer der dominierenden Krankheiten des 21. Jahrhunderts, haben zu großen Fortschritten, insbesondere im Verständnis bezüglich der Tumormetastasierung geführt. Dies schließt die Prozesse der Tumorvaskularisierung als einen der initialen Schritte der Metastasierung mit ein, die nach wie vor nicht ausreichend geklärt sind. 
Die Blutgefäßbildung zur Versorgung des Tumorgewebes kann durch die Anagiogenese, die als Einsprießen neuer Gefäße aus den bereits vorhandenen Blutgefäßen definiert wird, oder durch die Vaskulogenese, die als Gefäßneubildung aus Stamm- und Vorläuferzellen beschrieben wird, sichergestellt werden. Noch nicht vollständig ausdifferenzierte endotheliale Vorläuferzellen (EPCs) werden dabei nach dem bisherigen Kenntnistand aus dem Knochenmark rekrutiert und erreichen die Regionen der Gefäßneubildung über die Blutzirkulation und können dort zur de novo Formierung neuer Blutgefäße auch beim Erwachsenen beitragen. Untersuchungen der letzten zwei Dekaden haben gezeigt, dass solche Vorläuferzellen auch aus lokalen Reservoiren, wie z.B. aus der Gefäßwandadventitia der bereits existierenden Blutgefäße mobilisiert werden. Da die Bildung neuer Gefäße einen direkten Einfluss auf die Tumorprogression hat, sind entsprechende Modellsysteme notwendig, um die zugrundeliegenden Mechanismen möglichst präzise zu untersuchen. Obwohl sich die Forschung der Tumorvaskularisierung zunächst auf Prozesse der Angiogenese konzentrierte, ist es mittlerweile ausreichend belegt, dass auch die Vaskulogenese zur Tumorvaskularisierung beiträgt und somit die Tumorprogression beeinflusst. 
Anhand einer Vielzahl an Studien der letzten zwei Jahrzehnte konnte demonstriert werden, dass sich, neben der Intimaschicht, die vollständig differenzierte Endothelzellen (ECs) enthält und kleineren Gefäßwand-versorgenden Blutgefäßen, der sogenannten Vasa vasorum in der Adventitia der großen Gefäße, auch Populationen gefäßwandresidenter Stamm- und Vorläuferzellen (VW-SPCs) in der äußeren Gefäßwandschicht, nämlich der Adventitia fast aller Gefäßabschnitte nachweisen lassen. Obwohl diese als Quelle neuer Gefäße in der postnatalen Vaskulogenese beschrieben sind, ist nach wie vor wenig über die potenzielle Rolle von VW-SPCs in der Tumorvaskularisation bekannt. 
Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit zuerst ein modifiziertes Aortic Ringassay (ARA) unter Verwendung der Mausaorta etabliert, um den Beitrag der VW-SPCs zur Neovaskularisierung im Allgemeinen und zur Tumorvaskularisierung im Speziellen ex vivo untersuchen zu können. ARA ist ein bereits seit einigen Jahrzehnten etabliertes ex vivo Modell zur Untersuchung der Gefäßneubildung durch Angiogenese. Mittels ARA kann die Bildung komplexer vaskulärer Strukturen in Präsenz aller Wandschichten reifer Blutgefäße untersucht werden, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber der Verwendung von Endothelzellkulturen in Monolayer bedeutet. Hierbei ist jedoch anzumerken, dass in ARA sowohl angiogene als auch vaskulogene Prozesse zur Gefäßbildung beitragen, aber der genaue Beitrag beider Prozesse schwer oder kaum voneinander unterscheidbar ist. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein modifiziertes ARA-Protokoll etabliert (mdARA), in welchem die aortale Adventitia vor dem Beginn des ARA entweder entfernt oder belassen wurde und somit die Rolle der VW-SPCs bei der Gefäßsprossung von den Zellen anderer Aortenwandschichten differenziert studiert werden konnte. Die dabei generierten Daten zeigen, dass sich die angiogene Aussprossung aus dem reifen Aortenendothel nach Entfernung der adventitialen Schicht deutlich verzögerte. Darüber hinaus war das Netzwerk zwischen den kapillarartigen Sprossen in Abwesenheit der Aortenadventitia signifikant reduziert. Mehr noch, das Belassen der adventitialen Wandstruktur führte zu einer verbesserten Stabilisierung neuer Gefäßsprossen. Als sichtbares Korrelat hierfür zeigte sich eine stärkere und bessere Anlagerung der NG2+ Perizyten-ähnlichen Zellen zu den endothelialen Kapillar-ähnlichen Aussprossungen von außen, wie Perizyten an der Kapillarwand in situ.
Als nächstes wurden die Aortenringe (ARs) von C57BL/6-Tg (UBC-GFP)-Mäusen mit multizellulären Tumor-Sphäroiden (MCTS) in Kollagengel ko-kultiviert, um die Interaktion zwischen Tumor und Gefäßwand-Adventitia ex vivo nachzuahmen. Dieses 3D Modell ermöglichte die Analyse der Mobilisierung und Migration der VW-SPCs von der aortalen Adventitia sowohl zu der Tumorseite in den Tumor-Gefäßwand-Interfaces als auch zu der tumorfreien Seite der Aortenringe. Interessanterweise wurde die Kapillarsprossung im Tumor-Gefäßwand-Interface an der Grenze zum MCTS gestoppt und die VW-SPCs als Einzelzellen in die MCTS aufgenommen. Demgegenüber wurde auf der tumor-freien Seite der Aortenringe eine deutlich längere Kapillaraussprossung beobachtet. Im Gegensatz zu MCTS resultierte die Ko-Kultivierung der ARs mit neuronalen Spheroiden darin, dass die aus der aortalen Adventitia aussprossenden Kapillar-ähnlichen Strukturen direkt in die neuronalen Spheroide penetrierten. Zusammenfassend berücksichtigt dieses neuartige in vitro 3D-Modell sowohl Angiogenese als auch Vaskulogenese und bietet vielfältige Vorteile, wie zum Beispiel die Kompatibilität zu verschiedenen Mausmodellen einschließlich der Reporter-Mausmodelle, wie z.B. die in dieser Arbeit gezeigte Verwendung der Aorta von Cxcr1 CreER+/mTmG+/- um die GFP-markierten Makrophagen aus der Gefäßwand bei der Gefäßaussprossung studieren zu können. Des Weiteren ist dieses Model auch für Testung unterschiedlicher Faktoren und Therapeutika einschließlich der anti-angiogenen und -vasculogenen Substanzen unter ex vivo Bedingungen geeignet.  
KW  - Progenitor
KW  - Adventitia
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-255070
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lisowski, Clivia
T1  - Maturation of the \(Salmonella\) containing vacuole is compromised in G1 arrested host cells
T1  - Die Reifung der \(Salmonella\)-enthaltenden Vakuole ist kompromittiert in G1-arretierten Wirtszellen
N2  - The interaction of bacterial pathogens and the human host is a complex process that has shaped both organisms on a molecular, cellular and population level. When pathogenic bacteria infect the human body, a battle ensues between the host immune system and the pathogen. In order to escape an immune response and to colonize the host, pathogenic bacteria have developed diverse virulence strategies and some pathogens even replicate within host cells. For survival and propagation within the dynamic environment of a host cell, these bacteria interfere with the regulation of host pathways, such as the cell cycle, for their own benefit.
The intracellular pathogen Salmonella Typhimurium invades eukaryotic cells and resides and replicates in a modified vacuolar compartment in which it is protected from the innate immune response. To this end, it employs a set of virulence factors that help to invade cells (SPI-1 effectors) and to hijack and modify the host endolysosomal system, in order to stabilize and mature its vacuolar niche (SPI-2 effectors). Previous studies have shown that Salmonella arrests host cells in G2/M phase and that Salmonella infected cells progress faster from G1 into S phase, suggesting that the G1 phase is disadvantageous for Salmonella infection. In fact, it has already been observed that Salmonella replication is impaired in G1 arrested cells. However, the reason for this impairment remained unclear.
The current study addressed this question for the first time and revealed that the  highly adapted, intracellular lifestyle of Salmonella is drastically altered upon G1 arrest of the host cell. It is shown that proteasomal degradation in G1 arrested cells is delayed and endolysosomal and autophagosomal trafficking is compromised. Accordingly, processing of lysosomal proteins is insufficient and lysosomal activity is decreased; resulting in uneven distribution and accumulation of endolysosomes and autophagosomes, containing undegraded cargo. The deregulation of these cellular signaling pathways affects maturation of the Salmonella containing vacuole (SCV). For the first time it is shown that acidification of SCVs is impaired upon G1 arrest. Thus, an important environmental factor for the switch from SPI-1 to SPI-2 gene expression is
 
missing and the SPI-2 system is not activated. Consequently, targeting and modification of host cell structures by SPI-2 effectors e.g. recruitment of endolysosomal membrane proteins, like LAMP1, or exchange of endosomal cargo, is compromised.
In addition, degradation of Salmonella SPI-1 effectors by the host proteasome is delayed. Their prolonged presence sustained the recruitment of early endosomes and contributed to the SCV remaining in an early, vulnerable maturation stage. Finally, it was shown that SCV membrane integrity is compromised; the early SCV ruptures and bacteria are released into the cytoplasm. Depending on the host cell type, SPI-2 independent, cytoplasmic replication is promoted. This might favor bacterial spreading, dissemination into the tissue and provide an advantage in host colonization.
Overall, the present study establishes a link between host cell cycle regulation and the outcome of Salmonella infection. It fills the gap of knowledge as to why the host cell cycle stage is of critical importance for Salmonella infection and sheds light on a key aspect of host-pathogen interaction.
N2  - Die Interaktion zwischen bakteriellen Krankheitserregern und dem menschlichen Wirt ist ein komplexer Prozess, der beide Organismen auf molekularer, zellulärer und Populationsebene geprägt hat. Wenn pathogene Bakterien den menschlichen Körper infizieren, kommt es zu einem Kampf zwischen dem  Immunsystem des Wirtes und dem Krankheitserregers. Um einer Immunantwort zu entgehen und den  Wirt  zu  besiedeln,  haben  pathogene  Bakterien  diverse  Strategien entwickelt und einige Erreger vermehren sich sogar innerhalb von Wirtszellen. Zum Überleben und zur Vermehrung innerhalb der dynamischen Umgebung einer Wirtszelle, manipulieren diese Bakterien die Regulation zellulärer Netzwerke, wie zum Beispiel den Zellzyklus, zu ihrem eigenen  Vorteil.
Salmonella Typhimurium, ein intrazelluläres Bakterium, dringt in eukaryotische Wirtszellen ein und vermehrt sich in einem modifizierten, vakuolären Kompartiment, welches gleichzeitig vor der angeboren Immunantwort des Wirtes schützt. Zu diesem Zweck entwickelten Salmonellen eine Reihe von Virulenzfaktoren. Diese sind zum einen für die Invasion von Zellen verantwortlich (SPI-1 Faktoren), zum anderen greifen sie das endolysosomale System der Wirtszelle an und modifizieren es, mit dem Ziel die intrazelluläre Salmonellen-enthaltende Vakuole (SCV) zu stabilisieren und reifen zu lassen (SPI-2 Faktoren). Frühere Studien haben gezeigt, dass Salmonellen ihre Wirtszellen in der G2/M Phase blockieren. Zudem gehen Salmonellen-infizierte Zellen schneller von der G1 in die S-Phase über, was auf einen Nachteil der G1-Phase für die Salmonelleninfektion hindeutet. In der Tat wurde bereits beobachtet, dass die Vermehrung von Salmonellen in G1-arretierten Zellen beeinträchtigt war. Der Grund  für diese Beeinträchtigung blieb jedoch unklar.
Die vorliegende Studie befasst sich zum ersten Mal mit dieser Frage und zeigt auf, dass der hoch angepasste, intrazelluläre Lebensstil von Salmonellen während des G1-Arrest der Wirtszelle dramatisch verändert wird. Im Rahmen der hier vorgelegten Arbeit  wurde gezeigt, dass der proteasomale Abbau in G1-arretierten Zellen verzögert und die endolysosomalen   und   autophagosomalen   Transportnetzwerke   beeinträchtigt sind.
 
Dementsprechend ist die Prozessierung lysosomaler Proteine unzulänglich und die lysosomale Aktivität herabgesetzt; was zu einer ungleichmäßigen Verteilung und Anreicherung von Endolysosomen und Autophagosomen führt, die nicht abgebaute Stoffwechselprodukte akkumulieren. Die Deregulierung der genannten zellulären Signalwege beeinflusst die Reifung der SCV. Es konnte hier zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Ansäuerung der SCV in G1-arretierten Zellen inhibiert ist. Somit fehlt ein essentieller Faktor für den Wechsel von SPI-1 zu SPI-2-Genexpression und das SPI-2 System wird nicht aktiviert. Folglich findet keine Modifikation der Wirtszelle durch SPI-2-Effektoren, z.B. die Rekrutierung endolysosomaler Membranproteine, wie LAMP1 oder der Austausch endosomaler Fracht statt.
Zudem ist der Abbau von bakteriellen SPI-1-Effektoren durch das Wirtsproteasom verzögert. Die verlängerte Präsenz der SPI-1 Effektoren fördert eine anhaltende Rekrutierung von frühen Endosomen und trägt zum Verbleib der SCV in einem frühen, sehr instabilen Reifestadium bei. Schließlich wurde gezeigt, dass die Integrität der SCV Membran kompromittiert ist, die Vakuole aufbricht und die Bakterien ins Zytoplasma entlassen werden. In Abhängigkeit des Wirtszelltyps wird eine SPI-2 unabhängige, zytoplasmatische  Vermehrung  begünstigt,  was   möglicherweise   die   Ausbreitung  der Bakterien ins Gewebe erleichtert und somit einen Vorteil bei der Besiedelung des Wirtes darstellt.
Insgesamt   etabliert   die   vorliegende   Studie   einen    Zusammenhang    zwischen   der Regulation des Wirtszellzyklus und dem Ergebnis einer Salmonelleninfektion. Es wird  aufgezeigt, warum der Zellzyklus der Wirtszelle von entscheidender Bedeutung  für den Verlauf der  Salmonelleninfektion  ist  und  beleuchtet  somit  einen  essentiellen  Aspekt  der Wirt-Pathogen-Interaktion.
KW  - Salmonella Typhimurium
KW  - Zellzyklus
KW  - Lysosom
KW  - endosomal trafficking
KW  - SCV maturation
KW  - Cell cycle
KW  - lysosome
KW  - Cells
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-185239
ER  - 
TY  - THES
A1  - Staiger, Simona
T1  - Chemical and physical nature of the barrier against active ingredient penetration into leaves: effects of adjuvants on the cuticular diffusion barrier
T1  - Chemische und physikalische Beschaffenheit der Barriere gegenüber Wirkstoffen: Adjuvantieneffekte auf die kutikuläre Diffusionsbarriere
N2  - Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus.

Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle.
Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants.
In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. 
Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry.
N2  - Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. 

Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. 
Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien.
Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert.
Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.
KW  - Adjuvans
KW  - Pflanzenschutzmittel
KW  - Kutikula
KW  - Adjuvant
KW  - Plant Protection
KW  - Plant cuticle
KW  - Diffusion
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199375
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kryven, Myroslav
T1  - Optimizing Crossings in Circular-Arc Drawings and Circular Layouts
T1  - Kreuzungsoptimierung in Graphenzeichnungen mit Kreisbogen und in Kreiszeichnungen
N2  - A graph is an abstract network that represents a set of objects, called vertices, and relations between these objects, called edges. Graphs can model various networks. For example, a social network where the vertices correspond to users of the network and the edges represent relations between the users. To better see the structure of a graph it is helpful to visualize it. The research field of visualizing graphs is called Graph Drawing. A standard visualization is a node-link diagram in the Euclidean plane. In such a representation the vertices are drawn as points in the plane and edges are drawn as Jordan curves between every two vertices connected by an edge. Edge crossings decrease the readability of a drawing, therefore, Crossing Optimization is a fundamental problem in Graph Drawing. Graphs that can be drawn with few crossings are called beyond-planar graphs. The topic that deals with definition and analysis of beyond-planar graphs is called Beyond Planarity and it is an important and relatively new research area in Graph Drawing. In general, beyond planar graphs posses drawings where edge crossings are restricted in some way. For example, the number of crossings may be bounded by a constant independent of the size of the graph. Crossings can also be restricted locally by, for example, restricting the number of crossings per edge, restricting the number of pairwise crossing edges, or bounding the crossing angle of two edges in the drawing from below. This PhD thesis defines and analyses beyond-planar graph classes that arise from such local restrictions on edge crossings.
N2  - Ein Graph ist eine Datenstruktur bestehend aus einer Menge von Objekten (die Knoten genannt werden) und einer Menge von Beziehungen (die Kanten genannt werden) zwischen Paaren von Objekten. Graphen modellieren verschiedene Arten von Netzwerken. Um die Struktur eines Graphen zu verdeutlichen, ist es hilfreich den Graphen zu visualisieren. Das Forschungsgebiet der Visualisierung von Graphen heißt Graphenzeichnen.  Eine klassische Visualisierungsmethode für Graphen sind sogenannte Node-Link-Diagramme. Bei dieser Darstellung werden die Knoten als Punkte gezeichnet und für jedes Paar von Knoten, die im Graph benachbart sind, werden die entsprechenden Punkte durch eine Kurve verbunden. Bei solchen Darstellungen möchte man Kreuzungen zwischen Kanten vermeiden, weil Kreuzungen die Lesbarkeit einer Zeichnung verringern.  Deswegen ist Kreuzungsminimierung ein fundamentales Thema im Graphenzeichnen. Graphen, die mit wenig Kreuzungen gezeichnet werden können, heißen beyond-planar. Das Thema, das sich mit Definition und Analyse von beyond-planaren Graphen beschäftigt, heißt Beyond Planarity und ist ein wichtiges, noch recht junges Forschungsgebiet im Graphenzeichnen. Generell gilt für beyond-planare Graphen, dass sie eine Zeichnung besitzen, bei der die Art der Kreuzungen irgendwie eingeschränkt ist; zum Beispiel, wenn die Anzahl der Kreuzungen durch eine Konstante beschränkt ist (unabhängig von der Größe des Graphen). Kreuzungen können auch lokal beschränkt werden, indem wir zum Beispiel höchstens eine konstante Anzahl von Kreuzungen pro Kante erlauben oder höchstens eine konstante Anzahl von sich paarweise kreuzenden Kanten erlauben. Kreuzungen können auch dadurch beschränkt werden, dass wir den Winkel, unter dem sich kreuzende Kanten schneiden, nach unten beschränken. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Klassen von beyond-planaren Graphen, die durch solche lokalen Einschränkungen von Kreuzungen definiert sind.
N2  - A graph is an abstract network that represents a set of objects, called vertices, and relations between these objects, called edges. Graphs can model various networks. For example, a social network where the vertices correspond to users of the network and the edges represent relations between the users. To better see the structure of a graph it is helpful to visualize it. A standard visualization is a node-link diagram in the Euclidean plane. In such a representation the vertices are drawn as points in the plane and edges are drawn as Jordan curves between every two vertices connected by an edge. Edge crossings decrease the readability of a drawing, therefore, Crossing Optimization is a fundamental problem in Computer Science. This book explores the research frontiers and introduces novel approaches in Crossing Optimization.
KW  - Graphenzeichnen
KW  - graph drawing
KW  - beyond planarity
KW  - circular-arc drawings
KW  - circular layouts
KW  - crossing minimization
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-245960
SN  - 978-3-95826-174-7
SN  - 978-3-95826-175-4
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, 978-3-95826-174-7, 28,90 Euro.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Kleiber, Nicole
A1  - Lemus-Diaz, Nicolas
A1  - Stiller, Carina
A1  - Heinrichs, Marleen
A1  - Mong-Quyen Mai, Mandy
A1  - Hackert, Philipp
A1  - Richter-Dennerlein, Ricarda
A1  - Höbartner, Claudia
A1  - Bohnsack, Katherine E.
A1  - Bohnsack, Markus T.
T1  - The RNA methyltransferase METTL8 installs m\(^3\)C\(_{32}\) in mitochondrial tRNAs\(^{Thr/Ser(UCN)}\) to optimise tRNA structure and mitochondrial translation
JF  - Nature Communication
N2  - Modified nucleotides in tRNAs are important determinants of folding, structure and function. Here we identify METTL8 as a mitochondrial matrix protein and active RNA methyltransferase responsible for installing m\(^3\)C\(_{32}\) in the human mitochondrial (mt-)tRNA\(^{Thr}\) and mt-tRNA\(^{Ser(UCN)}\). METTL8 crosslinks to the anticodon stem loop (ASL) of many mt-tRNAs in cells, raising the question of how methylation target specificity is achieved. Dissection of mttRNA recognition elements revealed U\(_{34}\)G\(_{35}\) and t\(^6\)A\(_{37}\)/(ms\(^2\))i\(^6\)A\(_{37}\), present concomitantly only in the ASLs of the two substrate mt-tRNAs, as key determinants for METTL8-mediated methylation of C\(_{32}\). Several lines of evidence demonstrate the influence of U\(_{34}\), G\(_{35}\), and the m\(^3\)C\(_{32}\) and t\(^6\)A\(_{37}\)/(ms\(^2\))i\(^6\)A\(_{37}\) modifications in mt-tRNA\(^{Thr/Ser(UCN)}\) on the structure of these mt-tRNAs. Although mt-tRNA\(^{Thr/Ser(UCN)}\) lacking METTL8-mediated m\(^3\)C\(_{32}\) are efficiently aminoacylated and associate with mitochondrial ribosomes, mitochondrial translation is mildly impaired by lack of METTL8. Together these results define the cellular targets of METTL8 and shed new light on the role of m\(^3\)C\(_{32}\) within mt-tRNAs.
KW  - Modified Nucleotides in tRNAs
KW  - METTL8
KW  - Mitochondrial Matrix Protein
KW  - RNA Methyltransferase
KW  - RNA
KW  - Enzymes
KW  - Organelles
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254592
VL  - 13
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Dietzsch, Julia
A1  - Bialas, David
A1  - Bandorf, Johannes
A1  - Würthner, Frank
A1  - Höbartner, Claudia
T1  - Tuning Exciton Coupling of Merocyanine Nucleoside Dimers by RNA, DNA and GNA Double Helix Conformations
JF  - Angewandte Chemie International Edition
N2  - Exciton coupling between two or more chromophores in a specific environment is a key mechanism associated with color tuning and modulation of absorption energies. This concept is well exemplified by natural photosynthetic proteins, and can also be achieved in synthetic nucleic acid nanostructures. Here we report the coupling of barbituric acid merocyanine (BAM) nucleoside analogues and show that exciton coupling can be tuned by the double helix conformation. BAM is a nucleobase mimic that was incorporated in the phosphodiester backbone of RNA, DNA and GNA oligonucleotides. Duplexes with different backbone constitutions and geometries afforded different mutual dye arrangements, leading to distinct optical signatures due to competing modes of chromophore organization via electrostatic, dipolar, - stacking and hydrogen-bonding interactions. The realized supramolecular motifs include hydrogenbonded BAM–adenine base pairs and antiparallel as well as rotationally stacked BAM dimer aggregates with distinct absorption, CD and fluorescence properties.
KW  - Chromophore Assembly
KW  - Merocyanine
KW  - Nucleobase Analogue
KW  - Supramolecular Element
KW  - Nucleic Acids
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254565
ER  - 
TY  - THES
A1  - König, Anika
T1  - The role of the transcriptional regulators NFATc1 and Blimp-1 in follicular T-cells
T1  - Die Rolle der Transkriptionsregulatoren NFATc1 und Blimp-1 in follikulären T-Zellen
N2  - The defense against invading pathogens is, amongst other things, mediated via the action of antibodies. Class-switched antibodies and antibodies of high affinity are produced by plasma cells descending from germinal center B (GCB) cells. GCB cells develop in the germinal center (GC), a specialized microstructure found in the B-cell follicle of secondary lymphoid organs. GCB-cell maturation and proliferation are supported by follicular T- helper (Tfh) cells. On the other hand, follicular regulatory T (Tfr) cells control this process in quantity and quality preventing, for instance, the formation of autoantibodies directed against endogenous structures. The development of GCB, Tfh and Tfr cells essentially depends on the migration into the GC, which is mediated via the expression of the chemokine receptor CXCR5.
One transcription factor highly expressed in follicular T cells, comprising Tfh and Tfr cells, is NFATc1. Tfr cells additionally express the transcriptional repressor Blimp-1, which is not expressed in Tfh cells. We found that NFATc1 is transactivating Cxcr5 via response elements in the promoter and enhancer in vitro. Blimp-1 binds to the same elements, transactivating Cxcr5 expression in cooperation with NFATc1, whilst mediating Cxcr5- repression on its own. In Tfr cells Blimp-1 suppresses CXCR5 expression in the absence of NFATc1. Blimp-1 itself is necessary to restrict Tfr-cell frequencies and to mediate Tfr- cell function as in mice with Blimp-1-ablated Tregs high frequencies of Tfr cells do not reduce GCB- or Tfh cell frequencies. NFATc1 and Blimp-1 double deficient Tfr cells show additional loss of function, which becomes visible in clearly expanded antibody titers.
To evaluate the function of NFATc1 in Tfr cells, we not only deleted it, but also overexpressed a constitutive active form of NFATc1/aA (caNFATc1/aA) in regulatory T cells (Tregs). The latter is leading to an upregulation of CXCR5 per cell, without changing Tfh or Tfr-cell frequencies. However, the high density of surface CXCR5 enhances the migration of Tfr cells deep into the GC, which results in a tighter control of the antigen- specific humoral immune response. Additionally, caNFATc1/aA increases the expression of genes coding for Tfr effector molecules like Il1rn, Il10, Tigit and Ctla4. Interestingly, this part of the transcriptional change is dependent on the presence of Blimp-1. Furthermore, Blimp-1 regulates the expression of multiple chemokine receptor genes on the background of caNFATc1/aA.
In contrast, when caNFATc1/aA is overexpressed in all T cells, the frequencies of Tfh- and GCB cells are dominantly reduced. This effect seems to stem from the conventional T- cell (Tcon) side, most probably originating from increased secretion of interleukin-2 (IL- 2) via the caNFATc1/aA overexpressing Tcons. IL-2 is known to hinder the germinal center reaction (GCR) and it might in its abundance not be neutralizable by Tfr cells.
Taken together, NFATc1 and Blimp-1 cooperate to control the migration of Tfr cells into the GC. Tfr cells in the GC depend on NFATc1 and Blimp-1 to perform their proper function. Overexpression of caNFATc1 in Tregs strengthens Tfr function in a Blimp-1-dependent manner, whilst overexpression of caNFATc1 in all T cells dominantly diminishes the GCR.
N2  - Die Abwehr von Krankheitserregern durch das Immunsystem wird unter anderem (u.a.) durch die Wirkung von Antikörpern vermittelt. Antikörper, welche einen Klassenwechsel und eine hohe Affinität aufweisen, werden von Plasmazellen gebildet, welche sich von Keimzentrums-B (GCB) -Zellen ableiten. GCB-Zellen evolvieren innerhalb des Keimzentrums (GC), einer Mikrostruktur, welche sich innerhalb des B-Zellfollikels sekundärer lymphoider Organe bildet. Die GCB-Zell-Reifung und -Proliferation wird durch follikuläre T-Helfer (Tfh) -Zellen unterstützt und durch follikuläre regulatorische T (Tfr) -Zellen kontrolliert, wodurch u.a. die Bildung von Autoantikörpern, welche körpereigene Strukturen angreifen, unterbunden wird. Die Entwicklung von GCB-, Tfh- und Tfr-Zellen ist in entscheidender Weise abhängig von der Expression des Chemokinrezeptors CXCR5 und der damit verbundenen Migration in das GC.
NFATc1 ist ein Transkriptionsfaktor, welcher in follikulären T-Zellen, bestehend aus Tfh- und Tfr-Zellen, stark exprimiert wird. Im Gegensatz zu Tfh-Zellen exprimieren Tfr-Zellen zusätzlich den Transkriptionsrepressor Blimp-1. Wir haben herausgefunden, dass NFATc1 die Expression von Cxcr5 über die Bindung an Elemente innerhalb des Cxcr5-Promotors und -Enhancers in vitro transakiviert. Blimp-1 bindet an selbige Elemente und transaktiviert in Kooperation mit NFATc1 die Cxcr5-Expression, während es die Cxcr5- Expression alleine hemmt. In Tfr-Zellen supprimiert Blimp-1 die CXCR5-Expression in Abwesenheit von NFATc1. Blimp-1 beschränkt darüber hinaus das Vorkommen von Tfr-Zellen und spielt eine Rolle in der Effektorfunktion von Tfr-Zellen. Dies wird deutlich da das verstärkte Tfr-Zell-Vorkommen in Mäusen mit Blimp-1 defizienten Tregs nicht zu einer Reduktion der GCB-oder Tfh-Zellen führt. Der Verlust der Effektorfunktion akkumuliert in NFATc1 und Blimp-1 doppel-defizienten Tfr-Zellen, was sich in einem deutlichen Anstieg der Antikörpertiter im Serum immunisierter Tiere zeigt.
Zur Überprüfung der Funktion von NFATc1 in Tfr-Zellen untersuchten wir sowohl dessen Deletion, als auch die Überexpression einer konstitutiv aktiven Form von NFATc1/aA (caNFATc1/aA) in regulatorischen T-Zellen (Tregs). Letztere steigert die CXCR5- Expression pro Zelle ohne das Vorkommen von Tfh- oder Tfr-Zellen zu verändern. Jedoch führte die erhöhte Oberflächenexpression von CXCR5 zu einer verstärkten Migration der Tfr-Zellen in das GC, was in einer verstärkten Kontrolle der antigenspezifischen Antikörpertiter resultierte. Darüber hinaus erhöht caNFATc1/aA in Abhängigkeit von Blimp-1, die Expression der Gene Il1rn, Il10, Tigit und Ctla4, welche mit der Effektorfunktion von Tfr-Zellen assoziiert werden. Blimp-1 wirkt auf dem Hintergrund der Überexpression von NFATc1 vor allem regulierend auf die Expression von Chemokinrezeptorgenen.
Im Gegensatz zur Überexpression von caNFATc1/aA in Tregs allein, führt selbige Veränderung in allen T-Zellen zu einer deutlichen Reduktion des Vorkommens von Tfh- und GCB-Zellen nach Immunisierung. Dieser Effekt scheint durch konventionelle T-Zellen (Tcons) vermittelt zu sein und entsteht vermutlich durch eine erhöhte Sekretion von Interleukin-2 (IL-2) durch die caNFATc1/aA überexprimierenden Tcons. Dieses IL-2 scheint in seiner Menge nicht durch die vorliegenden Tfr-Zellen neutralisierbar zu sein und die Keimzentrumsreaktion (GCR) zu hemmen.
Die vorliegende Arbeit zeigt, dass NFATc1 und Blimp-1 kooperieren, um die Migration von Tfr-Zellen in das GC zu kontrollieren. Tfr-Zellen im GC sind in der Erfüllung ihrer ordnungsgemäßen Funktion abhängig von NFATc1 und Blimp-1. Die Überexpression von caNFATc1 in Tregs stärkt die Funktion von Tfr-Zellen in einer Blimp-1-abhängigen Weise, während die Überexpression von caNFATc1 in allen T-Zellen die GCR extrem minimiert.
KW  - Signaltransduktion
KW  - NFATc1
KW  - follikuläre regulatorische T-Zelle
KW  - T-Lymphozyt
KW  - Blimp-1
KW  - CXCR5
KW  - germinal center
KW  - follicular regulatory T cell
KW  - Keimzentrumsreaktion
KW  - Zellmigration
KW  - Immunisierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-209727
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eirich, Philipp
T1  - Accelerated non-Cartesian cardiovascular MR Imaging at 3T and 7T
T1  - Beschleunigte nicht-kartesische MRT Herzbildgebung bei 3T und 7T
N2  - In this work, accelerated non-Cartesian Magnetic Resonance Imaging (MRI) methods were established and applied to cardiovascular imaging (CMR) at different magnetic field strengths (3T and 7T). 
To enable rapid data acquisition, highly efficient spiral k-space trajectories were created. In addition, hybrid sampling patterns such as the twisting radial lines (TWIRL) k-space trajectory were studied. 
Imperfections of the dynamic gradient system of a MR scanner result in k-space sampling errors. Ultimately, these errors can lead to image artifacts in non-Cartesian acquisitions. 
Among other reasons such as an increased reconstruction complexity, they cause the lack of spiral sequences in clinical routine compared to standard Cartesian imaging.
Therefore, the Gradient System Transfer Functions (GSTFs) of both scanners were determined and used for k-space trajectory correction in post-correction as well as in terms of a pre-emphasis. 
The GSTF pre-emphasis was implemented as a fully automatic procedure, which enabled a precise correction of arbitrary gradient waveforms for double-oblique slice orientations. 
Consequently, artifacts due to trajectory errors could be mitigated, which resulted in high image quality in non-Cartesian MRI. 
Additionally, the GSTF correction was validated by measuring pre-emphasized spiral gradient outputs, which showed high agreement with the theoretical gradient waveforms. 
Furthermore, it could be demonstrated that the performance of the GSTF correction is superior to a simple delay compensation approach.
The developed pulse sequences were applied to gated as well as real-time CMR. Special focus lied on the implementation of a spiral imaging protocol to resolve the beating heart of animals and humans in real time and free breathing. 
In order to achieve real-time CMR with high spatiotemporal resolution, k-space undersampling was performed. For this reason, efficient sampling strategies were developed with the aim to facilitate compressed sensing (CS) during image reconstruction. 
The applied CS approach successfully removed aliasing artifacts and yielded high-resolution cardiac image series. Image reconstruction was performed offline in all cases such that the images were not available immediately after acquisition at the scanner. 
Spiral real-time CMR could be performed in free breathing, which led to an acquisition time of less than 1 minute for a whole short-axis stack. 
At 3T, the results were compared to the gold standard of electrocardiogram-gated Cartesian CMR in breath hold, which revealed similar values for important cardiovascular functional and volumetric parameters. 
This paves the way to an application of the developed framework in clinical routine of CMR.
In addition, the spiral real-time protocol was transferred to swallowing and speech imaging at 3T, and first images were presented. 
The results were of high quality and confirm the straightforward utilization of the spiral sequence in other fields of MRI. 
In general, the GSTF correction yielded high-quality images at both field strengths, 3T and 7T. 
Off-resonance related blurring was mitigated by applying non-Cartesian readout gradients of short duration. At 7T, however, B1-inhomogeneity led to image artifacts in some cases.
All in all, this work demonstrated great advances in accelerating the MRI process by combining efficient, undersampled non-Cartesian k-space coverage with CS reconstruction. 
Trajectory correction using the GSTF can be implemented at any scanner model and enables non-Cartesian imaging with high image quality. 
Especially MRI of dynamic processes greatly benefits from the presented rapid imaging approaches.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden der beschleunigten Magnetresonanztomographie (MRT) etabliert, welche auf nicht-kartesischer Datenaufnahme beruhen. 
Diese wurden insbesondere in der Herzbildgebung bei verschiedenen Magnetfeldstärken (3T und 7T) angewendet. 
Der Fokus lag auf der Entwicklung von hocheffizienten spiralförmigen k-Raum Trajektorien, mit dem Zweck sehr kurze Aufnahmezeiten zu ermöglichen. 
Zusätzlich wurde eine hybride k-Raum Trajektorie untersucht, die sogenannte "twisting radial lines (TWIRL)" k-Raum Trajektorie. 
Ungenauigkeiten des dynamischen Gradientensystems eines MRT Scanners resultieren in fehlerbehafteter k-Raum Abtastung während der Datenaufnahme. 
In der nicht-kartesischen Bildgebung kann dies letztendlich zu Artefakten im rekonstruierten Bild führen. 
Zusammen mit anderen Hemmnissen, wie beispielsweise einer komplexeren Bildrekonstruktion, sind sie verantwortlich dafür, dass noch immer mehrheitlich kartesische Bildgebungssequenzen in der klinischen Routine durchgeführt werden.
Aus diesem Grund wurden die Übertragungsfunktionen der Gradientensysteme der verwendeten MRT Scanner (eng. "Gradient System Transfer Function (GSTF)") bestimmt und für k-Raum Trajektorienkorrekturen verwendet. 
Diese Korrektur wurde sowohl in der Bildrekonstruktion nach bereits erfolgter Datenaufnahme angewendet als auch im Rahmen einer Vorverstärkung bevor die Gradienten ausgespielt werden. 
Diese Vorverstärkung wurde als vollständig automatisierter Prozess implementiert und ermöglichte eine präzise Korrektur beliebig gewählter Gradientenfunktionen aller Schichtorientierungen. 
Auf diesem Wege konnten die durch Trajektorienfehler verursachten Bildartefakte kompensiert werden, was zu hoher Bildqualität in der nicht-kartesischen MRT Bildgebung führte. 
Des Weiteren wurde die Gradientenkorrektur durch Messungen der tatsächlich ausgespielten Gradientenformen validiert. Diese wiesen eine hohe Übereinstimmung mit den theoretisch zu erwarteten Gradientenformen auf. 
Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die auf der Impulsantwort basierende, umfassende Gradientenkorrektur eine höhere Bildqualität ermöglicht als eine einfache Korrektur mittels globaler Zeitverschiebungen.
Die entwickelten MRT Sequenzen wurden sowohl in der segmentierten als auch in der Echtzeit-Herzbildgebung angewendet. 
Im Speziellen lag der Fokus auf der Implementierung eines Protokolls für die spirale MRT Bildgebung, welche das schlagende Herz von Tieren und Menschen in Echtzeit und freier Atmung auflösen kann. 
Um Echtzeit-Herzbildgebung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu vereinen, wurde der k-Raum unterabgetastet. 
In diesem Zusammenhang wurden Strategien zur effizienten und komprimierten Datenaufnahme entwickelt, unter Anwendung der Modell-basierten "Compressed Sensing" (CS)-Technik. 
Diese Methode reduziert Aliasing-Artefakte in der Bildrekonstruktion von unterabgetasteten Daten und ermöglicht deshalb hochaufgelöste, dynamische Echtzeit-Bilderserien des schlagenden Herzens. 
Allerdings wurden die gemessenen Daten stets extern rekonstruiert, sodass die Bilder nicht unmittelbar nach der Aufnahme am MRT Scanner verfügbar waren. 
Die spirale Echtzeit-Herzbildgebung konnte in freier Atmung durchgeführt werden, was eine Messzeit aller Schichten in der kurzen Herzachse in unter 1 Minute ermöglichte. 
Bei 3T wurden die Ergebnisse mit dem Goldstandard der mittels eines Elektrokardiogramms segmentierten kartesischen Herzbildgebung im Atemstopp verglichen und es konnte gezeigt werden, dass wichtige funktionelle und volumetrische Herzparameter übereinstimmen. 
Dies ebnet den Weg zur Anwendung des entwickelten Protokolls in der klinischen Routine der Herzbildgebung am MRT. 
Darüber hinaus wurde das Protokoll in der Echtzeit-Bildgebung von Schlucken und Sprechen bei 3T getestet. 
Die Ergebnisse waren ebenfalls von hoher Qualität und bestätigen den unkomplizierten Transfer der spiralen Sequenz in andere Bereiche der MRT Bildgebung. 
Insgesamt lieferte die GSTF-Korrektur Bilder von hoher Qualität bei beiden Feldstärken, 3T und 7T. 
Eine durch off-Resonanz verursachte Bildunschärfe wurde durch kurze Auslesezeiten der nicht-kartesischen Gradienten abgeschwächt. 
Allerdings führte B1-Inhomogenität in manchen Fällen zu Bildartefakten bei 7T.
Die vorliegende Arbeit stellt einen wesentlichen Beitrag zur Beschleunigung des MRT Bildgebungsprozesses dar, indem effiziente, unterabgetastete nicht-kartesische k-Raum Trajektorien mit der CS-Rekonstruktionstechnik kombiniert wurden. 
Trajektorien-Korrektur basierend auf der GSTF kann prinzipiell an jedem MRT Scanner implementiert werden und legt den Grundstein für nicht-kartesische Bildgebung mit hoher Bildqualität. 
Insbesondere die Bildgebung von dynamischen Prozessen profitiert von den hier vorgestellten beschleunigten Methoden zur Datenaufnahme.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Bildgebendes Verfahren
KW  - Spirale
KW  - Artefakt
KW  - Übertragungsfunktion
KW  - MRT
KW  - MRI
KW  - Herzbildgebung
KW  - Cardiac imaging
KW  - Beschleunigte Bildgebung
KW  - Accelerated imaging
KW  - Gradient System Transfer Function
KW  - Echtzeitbildgebung
KW  - Real-time imaging
KW  - Compressed sensing
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-253974
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mahler, David
T1  - Surface states in the topological material HgTe
T1  - Oberflächenzustände im topologischen Material HgTe
N2  - The motivation for this work has been contributing a step to the advancement of technology. A next leap in technology would be the realization of a scalable quantum computer. One potential route is via topological quantum computing. A profound understanding of topological materials is thus essential. My work contributes by the investigation of the exemplary topological material HgTe. The focus lies on the understanding of the topological surface states (TSS) and new possibilities to manipulate them appropriately. Traditionally top gate electrodes are used to adjust the carrier density in such semi-conductor materials. We found that the electric field of the top gate can further alter the properties of the HgTe layer. The formation of additional massive Volkov-Pankratov states limits the accessibility of the TSS. The understanding of these states and their interplay with the TSS is necessary to appropriately design devices and to ensure their desired properties. Similarly, I observed the existence and stability of TSSs even without a bandgap in the bulk band structure in the inversion induced Dirac semi-metal phase of compressively strained HgTe. The finding of topological surface states in inversion-induced Dirac semi-metals provides a consistent and simple explanation for the observation reported for \(\text{Cd}_3\text{As}_2\).
These observations have only been possible due to the high quality of the MBE grown HgTe layers and the access of different phases of HgTe via strain engineering. As a starting point I performed Magneto-transport measurements on 67 nm thick tensilely strained HgTe layers grown on a CdTe substrate. We observed multiple transport channels in this three-dimensional topological insulator and successfully identified them. Not only do the expected topological surface states exist, but also additional massive surface states have been observed. These additional massive surface states are formed due to the electrical field applied at the top gate, which is routinely used to vary the carrier density in the HgTe layer. The additional massive surface states are called Volkov-Pankratov states after B. A. Volkov and O. A. Pankratov. They predicted the existence of similar massive surface states at the interface of materials with mutually inverted bands. We first found indications for such massive Volkov-Pankratov states in high-frequency compressibility measurements for very high electron densities in a fruitful collaboration with LPA in Paris. Magneto-transport measurements and \(k \cdot p\) calculations revealed that such Volkov-Pankratov states are also responsible for the observed whole transport. We also found indications for similar massive VPS in the electron regime, which coexist with the topological surface states. The topological surface states exist over the full investigated gate range including a regime of pure topological insulator transport. To increase the variability of the topological surface states we introduced a modulation doping layer in the buffer layer. This modulation doping layer also enabled us to separate and identify the top and bottom topological surface states.
We used the variability of the bulk band structure of HgTe with strain to engineer the band structure of choice using virtual substrates. The virtual substrates enable us to grow compressively strained HgTe layers that do not possess a bandgap, but instead linear crossing points. These layers are predicted to beDirac semi-metals. Indeed I observed also topological surface states and massive Volkov-Pankratov states in the compressively strained Dirac semi-metal phase. The observation of topological surfaces states also in the Dirac semi-metal phase has two consequences: First, it highlights that no bulk bandgap is necessary to observe topological surface states. Second, the observation of TSS also in the Dirac semi-metal phase emphasizes the importance of the underlying band inversion in this phase. I could not find any clear signatures of the predicted disjoint topological surface states, which are typically called Fermi-arcs. The presence of topological surface states and massive Volkov-Pankratov states offer a simple explanation for the observed quantum Hall effect and other two-dimensional transport phenomena in the class of inversion induced Dirac semi-metals, as \(\text{Cd}_3\text{As}_2\). This emphasizes the importance of the inherent bulk band inversion of different topological materials and provides a consistent and elegant explanation for the observed phenomena in these materials. Additionally, it offers a route to design further experiments, devices, and thus the foundation for the induction of superconductivity and thus topological quantum computing.
Another possible path towards quantum computing has been proposed based on the chiral anomaly. The chiral anomaly is an apparent transport anomaly that manifests itself as an additional magnetic field-driven current in three-dimensional topological semimetals with a linear crossing point in their bulk band structure. I observed the chiral anomaly in compressively strained HgTe samples and performed multiple control experiments to identify the observed reduction of the magnetoresistance with the chiral anomaly. First, the dependence of the so-called negative magnetoresistance on the angle and strength of the magnetic field has been shown to fit the expectation for the chiral anomaly. Second, extrinsic effects as scattering could be excluded as a source for the observed negative MR using samples with different mobilities and thus impurity concentrations. Third, the necessity of the linear crossing point has been shown by shifting the electrochemical potential away from the linear crossing points, which diminished the negative magnetoresistance. Fourth, I could not observe a negative magnetoresistance in the three-dimensional topological insulator phase of HgTe. These observations together prove the existence of the chiral anomaly and verify compressively strained HgTe as Dirac semi-metal. Surprisingly, the chiral anomaly is also present in unstrained HgTe samples, which constitute a semi-metal with a quadratic band touching point. This observation reveals the relevance of the Zeeman effect for the chiral anomaly due to the lifting of the spin-degeneracy in these samples. Additionally to the chiral anomaly, the Dirac semi-metal phase of compressively strained HgTe showed other interesting effects. For low magnetic fields, a strong weak-antilocalization has been observed. Such a strong weak-anti-localization correction in a three-dimensional layer is surprising and interesting. Additionally, non-trivial magnetic field strength and direction dependencies have been observed. These include a strong positive magnetoresistance for high magnetic fields, which could indicate a metal-insulator transition. On a more device-oriented note, the semi-metal phase of unstrained HgTe constitutes the lower limit of the by strain engineering adjustable minimal carrier density of the topological surface states and thus of very high mobility.
To sum up, topological surface states have been observed in the three-dimensional topological insulator phase and the Dirac semi-metal phase of HgTe. The existence and accessibility of topological surface states are thus independent of the existence of a bandgap in the bulk band structure. The topological surface states can be accompanied by massive Volkov-Pankratov states. These VPS are created by electric fields, which are routinely applied to adjust the carrier density in semiconductor devices. The theoretical predicted chiral anomaly has been observed in the Dirac semi-metal phase of HgTe. In contrast to theoretical predictions, no indications for the Fermi-arc called disjoint surface states have been observed, but instead the topological and massive Volkov-Pankratov surface states have been found. These states are thus expected for all inversion-induced topological materials.
N2  - Der technologische Fortschritt schreitet immer schneller voran. Um diese Entwicklung zu ermöglichen, werden die Strukturen immer kleiner. Das Erreichen atomarer Größen könnte bald die Abkehr von der üblichen Miniaturisierung erfordern und den Sprung zu einer neuen Technologie erzwingen. Die Motivation dieser Arbeit ist es das Verständnis topologischer Materialien zu erweitern und so einen Beitrag zu der Realisierung eines solchen potenziellen Technologiesprungs zu leisten. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Aufrechterhaltung der aktuellen Entwicklungsgeschwindigkeit ist die Realisierung eines skalierbaren Quantencomputers. Eine mögliche Umsetzung ist das topologische Quantum-Computing, das zum Beispiel durch induzierte Supraleitung in topologische Oberflächenzustände realisiert werden könnte. Das tiefgehende Verständnis der topologischen Oberflächenzustände und deren Manipulation ist ein Schwerpunkt dieser Arbeit. Der zweite Schwerpunkt wurde kürzlich auch als ein potenzieller Pfad zur Realisierung eines Quantencomputers basierend auf „chiralen Qubits“ vorgeschlagen, nämlich dem Nachweis und die Untersuchung des Transportphänomens der sogenannten chiralen Anomalie in Dirac- und Weyl-Halbmetallen.
Die Untersuchungen in dieser Arbeit wurden am MBE gewachsenen topologischen Material HgTe durchgeführt. HgTe zeichnet sich dadurch aus, dass verschiedene topologische Phasen realisierbar sind. Dazu wird die HgTe-Schicht durch die Wahl entsprechender Substrate verspannt. Als Startpunkt für die Analyse der topologischen Oberflächenzustände habe ich die topologische Isolator-Phase gewählt. Diese wird durch ein gedehntes MBE-Wachstum der HgTe-Schicht auf einem CdTe-Substrat realisiert. Eine hohe Qualität der HgTe-Schicht und Oberfläche wurde dabei mit Hilfe von schützenden \(\text{Cd}_0.7\text{Hg}_0.3\text{Te}\)-Schichten gewährleistet. Wir haben zusätzlich eine Modulationsdoping Schicht in der unteren \(\text{Cd}_0.7\text{Hg}_0.3\text{Te}\)-Schicht eingeführt, die für eine kleine endliche Elektronendichte in der HgTe-Schicht sorgt. Diese Dotierung gewährleistet eine zuverlässige elektrische Kontaktierung. Aus diesen Waferstücken haben wir mit Hilfe optischer Lithografie und trocknen Ätzens so genannte Hall-Bars strukturiert, die aus einem Strompfad mit vier längs und quer angeordneten Spannungsabgriffen besteht. Eine Möglichkeit zur Kontrolle der Ladungsträgerdichte in der HgTe-Schicht wird über eine aufgedampfte Gate-Elektrode geschaffen. Diese Hall-Bars habe ich mit Hilfe von niedrig frequenten Wechselspannungsmessungen
unter hohen Magnetfeldern bis zu 30 T bei tiefen Temperaturen von 2 K in Helium-Kryostaten bzw. 0.1 K in \(\text{He}_3\text{/He}\_4\)-Misch-Kryostaten untersucht.
Die hohe Qualität der HgTe-Schicht spiegelt sich in den zuverlässig erreichten hohen Beweglichkeiten in der Größenordnung von \(0.5 \times 10^{6}\,\text{cm}^{2}/\text{Vs}\) im Elektronenregime und \(0.03 \times 10^6\,\text{cm}^2/\text{Vs}\) im Lochregime wider. Eine Quantisierung des Magneto-Transport ist dadurch schon für kleine Magnetfelder von \(B \gtrsim 0.5\,\text{T}\) beobachtbar. Dies ermöglichte mir die Analyse der Dispersion der Landau Levels und damit der Nachweis der Existenz von sechs zweidimensionalen Transportkanälen. Zwei dieser Kanäle konnten wir mit den topologischen Oberflächenzuständen identifizieren. Den Einfluss der Spannungen, die an der Gate-Elektrode angelegt wurden, haben wir in hoch frequenten Compressibilitätsmessungen festgestellt. In diesen Messungen haben wir für sehr hohe Elektrodenspannungen Hinweise auf zusätzliche massive Volkov-Pankratov Zustände gefunden. Der Name ist dabei gewählt worden, um die Vorhersage derartiger Zustände durch B. A. Volkov und O. A. Pankratov zu würdigen. Den Ursprung der vier weiteren Transportkanäle konnten wir mit Hilfe von Bandstrukturberechnungen auf zusätzliche Oberflächenzustände zurückführen. Die Berechnung haben wir mit Hilfe des Kane Models in der \(k \cdot p\) Näherung unter Beachtung der Hatree Potentiale, welche die angelegte Spannung an der Gate-Elektrode repräsentieren, durchgeführt. Die elektronenartigen topologischen Oberflächenzustände konnten für den ganzen untersuchten Elektrodenspannungsbereich nachgewiesen werden. Wir haben aber auch ein signifikantes und manipulierbares Elektrodenspannungsfenster gefunden, in welchem nur topologische Oberflächenzustände besetzt sind.
Eine Möglichkeit zur Manipulation der Eigenschaften der topologischen Oberflächenzustände ist die Variation der Verspannung mit Hilfe des MBE-Wachstums auf virtuellen Substraten aus alternierenden \(\text{Cd}_{0.5}\text{Zn}_{0.5}\text{Te}\)- und CdTe-Schichten mit einstellbarer Gitterkonstante. Die HgTe-Schicht haben wir durch das Wachstum auf ein entsprechendes virtuelles Substrates druck- anstatt zugverspannt. Die HgTe-Schicht befindet sich dadurch in der Dirac-Halbmetall anstatt der dreidimensionalen topologischen Isolator-Phase. Dirac-
Halbmetalle zeichnen sich durch einen linearen Kreuzungspunkt der Volumenmaterialbänder aus. Ich konnte topologische Oberflächenzustände und massive Volkov-Pankratov Zustände auch in der Dirac-Halbmetall-Phase nachweisen. Dieser Umstand weist die Existenz und Stabilität der topologischen Oberflächenzustände auch ohne Bandlücke in der Bandstruktur des Volumenmaterials nach. Des Weiteren betont die Anwesenheit der topologischen Oberflächenzustände die Relevanz der inhärenten Bandinversion für die Klasse der inversionsinduzierten Dirac-Halbmetalle. In druckverspanntem HgTe habe ich Quanten-Hall-Effekt beobachtet, der nur in zweidimensionalen Systemen auftritt. Ähnliche Beobachtungen wurden auch für andere Dirac-Halbmetalle, wie \(\text{Cd}_3\text{As}_2\), berichtet. Die topologischen Oberflächenzustände schlage ich als einfache und einheitliche Erklärung für diesen zweidimensionalen Transport vor. 
Die Anwesenheit linearer Kreuzungspunkte in der Volumenmaterialbandstruktur druckverspannten HgTes konnte ich durch die Beobachtung der chiralen Anomalie nachweisen. Damit konnte ich nicht nur druckverspanntes HgTe als Dirac-Halbmetall nachweisen, sondern auch einen Beitrag zum besseren Verständnis der chiralen Anomalie leisten. Des Weiteren habe elektrodenspannungsabhängige Messungen gezeigt, dass parallel anwesende Oberflächenzustände das Signal der chiralen Anomalie zwar überlagern, dieses aber nicht verhindern. Außerdem habe ich Untersuchungen an unterspannten HgTe Schichten durchgeführt, welche Halbmetalle mit einem Berührungspunkt zweier Bänder mit quadratischer Dispersion darstellen. Auch in diesen Schichten wurde die chirale Anomalie beobachtet. Dies verdeutlicht die Relevanz des Zeeman-Effektes für die Ausbildung der chiralen Anomalie in HgTe. Die chirale Anomalie zeigte eine unerwartet Magnetfeldrichtungsabhängigkeit des Wiederstandes im Bezug zur Stromrichtung. Diese Magnetfeldrichtungsabhängigkeit betont die Notwendigkeit der Beschreibung des Widerstandes als Tensor, damit die dreidimensionale Ausdehnung der experimentellen Proben und der daraus folgenden Effekte, wie dem Planar-Halleffekt, korrekt beschrieben werden. Des Weiteren habe ich eine für dreidimensionale Proben außergewöhnlich stark ausgeprägte Weak-Antilokalisierung beobachtet. Diese könnte spezifisch für topologische Halbmetalle sein, da ähnliche Beobachtungen auch für das Weyl Halbmetall TaA berichtet wurden. 
Das Ziel dieser Arbeit war es einen Beitrag zum technologischen Fortschritt durch das bessere Verständnis topologischer Materialen zu leisten. Dieses Ziel konnte somit erreicht werden. Wir können alle Zustände, die wir in dem dreidimensionalen topologischen Isolator zugverspanntes HgTe beobachtet haben, ihrem Ursprung zuordnen. Dies ermöglicht uns die Präparation und Manipulation der gewünschten Zustände für komplexe Bauteile, wie topologische und supraleitende Hybridstrukturen, zu optimieren. Ich konnte auch zum besseren Verständnis der Materialklasse der inversionsinduzierten Dirac-Halbmetalle beigetragen, indem ich die an druckverspannten HgTe gewonnen Erkenntnisse auf die gesamte Materialklasse der inversionsinduzierten Dirac-Halbmetalle verallgemeinern konnte. Dies ist zum Beispiel anhand des Nachweises der Anwesenheit von topologischen Oberflächenzuständen geschehen. Außerdem konnte ich neue Einblicke in die chirale Anomalie gewinnen. Die Existenz linearer Kreuzungspunkte in der Volumenmaterialbandstruktur wurde dabei als notwendige Bedingung bestätigt. Damit konnte ich einen Beitrag zum Verständnis der Grundbausteine für zweimögliche Pfade zu einem potenziellen Quantencomputer in der Form von zug- und druckverspanntem HgTe leisten.
KW  - Quecksilbertellurid
KW  - Topologischer Isolator
KW  - Elektronischer Transport
KW  - Oberflächenzustand
KW  - Dirac semimetal
KW  - topological insulator
KW  - HgTe
KW  - topological surface states
KW  - Volkov-Pankratov states
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-253982
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lux, Thomas Joachim
T1  - Characterization of Junctional Proteins in the Dorsal Root Ganglion of Rats with Traumatic Nerve Injury
T1  - Charakterisierung von Junktionsproteinen im Spinalganglion von Ratten mit traumatischer Nervenverletzung
N2  - In my thesis, I characterized aGPCRs Adgrl1 and Adgrl3, tight junction proteins and the blood-DRG-barrier in rats’ lumbar dorsal root ganglions after traumatic neuropathy. In contrast to the otherwise tightly sealed barriers shielding neural tissues, the dorsal root ganglion’s neuron rich region is highly permeable in its healthy state. Furthermore, the DRG is a source of ectopic signal generation during neuropathy; the exact origin of which is still unclear. I documented expression of Adgrl1 and Adgrl3 in NF200 + , CGRP + and IB4 + neurons. One week after CCI, I observed transient downregulation of Adgrl1 in non-peptidergic nociceptors (IB4+). In the context of previous data, dCirl deletion causing an allodynia-like state in Drosophila, our research hints to a possible role of Adgrl1 nociceptive signal processing and pain resolution in neuropathy. Furthermore, I demonstrated similar claudin-1, claudin-12, claudin-19, and ZO-1 expression of the dorsal root ganglion’s neuron rich and fibre rich region. Claudin-5 expression in vessels of the neuron rich region was lower compared to the fibre rich region. Claudin-5 expression was decreased one week after nerve injury in vessels of the neuron rich region while permeability for small and large injected molecules remained unchanged. Nevertheless, we detected more CD68+ cells in the neuron rich region one week after CCI. As clinically relevant conclusion, we verified the high permeability of the neuron rich regions barrier as well as a vessel specific claudin-5 downregulation after CCI. We observed increased macrophage invasion into the neuron rich region after CCI. Furthermore, we identified aGPCR as potential target for further research and possible treatments for neuropathy, which should be easily accessible due to the blood-DRG-barriers leaky nature. Its precise function in peripheral tissues, its mechanisms of activation, and its role in pain resolution should be evaluated further.
N2  - Die vorliegende Arbeit charakterisiert die aGPCR Adgrl1 und Adgrl3, repräsentative Tight Junction Proteine, sowie die Blut-Spinalganglion-Schranke in lumbalen Spinalganglien von Ratten mit und ohne traumatische Neuropathie. Die hohe Permeabilität der zellulären, neuronenreichen Region von Spinalganglien in naiven Tieren ist eine der wenigen Ausnahmen der sonst sehr dichten Barrieren des Nervensystems. Ich konnte die Expression von Adgrl1 und Adgrl3 in NF200+ , CGRP+ und IB4+ Neuronen nachweisen. Eine Woche nach CCI war die Adgrl1 Expression in nicht-peptidergen Nozizeptoren (IB4+ ) vorübergehend herabreguliert. Zusätzlich konnten wir eine ähnliche Expression von Claudin-1, Claudin-12, Claudin-19 und ZO-1 in der neuronenreichen sowie der faserreichen Region zeigen. Claudin-5 ist in Gefäßen der neuronenreichen Region niedriger exprimiert als in Gefäßen der faserreichen Region. Nach Nervenläsion war die Claudin-5 Immunoreaktivität in Gefäßen der neuronenreichen Region reduziert, die Permeabilität für große und kleine Moleküle jedoch unverändert. Allerdings konnten wir nach traumatischer Nervenverletzung vermehrt Makrophagen in der neuronenreichen Region nachweisen. Weiterhin haben wir einen neuen endogenen antinozizeptiven Rezeptor, Adrlg1, ähnlich den Opioidrezeptoren, als potenzielles, und aufgrund der permeablen Blut-Spinalganglion-Schranke therapeutisch gut erreichbares, Target für die antineuropathische Therapie identifiziert.
KW  - Neuropathy
KW  - Neuropathic Pain
KW  - Claudin
KW  - Latrophilin
KW  - Tight Junction Proteins
KW  - Dorsal Root Ganglion
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251926
ER  - 
TY  - THES
A1  - Viswanathan, Aravindan
T1  - Biochemical and structural characterisation of modules within the SMN complex
T1  - Biochemische und strukturelle Charakterisierung von Modulen des SMN-Komplexes
N2  - Cellular proteome profiling revealed that most biomolecules do not exist in isolation, but rather are incorporated into modular complexes. These assembled complexes are usually very large, consisting of 10 subunits on an average and include either proteins alone, or proteins and nucleic acids. Consequently, such macromolecular assemblies rather than individual biopolymers perform the vast majority of cellular activities. The faithful assembly of such molecular assemblies is often aided by trans-acting factors in vivo, to preclude aggregation of complex components and/or non-cognate interactions. A paradigm for an assisted assembly of a macromolecular machine is the formation of the common Sm/LSm core of spliceosomal and histone-mRNA processing U snRNPs. The key assembly factors united in the Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5) and the Survival Motor Neuron (SMN) complexes orchestrate the assembly of the Sm/LSm core on the U snRNAs. Assembly is initiated by the PRMT5-complex subunit pICln, which pre-arranges the Sm/LSm proteins into spatial positions occupied in the mature U snRNPs. The SMN complex subsequently binds these Sm/LSm units, displaces pICln and catalyses the Sm ring closure on the Sm-site of the U snRNA. 
The SMN complex consists of the eponoymous SMN protein linked in a modular network of interactions with eight other proteins, termed Gemins 2-8 and Unrip. Despite functional and structural characterisation of individual protein components and/or sub-complexes of this assembly machinery, coherent understanding of the structural framework of the core SMN complex remained elusive. The current work, employing a combined approach of biochemical and structural studies, aimed to contribute to the understanding of how distinct modules within the SMN complex coalecse to form the macromolecular SMN complex. 
A novel atomic resolution (1.5 Å) structure of the human Gemin8:7:6 sub-complex, illustrates how the peripheral Gemin7:6 module is tethered to the SMN complex via Gemin8’s C-terminus. In this model, Gemin7 engages with both Gemin6 and Gemin8 via the N- and C-termini of its Sm-fold like domain. This highly conserved interaction mode is reflected in the pronounced sequence conservation and identical biochemical behaviour of similar sub-complexes from divergent species, namely S. pombe and C. elegans.  
Despite lacking significant sequence similarity to the Sm proteins, the dimeric Gemin7:6 complex share structural resemblance to the Sm heteromers. The hypothesis that the dimeric Gemin7:6 functions as a Sm-surrogate during Sm core assembly could not be confirmed in this work. The functional relevance of the structural mimicry of the dimeric Gemin7:6 sub-complex with the Sm heterodimers therefore still remains unclear. 
Reduced levels of functional SMN protein is the cause of the devastating neurodegenerative disease, Spinal Muscular Atrophy (SMA). The C-terminal YG-zipper motif of SMN is a major hot-spot for most SMA patient mutations. In this work, adding to the existing inventory of the human and fission yeast YG-box models, a novel 2.2 Å crystal structure of the nematode SMN’s YG-box domain adopting the glycine zipper motif has been reported. Furthermore, it could be assessed that SMA patient mutations mapping to this YG-box domain greatly influences SMN’s self-association competency, a property reflected in both the human and nematode YG-box biochemical handles. The shared molecular architecture and biochemical behaviour of the nematode SMN YG-box domain with its human and fission yeast counterparts, reiterates the pronounced conservation of this oligomerisation motif across divergent organisms. 
Apart from serving as a multimerization domain, SMN’s YG-box also acts as interaction platform for Gemin8. A systematic investigation of SMA causing missense mutations uncovered that Gemin8’s incorporation into the SMN complex is influenced by the presence of certain SMA patient mutations, albeit independent of SMN’s oligomerisation status. Consequently, loss of Gemin8 association in the presence of SMA patient mutations would also affect the incorporation of Gemin7:6 sub-complex. Gemin8, therefore sculpts the heteromeric SMN complex by bridging the Gemin7:6 and SMN:Gemin2 sub-units, a modular feature shared in both the human and nematode SMN complexes. 
These findings provide an important foundation and a prospective structural framework for elucidating the core architecture of the SMN complex in the ongoing Cryo-EM studies.
N2  - Systematische Untersuchungen von zellulären Bestandteilen haben gezeigt, dass viele Proteine nicht isoliert, sondern vielmehr in modularen Komplexen organisiert vorliegen. Mit durchschnittlich zehn Untereinheiten sind diese Komplexe sehr groß, wobei sie entweder ausschließlich aus Proteinen oder aber aus Proteinen und Nukleinsäuren bestehen können. Daher wird der Großteil zellulärer Aktivitäten nicht von einzelnen Biopolymeren, sondern von makromolekularen Komplexen verrichtet. Die Zusammenlagerung dieser Komplexe wird in vivo häufig von Hilfsfaktoren unterstützt, um die Aggregation der Einzelkomponenten und/oder unspezifische Wechselwirkungen zu verhindern. Ein Beispiel für eine derartige Zusammenlagerungshilfe ist die Bildung des Sm/LSm-Cores der mRNA-prozessierenden U snRNPs. Dabei wird die Anlagerung von Sm/LSm Proteinen an die U snRNAs durch eine Anzahl von Hilfsfaktoren orchestriert, die in Protein-Arginin-Methyltransferase 5 (PRMT5)- und dem Survival Motor Neuron (SMN)-Komplexen organisiert sind. Die Zusammenlagerung wird durch die PRMT5-Untereinheit pICln initiiert, die die räumliche Anordnung von Sm/LSm-Proteinen in höher-geordneten Komplexen stabilisiert. Diese werden anschließend auf den SMN-Komplex übertragen, wobei pICln verdrängt und die Verbindung mit der  Sm-Seite der U snRNA sichergestellt wird.
Der SMN-Komplex besteht aus dem SMN-Protein, das in einem modularen Netzwerk mit acht weiteren Proteinen (Gemins 2-8 und Unrip) interagiert. Auch wenn funktionale und strukturelle Charakterisierungen einzelner Proteinkomponenten und Module dieser Zusammenlagerungs-Maschinerie vorliegen, steht ein tiefergehendes Verständnis des strukturellen Organisation des Gesamt-Komplexes noch aus. In der vorliegenden Arbeit sollte unter Anwendung biochemischer und struktureller Techniken ein Beitrag dazu geleistet werden, die Interaktionen der verschiedenen Komponenten innerhalb des SMN-Komplexes zu verstehen, die so die dreidimensionale Organisation des SMN-Komplexes zu verstehen.
Eine neuartige Kristallstruktur des humanen Gemin8:7:6-Subkomplexes bei einer Auflösung von 1.5 Å zeigt, wie der periphere Gemin7:6-Abschnitt durch den C-Terminus von Gemin8 zum SMN-Komplex dirigiert wird. In diesem Modell interagiert Gemin7 sowohl mit Gemin6 als auch Gemin8 über den N- und C-Terminus der Sm-ähnlichen Domäne.  
Dieser hochkonservierte Interaktionsmodus wird in der erwähnten konservierten Sequenz und dem gleichen biochemischen Verhalten ähnlicher Subkomplexe in divergenten Spezies einschließlich S. pombe und C. elegans widergespiegelt. Obwohl es keine signifikante Übereinstimmung mit der Sequenz von Sm-Proteinen gibt, weist der dimere Gemin7:6-Komplex markante strukturelle Ähnlichkeit mit dem einem Sm-Heterodimer auf. Die Annahme, der dimere Gemin7:6-Subkomplex würde als Hilfsfaktor über die direkte Interaktion mit Sm-Proteinen fungieren konnte in der vorliegenden Arbeit nicht bestätigt werden. Folglich bleibt die Funktion des dimeren Gemin7:6-Subkomplexes im Kontext der SMN-Zusammenlagerungsmaschinerie unklar.
Verringerte Mengen des funktionellen SMN-Proteins sind die Ursache für die neurodegenerative Erkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA). Das C-terminale YG-Zipper-Motiv von SMN stellt einen Hotspot für die meisten SMA-Mutationen dar. In dieser Arbeit wurde der bereits bekannten YG-Box aus H. sapiens und S. pombe eine neuartige Kristallstruktur der SMN YG-Box aus C. elegans mit einer Auflösung von 2.2 Å hinzugefügt. Zusätzlich wurde gezeigt, dass SMA-verursachende Missense-Mutationen in der YG-Box einen beträchtlichen Einfluss auf die Selbst-Interaktion von SMN haben, was aus biochemischen Versuchen mit der YG-Box aus H. sapiens und C. elegans ersichtlich wurde. Der molekulare Aufbau und das biochemische Verhalten der SMN YG-Box aus C. elegans, S. pombe und H. sapiens betont die Konservierung dieses Oligomerisierungsmotives über mehrere Organismen hinweg.
Neben der Funktion als Multimerisationsdomäne dient die YG-Box von SMN auch als Interaktionsplattform für Gemin8. Eine systematische Untersuchung von SMA-verursachenden Missense-Mutationen ergab, dass die Einbindung von Gemin8 in den SMN-Komplex durch definierte Substitutionen massiv beeinflusst wird. Interessanterweise ist dieser Bindungsdefekt unabhängig vom SMN-Oligomerisierungsstatus. Demzufolge würde diese Klasse von SMA-Mutationen spezifisch die Inkorporation des Gemin7:6-Subkomplexes beeinflussen.
Die Resultate dieser Arbeit bilden eine wichtige Grundlage für weitere strukturelle Untersuchungen des SMN-Komplexes über Kryo-Elektronenmikroskopie.
KW  - SMN complex
KW  - Macromolecular machine
KW  - Structural organisation
KW  - Proteom
KW  - Motoneuron
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-194749
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmeller, Christof
T1  - Uniform distribution of zero ordinates of Epstein zeta-functions
T1  - Gleichverteilung von Imaginärteilen nichttrivialer Nullstellen der Epsteinschen Zetafunktion
N2  - The dissertation investigates the wide class of Epstein zeta-functions in terms of uniform distribution modulo one of the ordinates of their nontrivial zeros. Main results are a proof of a Landau type theorem for all Epstein zeta-functions as well as uniform distribution modulo one for the zero ordinates of all Epstein zeta-functions asscoiated with binary quadratic forms.
N2  - Die vorliegende Arbeit untersucht, bei welchen Epsteinschen Zetafunktionen die Imaginärteile der nichttrivialen Nullstellen gleichverteilt modulo eins sind. Als zentrales Ergebnis wird dies für alle Epsteinschen Zetafunktionen, die durch binäre quadratische Formen gebildet werden, bewiesen. Außerdem wird unter anderem Landau's Theorem für alle Epsteinschen Zetafunktionen gezeigt.
KW  - Zetafunktion
KW  - Epstein, Paul
KW  - Gleichverteilung
KW  - Epstein zeta-function
KW  - Uniform distribution modulo one
KW  - Landau type theorem
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251999
ER  - 
TY  - THES
A1  - Janzen, Dieter
T1  - Functional analysis of ion channels and neuronal networks in 2D and 3D \(in\) \(vitro\) cell culture models
T1  - Funktionelle Analyse von Ionenkanälen und neuronalen Netzwerken in 2D und 3D \(in\) \(vitro\) Zellkulturmodellen
N2  - In the central nervous system, excitatory and inhibitory signal transduction processes are mediated by presynaptic release of neurotransmitters, which bind to postsynaptic receptors. Glycine receptors (GlyRs) and GABAA receptors (GABAARs) are ligand-gated ion channels that enable synaptic inhibition. One part of the present thesis elucidated the role of the GlyRα1 β8 β9 loop in receptor expression, localization, and function by means of amino acid substitutions at residue Q177. This residue is underlying a startle disease phenotype in the spontaneous mouse model shaky and affected homozygous animals are dying 4-6 weeks after birth. The residue is located in the β8 β9 loop and thus part of the signal transduction unit essential for proper ion channel function. Moreover, residue Q177 is involved in a hydrogen network important for ligand binding. We observed no difference in ion channel trafficking to the cellular membrane for GlyRα1Q177 variants. However, electrophysiological measurements demonstrated reduced glycine, taurine, and β alanine potency in comparison to the wildtype protein. Modeling revealed that some GlyRα1Q177 variants disrupt the hydrogen network around residue Q177. The largest alterations were observed for the Q177R variant, which displayed similar effects as the Q177K mutation present in shaky mice. Exchange with structurally related amino acids to the original glutamine preserved the hydrogen bond network. Our results underlined the importance of the GlyR β8 β9 loop for proper ion channel gating.
GlyRs as well as GABAARs can be modulated by numerous allosteric substances. Recently, we focused on monoterpenes from plant extracts and showed positive allosteric modulation of GABAARs. Here, we focused on the effect of 11 sesquiterpenes and sesquiterpenoids (SQTs) on GABAARs. SQTs are compounds naturally occurring in plants. We tested SQTs of the volatile fractions of hop and chamomile, including their secondary metabolites generated during digestion. Using the patch-clamp technique on transfected cells and neurons, we were able to observe significant GABAAR modulation by some of the compounds analyzed. Furthermore, a possible binding mechanism of SQTs to the neurosteroid binding site of the GABAAR was revealed by modeling and docking studies. We successfully demonstrated GABAAR modulation by SQTs and their secondary metabolites.

The second part of the thesis investigated three-dimensional (3D) in vitro cell culture models which are becoming more and more important in different part of natural sciences. The third dimension allows developing of complex models closer to the natural environment of cells, but also requires materials with mechanical and biological properties comparable to the native tissue of the encapsulated cells. This is especially challenging for 3D in vitro cultures of primary neurons and astrocytes as the brain is one of the softest tissues found in the body. Ultra-soft matrices that mimic the neuronal in vivo environment are difficult to handle. We have overcome these challenges using fiber scaffolds created by melt electrowriting to reinforce ultra-soft matrigel. Hence, the scaffolds enabled proper handling of the whole composites and thus structural and functional characterizations requiring movement of the composites to different experimental setups. Using these scaffold-matrigel composites, we successfully established methods necessary for the characterization of neuronal network formation. Before starting with neurons, a mouse fibroblast cell line was seeded in scaffold-matrigel composites and transfected with the GlyR. 3D cultured cells displayed high viability, could be immunocytochemically stained, and electrophysiologically analyzed. 
In a follow-up study, primary mouse cortical neurons in fiber-reinforced matrigel were grown for up to 21 days in vitro. Neurons displayed high viability, and quantification of neurite lengths and synapse density revealed a fully formed neuronal network already after 7 days in 3D culture. Calcium imaging and patch clamp experiments demonstrated spontaneous network activity, functional voltage-gated sodium channels as well as action potential firing. By combining ultra-soft hydrogels with fiber scaffolds, we successfully created a cell culture model suitable for future work in the context of cell-cell interactions between primary cells of the brain and tumor cells, which will help to elucidate the molecular pathology of aggressive brain tumors and possibly other disease mechanisms.
N2  - Im zentralen Nervensystem wird die exzitatorische und inhibitorische Signaltransduktion durch die präsynaptische Ausschüttung von Neurotransmittern, die an postsynaptische Rezeptoren binden, gesteuert. Glycinrezeptoren (GlyRs) und GABAA-Rezeptoren (GABAARs) sind ligandengesteuerte Ionenkanäle, die die synaptische Inhibition ermöglichen. Ein Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss des GlyRα1 β8 β9-Loops auf Expression, Lokalisation und Funktion des Rezeptors. Dazu wurde ein Aminosäureaustausch an Position Q177 durchgeführt, welche dem Startle-Krankheit-Phänotyp des spontanen Mausmodells shaky zugrunde liegt. Betroffene homozygote Tiere versterben 4-6 Wochen nach Geburt. Die Position befindet sich im β8 β9-Loop und ist damit Teil einer Signaltransduktionseinheit, die essenziell für die korrekte Rezeptorfunktion ist. Zudem ist Position Q177 teil eines Wasserstoffbrückennetzwerks, welches für die Ligandenbindung erforderlich ist. Wir konnten keinen Einfluss der GlyRα1Q177-Varianten auf den Transport des Rezeptors zur Zellmembran feststellen. Allerdings zeigten elektrophysiologische Messungen eine verringerte Wirksamkeit von Glycin, Taurin und β Alanin verglichen mit dem Wildtyp-Protein. Mithilfe von Proteinmodellierung konnte gezeigt werden, dass manche der GlyRα1Q177-Varianten das Wasserstoffbrückennetzwerk im Umfeld von Position Q177 stören. Die größten Effekte wurden bei der Q177R-Variante beobachtet, die sich ähnlich zur Q177K-Mutation der shaky-Maus verhielt. Der Austausch zu einer Aminosäure, die strukturell ähnlich zum ursprünglichen Glutamin ist, störte das Wasserstoffbrückennetzwerk hingegen nicht. Unsere Ergebnisse zeigen, wie wichtig der GlyR β8 β9-Loop für die Aufrechterhaltung der Rezeptorfunktion ist.
Sowohl GlyRs als auch GABAARs können durch verschiedenste allosterische Substanzen moduliert werden. Zuletzt zeigten wir positive allosterische Modulation von GABAARs durch Monoteperne aus Pflanzenextrakten. Hier haben wir uns auf den Effekt von 11 Sesquiterpenen und Sesquiterpenoiden (SQTs) auf GABAARs fokussiert. SQTs sind natürlich in Pflanzen vorkommende Stoffe. Wir testeten SQTs aus dem flüchtigen Anteil von Hopfen und Kamille, sowie deren sekundäre Metaboliten, die während der Verdauung entstehen. Mithilfe der Patch-Clamp-Methode konnten wir in transfizierten Zellenlinien und neuronalen Primärzellen signifikante Modulation von GABAARs durch einige der SQTs beobachten. Außerdem wurde mithilfe von Docking-Simulationen eine mögliche Bindung von SQTs in der Neurosteroid-Bindungstasche gezeigt. Zusammengefasst haben wir erfolgreich die Modulation von GABAARs durch SQTs und deren sekundäre Metaboliten demonstriert.

Der zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit dreidimensionalen (3D) in vitro Zellkulturmodellen, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die dritte Dimension erlaubt die Entwicklungen von komplexen Modellen, die sich der natürlichen Umgebung von Zellen annähern. Dafür werden Materialien benötigt, deren mechanische und biologische Eigenschaften denen des ursprünglichen Gewebes der eingeschlossenen Zellen ähneln. Dies ist insbesondere eine Herausforderung bei 3D in vitro Kulturen von primären Neuronen und Astrozyten, da das Gehirn eines der weichsten Gewebe des Körpers ist. Ultraweiche Matrizen, welche die neuronale Umgebung nachahmen, sind schwer zu handhaben. Wir haben dieses Problem gelöst, indem wir ultraweiches Matrigel mit Fasergerüsten verstärkten, die mithilfe von Melt Electrowriting gedruckt wurden. Somit können diese Matrigel-Faser-Komposite für strukturelle und funktionelle Experimente benutzt werden, die häufige Bewegung und Transport der Proben voraussetzen. Mit diesen Matrigel-Faser-Kompositen haben wir Methoden etabliert, die für die Charakterisierung von neuronalen Netzwerken erforderlich sind. Anstelle von Neuronen haben wir dafür eine Mausfibroblasten-Zelllinie benutzt und mit dem GlyR transfiziert. Zellen in den Matrigel-Faser-Komposite zeigten eine hohe Viabilität, konnten immunocytochemisch angefärbt werden, und mithilfe von elektrophysiologischen Methoden gemessen werden.
Darauf aufbauend haben wir primäre kortikale Mausneurone in faserverstärktem Matrigel für bis zu 21 Tage wachsen lassen. Die Neurone zeigten eine hohe Viabilität und durch Quantifikation von Neuritenlänge und Synapsendichte konnte ein vollständig ausgeformtes Netzwerk nach 7 Tagen in 3D-Kultur demonstriert werden. Mithilfe von Calcium-Imaging und Patch-Clamp-Experimenten wurden spontane Netzwerkaktivität, funktionelle spannungsgesteuerte Natriumkanäle, sowie Aktionspotentiale nachgewiesen. Somit konnten wir durch Kombination von einem ultraweichen Hydrogel mit Fasergerüsten erfolgreich ein Zellkulturmodell entwickeln, das zukünftig für die Erforschung von Zell-Zell-Interaktionen zwischen primären Gehirnzellen und Tumorzellen benutzt werden kann. Damit kann die molekulare Pathologie von aggressiven Hirntumoren und möglicherweise anderen Krankheitsmechanismen weiter aufgeklärt werden.
KW  - Zellkultur
KW  - Ionenkanal
KW  - Aminobuttersäure <gamma->
KW  - Glycin
KW  - Rezeptor
KW  - 3D cell culture
KW  - neuronal network
KW  - ion channel
KW  - glycine receptor
KW  - GABA receptor
KW  - 3D-Zellkultur
KW  - Nervennetz
KW  - Glycinrezeptor
KW  - GABA-Rezeptor
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251700
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dombrovski, Veaceslav
T1  - Software Framework to Support Operations of Nanosatellite Formations
T1  - Software Framework für die Unterstützung des Betriebs von Nanosatelliten-Formationen
N2  - Since the first CubeSat launch in 2003, the hardware and software complexity of the nanosatellites was continuosly increasing.
To keep up with the continuously increasing mission complexity and to retain the primary advantages of a CubeSat mission, a new approach for the overall space and ground software architecture and protocol configuration is elaborated in this work.

The aim of this thesis is to propose a uniform software and protocol architecture as a basis for software development, test, simulation and operation of multiple pico-/nanosatellites based on ultra-low power components.
In contrast to single-CubeSat missions, current and upcoming nanosatellite formation missions require faster and more straightforward development, pre-flight testing and calibration procedures as well as simultaneous operation of multiple satellites.

A dynamic and decentral Compass mission network was established in multiple active CubeSat missions, consisting of uniformly accessible nodes.
Compass middleware was elaborated to unify the communication and functional interfaces between all involved mission-related software and hardware components.
All systems can access each other via dynamic routes to perform service-based M2M communication.

With the proposed model-based communication approach, all states, abilities and functionalities of a system are accessed in a uniform way.
The Tiny scripting language was designed to allow dynamic code execution on ultra-low power components as a basis for constraint-based in-orbit scheduler and experiment execution.
The implemented Compass Operations front-end enables far-reaching monitoring and control capabilities of all ground and space systems.
Its integrated constraint-based operations task scheduler allows the recording of complex satellite operations, which are conducted automatically during the overpasses.

The outcome of this thesis became an enabling technology for UWE-3, UWE-4 and NetSat CubeSat missions.
N2  - Seit dem Launch des ersten CubeSats im Jahr 2003, hat die Komplexität der Nanosatelliten stetig zugenommen.
Um mit den wachsenden Anforderungen Schritt zu halten und gleichzeitig nicht auf die Hauptvorteile einer CubeSat Mission zu verzichten, wird eine einheitliche Protokoll- und Softwarearchitektur für den gesamten Weltraum- und Bodensegment vorgeschlagen.

Diese Arbeit schlägt eine einheitliche Software- und Protokoll-Architektur vor als Basis für Softwareentwicklung, Tests und Betrieb von mehreren Pico-/Nanosatelliten.
Im Gegensatz zu Missionen mit nur einem CubeSat, erfordern künftige Nanosatelliten-Formationen eine schnellere und einfachere Entwicklung, Vorflug-Tests, Kalibrierungsvorgänge sowie die Möglichkeit mehrere Satelliten gleichzeitig zu betreiben.

Ein dynamisches und dezentrales Compass Missionsnetzwerk wurde in mehreren CubeSat-Missionen realisiert, bestehend aus einheitlich zugänglichen Knoten.
Die Compass-Middleware wurde entwickelt, um sowohl die Kommunikation als auch funktionale Schnittstellen zwischen allen beteiligten Software und Hardware Systemen in einer Mission zu vereinheitlichen: Rechner des Bedienpersonals, Bodenstationen, Mission-Server, Testeinrichtungen, Simulationen und Subsysteme aller Satelliten.

Mit dem Ansatz der modellbasierten Kommunikation wird auf alle Zustände und Funktionen eines Systems einheitlich zugegriffen.
Die entwickelte Tiny Skriptsprache ermöglicht die Ausführung von dynamischem Code auf energiesparenden Systemen, um so in-orbit Scheduler zu realisieren.
Das Compass Operations Front-End bietet zahlreiche grafische Komponenten, mit denen alle Weltraum- und Bodensegment-Systeme einheitlich überwacht, kontrolliert und bedient werden.
Der integrierte Betrieb-Scheduler ermöglicht die Aufzeichnung von komplexen Satellitenbetrieb-Aufgaben, die beim Überflug automatisch ausgeführt werden. 

Die Ergebnisse dieser Arbeit wurden zur Enabling-Technologie für UWE-3, UWE-4 und NetSat Missionen.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 23 
KW  - Kleinsatellit
KW  - Softwaresystem
KW  - Kommunikationsprotokoll
KW  - Betriebssystem
KW  - Compiler
KW  - Satellite formation
KW  - Distributed computing
KW  - Compass framework
KW  - Model based mission realization
KW  - Model based communication
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-249314
SN  - 978-3-945459-38-6
ER  - 
TY  - THES
A1  - Möller, Jan
T1  - Mechanisms and consequences of µ-opioid receptor dimerization
T1  - Mechanismen und Konsequenzen der µ-Opioid-Rezeptor-Dimerisierung
N2  - One third of all market approved drugs target G protein coupled receptors (GPCRs), covering a highly diverse spectrum of indications reaching from acute anti-allergic treatment over bloodpressure regulation, Parkinson's disease, schizophrenia up to the treatment of severe pain. GPCRs are key signaling proteins that mostly function as monomers, but for several receptors constitutive dimer formation has been described and in some cases is essential for function. I have investigated this problem using the μ-opioid receptor (µOR) as a model system - based both on its pharmacological importance and on specific biochemical data suggesting that it may present a particularly intriguing case of mono- vs- dimerization. The µOR is the prime target for the treatment of severe pain. In its inactive conformation it crystallizes as homodimer when bound to the antagonist β- funaltrexamine (β-FNA), whereas the active, agonist-bound receptor crystallizes as a monomer. Using single-molecule microscopy combined with superresolution techniques on intact cells, I describe here a dynamic monomer-dimer equilibrium of µORs where dimer formation is driven by specific agonists. The agonist DAMGO, but not morphine, induces dimer formation in a process that correlates temporally and, in its agonist, and phosphorylation dependence with β-arrestin2 binding to the receptors. This dimerization is independent from but may precede µOR internalization. Furthermore, the results show that the μOR tends to stay, on the cell surface, within compartments defined by actin fibers and its mobility is modulated by receptor activation. These data suggest a new level of GPCR regulation that links receptor compartmentalization and dimer formation to specific agonists and their downstream signals.
N2  - Abgesehen  davon,  dass  der  μ-Opioid-Rezeptor  das  primäre  Zielprotein  zur  Behandlung  schwerer  Schmerzen   ist,   führt   die   Aktivierung   dieses   Rezeptors   zu   einer   Reihe   von   unerwünschten   Nebenwirkungen  wie  Atemdepression,  Obstipation  und  Drogenabhängigkeit.  Um  die  medizinischen  Chemiker bei der Entwicklung neuer Arzneistoffe zu unterstützen, ist das Verständnis der molekularen Funktion  insbesondere  der  Aktivierungs-   und  Deaktivierungsmechanismen  des  μ-Opioid-Rezeptors von voranschreitender Bedeutung. Die prominentesten Signalpartner des μ-Opioid-Rezeptors sind G-Proteine   des   Typs   Gi,   sowie   nach   vorheriger   Phosphorylierung   durch   G-Protein-gekoppelte Rezeptorkinasen, β-  Arrestin2. Die  neusten  strukturbasierten  Bemühungen  zur  Entwicklung  sicherer Opioid-Schmerzmittel  waren  auf  die  Herstellung  von  Signal-selektiven  konzentriert,  die  eine  hohe  Präferenz für G-Protein-Signalwege aufweisen und somit die β-  Arrestin-vermittelten Nebenwirkungen umgehen sollen. In    der Tat konnte, durch Knock-in -Mäuse mit phosphorylierungs-defizienten μ-Opioid-Rezeptoren   gezeigt   werden,   dass   die   analgetischen   Effekte   verbessert   wurden   und   die   Toleranzentwicklung  abgeschwächt  wurde,  wenn  der  Rezeptor  eine  Präferenz  für  den  G-Protein Signalweg zeigte.  Unerwarteterweise  wurden  die  anderen  Nebenwirkungen,  wie  Atemdepressionen,  Obstipation, sowie Entzugssymptome jedoch dadurch verschlimmert. Ein Erklärungsversuch für dieses andauernde Problem bei der Entwicklung sicherer Opioid-Medikamente basiert auf der verminderten intrinsischen  Aktivität  dieser  G-   Protein  Signalweg-betonten Arzneistoffe.  ...
KW  - Pharmacology
KW  - Opiatrezeptor
KW  - Dimere
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-219862
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kasaragod, Vikram Babu
T1  - Biochemical and Structural Basis for the Moonlighting Function of Gephyrin
T1  - Biochemische und Strukturelle Basis für die duale Funktionalität von Gephyrin
N2  - Neurons are specialized cells dedicated to transmit the nerve impulses throughout the human body across specialized structures called synapses. At the synaptic terminals, a crosstalk between multiple macromolecules regulates the structure and function of the presynaptic nerve endings and the postsynaptic recipient sites.
Gephyrin is the central organizer at inhibitory postsynaptic specializations and plays a crucial role in the organization of these structures by anchoring GABAA receptors (GABAAR) and glycine receptors (GlyR) to the postsynaptic membrane. This 93 kDa protein features an N-terminal G domain and a C-terminal E domain and the latter interacts directly with the intracellular loop between transmembrane helices 3 and 4 of certain subunits of the GlyRs and GABAARs. Biochemical and structural analyses have already provided valuable insights into the gephyrin-GlyR interaction. Interestingly, biochemical studies on the gephyrin-GABAAR interaction demonstrated that the GABAARs also depend on the same binding site as the GlyRs for the interaction with the gephyrin, but the molecular basis for this receptor specific interaction of gephyrin was still unknown. Co-crystal structures of GephE-GABAAR α3- derived peptides with supporting biochemical data presented in this study deciphered the receptor-specific interactions of gephyrin in atomic detail.
In its moonlighting function, gephyrin also catalyzes the terminal step of the evolutionarily conserved molybdenum cofactor biosynthesis. Molybdenum, an essential transition element has to be complexed with a pterin-based cofactor resulting in the formation of the molybdenum cofactor (Moco). Moco is an essential component at the active site of all molybdenum-containing enzymes with the exception of nitrogenase. Mutations in enzymes involved in this pathway lead to a rare yet severe disease called Moco deficiency, which manifest itself in severe neurodevelopmental abnormalities and early childhood death. Moco biosynthesis follows a complex multistep pathway, where in the penultimate step, the N-terminal G domain of gephyrin activates the molybdopterin to form an adenylated molybdopterin intermediate. In the terminal step, this intermediate is then transferred to the C-terminal E domain of gephyrin, which catalyzes the metal insertion and deadenylation reaction to form active Moco. Previous biochemical and structural studies provided valuable insights into the penultimate step of the Moco biosynthesis but the terminal step remained elusive. Through the course of my dissertation, I crystallized the C-terminal E domain in the apo-form as well as in complex with ADP and AMP. These structures shed lightonto the deadenylation reaction and the formation of a ternary E-domain-ADP-Mo/W complex and thus provide structural insight into the metal insertion mechanism. Moreover, the structures also provided molecular insights into a mutation leading to Moco deficiency. Finally, ternary
complexes of GephE, ADP and receptor-derived peptides provided first clues regarding the integration of gephyrin’s dual functionality.
In summary, during the course of the dissertation I was able to derive high resolution structural insights into the interactions between gephyrin and GABAARs, which explain the receptor-specific interaction of gephyrin and, furthermore, these studies can be extended in the future to understand GABAAR subunit-specific interactions of gephyrin. Finally, the understanding of Moco biosynthesis shed light on the molecular basis of the fatal Moco deficiency.
N2  - Neurone sind spezialisierte Zellen, die über die Synapsen Nervenimpulse im menschlichen Körper übertragen. An den synaptischen Enden reguliert ein Netzwerk aus einer Vielzahl von Makromolekülen die Struktur und die Funktion der präsynaptischen Nervenenden und der postsynaptischen Kontaktstellen. 
Gephyrin ist der Hauptorganisator an inhibitorischen, postsynaptischen Spezialisierungen und spielt durch die Verankerung von GABAA-Rezeptoren (GABAAR) und Glycinrezeptoren (GlyR) in der postsynaptischen Membran eine zentrale Rolle für den Aufbau dieser Strukturen. Dieses 93 kDa Protein enthält eine N-terminale G-Domäne (GephG) und eine C-terminale E-Domäne (GephE), wobei letztere direkt mit der intrazellulären unstrukturierten Region zwischen Transmembranhelices 3 und 4 bestimmter Untereinheiten der GlyR und GABAAR interagiert. Biochemische und strukturelle Analysen lieferten bereits wertvolle Erkenntnisse über die Gephyrin-GlyR Interaktion. Interessanterweise zeigten Versuche zur Gephyrin-GABAAR Interaktion, dass GABAARs die gleiche Bindungsstelle auf Gephyrin benutzen wie GlyRs, wobei die molekulare Basis für diese Interaktion nicht bekannt war. In dieser Arbeit zeige ich Co-Kristallstrukturen von GephE-GABAARα3 sowie unterstützende biochemische Daten, die die atomaren Details der rezeptorspezifischen Interaktionen von Gephyrin entschlüsseln.
Als zweite Funktion katalysiert Gephyrin den terminalen Schritt der evolutionär konservierten Molybdän Cofaktor Biosynthese. Dabei muss das essentielle Übergangselement Molybdän mit einem Pterin-basierten Cofaktor komplexiert werden, um den Molybdän Cofaktor (Moco) zu bilden. Moco ist essentieller Bestandteil im aktiven Zentrum aller Molybdän-enthaltenden Enzyme mit Ausnahme der Nitrogenase. Mutationen in Enzymen, die in die Molybdän Cofaktor Biosynthese involviert sind, verursachen eine Moco Defizienz, eine seltene, jedoch schwere Erkrankung, die sich durch schwere neurologische Entwicklungsstörungen und Tod im frühen Kindesalter äußert. Die Moco Biosynthese folgt einem komplexen mehrstufigen Ablauf. Im vorletzten Schritt adenyliert GephG das Molybdopterin und ein Zwischenprodukt entsteht. Im letzten Schritt wird dieses Zwischenprodukt auf GephE übertragen, das die Insertion des Metalls und die Deadenylierungsreaktion katalysiert, wodurch der aktive Moco entsteht. Frühere biochemische und strukturelle Studien brachten wertvolle Erkenntnisse über den vorletzten Schritt der Moco Biosynthese, aber die Kenntnisse über den letzten Schritt blieben vage. Während meiner Dissertation kristallisierte ich GephE in der apo-Form sowie im Komplex mit ADP oder AMP. Diese Strukturen gaben Aufschluss über die Deadenylierungsreaktion und die Formation eines ternären GephE-ADP-Mo/W Komplexes und gewährten so einen strukturellen Einblick in den Mechanismus der Metallinsertion. Darüber hinaus ermöglichten die Strukturen eine Mutation, die zu Moco Mangel führt, auf molekularer Ebene zu verstehen. Schließlich lieferten ternäre Komplexe aus GephE, ADP und von Rezeptoren abgeleiteten Peptiden ersten Aufschluss bezüglich der Verflechtung von Gephyrins dualer Funktion.
Zusammenfassend konnte ich während der Dissertation hochauflösende strukturelle Einblicke in den Komplex aus GephE und GABAAR α3 Untereineinheit gewinnen, die die rezeptorspezifische Interaktion von Gephyrin erklären. Weiterhin können diese Studien in der Zukunft ausgeweitet werden, um die GABAAR-untereinheitenspezifische Interaktion mit Gephyrin zu verstehen. Schließlich erlauben die Studien zur Moco Biosynthese die tödliche Moco Defizienz auf molekularer Ebene zu verstehen.
KW  - Gephyrin
KW  - Moco biosynthesis
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-143077
ER  -