TY - JOUR A1 - Woloshyn, Vera E. A1 - Pressley, Michael A1 - Schneider, Wolfgang T1 - Elaborative interrogation as a function of prior knowledge N2 - No abstract available KW - Psychologie Y1 - 1992 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-62187 ER - TY - THES A1 - Wolpert, Daniel T1 - Quantum Control of Photoinduced Chemical Reactions T1 - Quantenkontrolle von photoinduzierten chemischen Reaktionen N2 - The control of quantum mechanical processes, especially the selective manipulation of photochemical reactions by shaped fs laser pulses was successfully demonstrated in many experiments in the fields of physics, chemistry and biology. In this work, attention is directed to the control of two systems that mark a bridge to real synthetic chemistry. In a liquid phase environment the outcome of the photo-induced Wolff rearrangement of an industrially relevant diazonaphthoquinone compound, normally used in photoresists (e.g. Novolak) was optimized using shaped fs laser pulses. In the second series of experiments chemical reactions on a catalyst metal surface which comprise laser induced molecular bond formation channels were selectively manipulated for the first time. The control of liquid phase reactions necessitates adequate spectroscopic signals that are characteristic for the formed product species. Therefore, a pump-probe setup for transient absorption spectroscopy in the mid-infrared for the purpose of investigating ultrafast structural changes of molecules during photoreactions was constructed. This versatile setup enables to monitor structural changes of molecules in the liquid phase and to find appropriate feedback signals for the control of these processes. Prior to quantum control experiments, the photoinduced Wolff-rearrangement reaction of 2-diazo-1-naphthoquinone (DNQ) dissolved in water and methanol was thoroughly investigated. Steady state absorption measurements in the mid-infrared in combination with quantum chemical density functional theory (DFT) calculations revealed the characteristic vibrational bands of DNQ and of possible products. A mid-infrared transient absorption study was performed, to illuminate the structural dynamics of the ultrafast rearrangement reaction of DNQ. The experimental observations indicate, that the Wolff rearrangement reaction of DNQ proceeds within 300 fs. A model for the relaxation dynamics of the ketene photoproduct and DNQ after photoexcitation can be deduced that fits the measured data very well. The object of the quantum control experiments on DNQ was the improvement of the ketene yield. It was shown that the ketene formation after Wolff rearrangement of DNQ is very sensitive to the shape of the applied excitation laser pulses. The variation of single parameters, like the linear chirp as well as the pulse separation of colored double pulses lead to the conclusion that the well known intrapulse dumping mechanism is responsible for the impact of the frequency ordering within the excitation pulse on the photoproduct yield. Adaptive optimizations using a closed learning loop basically lead to the same result. Adaptive fs quantum control was also applied to surface reactions on a catalyst metal surface for the first time. Therefore, the laser-induced catalytic reactions of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) on a Pd(100) single crystal surface were studied. This photochemical reaction initiated with fs laser pulses has not been observed before. Several product molecules could be synthesized, among them also species (e.g. CH^3+) for whose formation three particles are involved. The systematic variation of different parameters showed that the reactions are sensitive to the catalyst surface, the composition of the adsorbate and to the laser properties. A pump-probe study revealed that they occur on an ultrafast time scale. These catalytic surface reactions were then investigated and improved with phaseshaped fs laser pulses. By applying a feedback optimal control scheme, the reaction outcome could be successfully manipulated and the ratio of different reaction channels could be selectively controlled. Evidence has been found that the underlying control mechanism is nontrivial and sensitive to the specific conditions on the surface. The experiments shown here represent the first successful experiment on adaptive fs quantum control of a chemical reaction between adsorbate molecules on a surface. In contrast to previous quantum control experiments, reaction channels comprising the formation of new molecular bonds rather than the cleavage of already existing bonds are controlled. This work successfully showed that quantum control can be extended to systems closer to situations encountered in synthetic chemistry as was demonstrated in the two examples of the optimization of a complicated rearrangement reaction and the selective formation of chemical bonds with shaped fs laser pulses. N2 - Die Kontrolle quantenmechanischer Prozesse, insbesondere die selektive Manipulation photochemischer Reaktionen mit Hilfe geformter fs-Laserpulse wurde auf den Gebieten der Physik, Chemie und Biologie in vielen Experimenten erfolgreich gezeigt. In dieser Arbeit wird das Augenmerk auf die Kontrolle zweier Systeme gerichtet, die eine Brücke zur synthetischen Chemie darstellen. In der flüssigen Phase wurde das Resultat der photoinduziertenWolff Umlagerung einer industriell relevanten Diazonaphthoquinone Verbindung, die gewöhnlich in Photolacken (z.B. Novolak) Verwendung findet, durch geformte fs-Laserpulse optimiert. In der zweiten Reihe von Experimenten wurden chemische Reaktionen auf einer Katalysator-Metalloberfläche, die Kanäle mit laserinduzierter molekularer Bindungsknüpfung beinhalten, zum ersten Mal selektiv beeinflusst. Für die Kontrolle von Reaktionen in der flüssigen Phase benötigt man geeignete spektroskopische Messsignale, die charakteristisch für die gebildeten Produktspezies sind. Zu diesem Zweck wurde ein Versuchsaufbau für Anrege-Abfrage Experimente zur transienten Absorptionsspektroskopie im mittleren Infrarot aufgebaut, um ultraschnelle strukturelle Veränderungen von Molekülen während Photoreaktionen zu untersuchen. Dieser vielseitige Versuchsaufbau ermöglicht die Messung struktureller Veränderungen in Molekülen in flüssiger Phase und damit das Auffinden geeigneter Rückkopplungssignale zur Kontrolle dieser Prozesse. Vor den Quantenkontrollexperimenten wurde die photoinduzierte Wolff Umlagerung von 2-Diazo-1-Naphthoquinone (DNQ) in den Lösungsmitteln Wasser und Methanol sorgfältig untersucht. Lineare Absorptionsmessungen im mittleren Infrarot in Verbindung mit quantenchemischen Dichtefunktionaltheorie (DFT) Rechnungen lieferten die charakteristischen Schwingungsbanden von DNQ und möglichen Photoprodukten. Untersuchungen mit transienter Absorptionsspektroskopie im mittleren Infrarot wurden durchgeführt, um die strukturelle Dynamik der ultraschnellen Umlagerungsreaktion von DNQ zu beleuchten. Die experimentellen Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Wolff Umlagerung von DNQ innnerhalb von 300 fs abläuft. Ein Modell für die Relaxationsdynamik des Keten Photoprodukts und DNQ, dass die gemessenen Daten sehr gut beschreibt wurde abgeleitet. Das Ziel der Quantenkontrollexperimente an DNQ war die Erhöhung der Ketenausbeute. Es wurde gezeigt, dass die Bildung des Keten nach der Wolff Umlagerung des DNQ empfindlich auf die Form der Anregungspulse reagiert. Die Variation einzelner Parameter, wie des linearen Chirps sowie des Pulsabstands von farbigen Doppelpulsen führen zu dem Schluss, dass der gut bekannte Intrapuls-Abregemechanismus verantwortlich für den Einfluss der Frequenzfolge innerhalb des Anregepulses auf die Ausbeute des Photoprodukts ist. Adaptive Optimierungen führen zum gleichen Ergebnis. Adaptive Quantenkontrolle wurde auch erstmalig auf Oberflächenreaktionen auf einer Katalysator-Metalloberfläche angewendet. Dazu wurden die laserinduzierten katalytischen Oberflächenreaktionen von Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) auf einer Pd(100) Einkristalloberfläche untersucht. Diese photochemische Reaktion, die durch fs-Laserpulse ausgelöst wird wurde bisher noch nicht beobachtet. Mehrere Produktmoleküle konnten synthetisiert werden, darunter auch Moleküle für deren Bildung mindestens drei Eduktmoleküle zusammenkommen und reagieren müssen. Die systematische Änderung verschiedener Parameter zeigte, dass die Reaktionen von der Katalysatoroberfläche, der Zusammensetzung des Adsorbats und den Eigenschaften der fs-Laserpulse abhängen. Eine Anrege-Abfrage Untersuchung machte deutlich, dass die Reaktionen auf einer ultrakurzen Zeitskala ablaufen. Diese katalytischen Oberflächenreaktionen wurden im Anschluss mit Hilfe von phasengeformten fs-Laserpulsen weiter untersucht und gezielt gesteuert. In adaptiven Quantenkontrollexperimenten konnte das Reaktionsergebnis sowie das Verhältnis unterschiedlicher Reaktionskanäle selektiv manipuliert werden. Es wurden Hinweise gefunden, dass der zugrundeliegende Kontrollmechanismus nichttrivial ist und von den genauen Bedingungen auf der Oberfläche abhängt. Diese Experimente stellen die ersten erfolgreichen adaptiven Quantenkontrollexperimente an einer chemischen Reaktion zwischen Adsorbatmolekülen auf einer Oberfläche dar. Im Gegensatz zu bisherigen Quantenkontrollexperimenten wurden hierbei Reaktionskanäle optimiert, die die Formung und nicht nur den Bruch einer molekularen Bindung umfassen. Diese Arbeit zeigt, dass die Methoden der Quantenkontrolle auf Systeme, die den Situationen in der synthetischen Chemie nahekommen, erfolgreich angewendet werden können, wie mit den zwei Beispielen, der Optimierung einer komplizierten Umlagerungsreaktion und der selektiven Bildung chemischer Bindungen mit geformten fs-Laserpulsen demonstriert wurde. KW - Nichtlineare Spektroskopie KW - Infrarotspektroskopie KW - Massenspektrometrie KW - Laserchemie KW - Femtosekundenpulse KW - Pulsformung KW - Quantenkontrolle KW - quantum control KW - pulse shaping KW - femtosecond pulses KW - time-of-flight mass spectrometry KW - infrared spectroscopy KW - nonlinear spectroscopy Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-27171 ER - TY - THES A1 - Wolski, Stefanie Carola T1 - Structural and functional characterization of nucleotide excision repair proteins T1 - Strukturelle und funktionelle Charakterisierung von Nucleotid-Exzisions-Reparatur Proteinen N2 - XPD is a 5‘-3‘ helicase of the superfamily 2. As part of the transcription factor IIH it functions in transcription initiation and nucleotide excision repair. This work focus on the role of XPD in nucleotide excision repair. NER is a DNA repair pathway unique for its broad substrate range. In placental mammals NER is the only repair mechanism able to remove lesions induced by UV-light. NER can be divided into four different steps that are conserved between pro- and eukaryotes. Step 1 consists of the initial damage recognition, during step 2 the putative damage is verified, in step 3 the verified damage is excised and in the 4th and final step the resulting gap in the DNA is refilled. XPD was shown to be involved in the damage verification step. It was possible to solve the first apo XPD structure by a MAD approach using only the endogenous iron from the iron sulfur cluster. Based on the apo XPD structure several questions arise: where is DNA bound? Where is DNA separated? How is damage verification achieved? What is the role of the FeS cluster? These questions were addressed in this work. Hypothesis driven structure based functional mutagenesis was employed and combined with detailed biochemical characterization of the variants. The variants were analyzed by thermal unfolding studies to exclude the possibility that the overall stability could be affected by the point mutation. DNA binding assays, ATPase assays and helicase assays were performed to delineate amino acid residues important for DNA binding, helicase activity and damage recognition. A structure of XPD containing a four base pair DNA fragment was solved by molecular replacement. This structure displays the polarity of the translocated strand with respect to the helicase framework. Moreover the properties of the FeS cluster were studied by electron paramagnetic resonance to get insights into the role of the FeS cluster. Furthermore XPD from Ferroplasma acidarmanus was investigated since it was shown that it is stalled at CPD containing lesions. The data provide the first detailed insight into the translocation mechanism of a SF2B helicase and reveal how polarity is achieved. This provides a basis for further anlayses understanding the combined action of the helicase and the 4Fe4S cluster to accomplish damage verification within the NER cascade. N2 - XPD ist eine 5‘-3‘ Helicase der Superfamilie 2. Als Untereinheit des Transkriptionsfaktors IIH ist XPD in Transkriptionsinitiation und Nucleotid-Exzisions-Reparatur involviert. Diese Arbeit fokusiert auf die Rolle von XPD in der NER. NER ist ein DNA Reparatur Weg der bekannt ist für seine breite Substratspezifität. In Säugetieren ist NER der einzige Reparaturmechanismus, der fähig ist Läsionen zu reparieren, die durch UV Strahlung induziert werden. NER kann man in vier unterschiedliche Schritte aufteilen die zwischen Pro- und Eukaryoten konserviert sind. Schritt 1 besteht aus der initialen Schadenserkennung, während des zweiten Schrittes wird der mögliche Schaden verifiziert, im dritten Schritt wird der verifizierte Schaden ausgeschnitten und im vierten und letzten Schritt wird die resultierende Lücke in der DNA geschlossen. Es wurde gezeigt, dass XPD in die Schadensverifizierung involviert ist. Ein MAD Versuch, bei dem nur das endogene Eisen des Eisen-Schwefel-Clusters verwendet wurde ermöglichte die Strukturlösung der ersten apo XPD Struktur. Basierend auf der Struktur ergeben sich verschiedene Fragen: wo wird DNA gebunden? Wo wird DNA aufgetrennt? Wie wird Schadenserkennung ermöglicht? Was ist die Rolle des Eisen-Schwefel-Clusters? Diese Fragen werden in dieser Arbeit angesprochen. Strukturbasierte funktionelle Mutagenesestudien, die auf Hypothesen basiert sind, wurden angewendet und mit einer detailierten biochemischen Charakterizierung der Varianten kombiniert. Die Varianten wurden mittels thermischen Entfaltungsstudien analysiert, um die Möglichkeit auszuschliessen, dass die Stabilität durch die Punktmutation betroffen ist. DNA-Bindungs- Assays, ATPase Assays und Helikase Assays wurden durchgeführt um Aminosäurereste zu identifizieren, die für DNA Bindung, Helikase Aktivität und Schadenserkennung wichtig sind. Eine Struktur von XPD, die ein DNA Fragment mit vier Basen enthält, wurde mittels Molekularem Ersatz gelöst. Diese Struktur zeigt die Polarität des translozierenden DNA- Stranges im Verhältnis zu der Helikasestruktur auf. Desweiteren wurden die Eigenschaften des FeS Clusters mittels paramagnetischen Elektronenresonanz Studien untersucht, um Einblicke in die Rolle des FeS Clusters zu bekommen. Ausserdem wurde XPD aus Ferroplasma acidarmanus erforscht, da gezeigt wurde, dass es an CPD enthaltenden Läsionen hängen bleibt. Diese Daten stellen die ersten detailierten Einblicke in den Translokationsmechanismus einer SF2B Helikase dar und zeigen wie Polarität erzielt wird. Das ist eine Basis für weitere Analysen, um die kombinierte Aktion von Helikase und dem 4Fe4S Cluster zu verstehen, die zur Schadenserkennung in der NER Kaskade führt. KW - DNS-Reparatur KW - Helicasen KW - Kristallographie KW - XPD KW - Xeroderma pigmentosum KW - TFIIH KW - Nukleotid-Exzisions-Reparatur KW - X-ray Crystallography KW - XPD KW - TFIIH KW - Nucleotide-Excision-Repair KW - FeS cluster Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-67183 ER - TY - THES A1 - Wolter, Patrick T1 - Characterization of the mitotic localization and function of the novel DREAM target GAS2L3 and Mitotic kinesins are regulated by the DREAM complex, often up-regulated in cancer cells, and are potential targets for anti-cancer therapy T1 - Charakterisierung der mitotischen Lokalisation und Funktion von GAS2L3, eines kürzlich gefundenen Zielgens des DREAM Komplexes und Mitotische Kinesine werden vom DREAM Komplex reguliert, sind in Krebszellen häufig hochreguliert und sind potentielle Zielle für die Krebstherapie N2 - The recently discovered human DREAM complex (for DP, RB-like, E2F and MuvB complex) is a chromatin-associated pocket protein complex involved in cell cycle- dependent gene expression. DREAM consists of five core subunits and forms a complex either with the pocket protein p130 and the transcription factor E2F4 to repress gene expression or with the transcription factors B-MYB and FOXM1 to promote gene expression. Gas2l3 was recently identified by our group as a novel DREAM target gene. Subsequent characterization in human cell lines revealed that GAS2L3 is a microtubule and F-actin cross-linking protein, expressed in G2/M, plays a role in cytokinesis, and is important for chromosomal stability. The aim of the first part of the study was to analyze how expression of GAS2L3 is regulated by DREAM and to provide a better understanding of the function of GAS2L3 in mitosis and cytokinesis. ChIP assays revealed that the repressive and the activating form of DREAM bind to the GAS2L3 promoter. RNA interference (RNAi) mediated GAS2L3 depletion demonstrated the requirement of GAS2L3 for proper cleavage furrow ingression in cytokinesis. Immunofluorescence-based localization studies showed a localization of GAS2L3 at the mitotic spindle in mitosis and at the midbody in cytokinesis. Additional experiments demonstrated that the GAS2L3 GAR domain, a putative microtubule- binding domain, is responsible for GAS2L3 localization to the constriction zones in cytokinesis suggesting a function for GAS2L3 in the abscission process. DREAM is known to promote G2/M gene expression. DREAM target genes include several mitotic kinesins and mitotic microtubule-associated proteins (mitotic MAPs). However, it is not clear to what extent DREAM regulates mitotic kinesins and MAPs, so far. Furthermore, a comprehensive study of mitotic kinesin expression in cancer cell lines is still missing. Therefore, the second major aim of the thesis was to characterize the regulation of mitotic kinesins and MAPs by DREAM, to investigate the expression of mitotic kinesins in cancer cell line panels and to evaluate them as possible anti-cancer targets. ChIP assays together with RNAi mediated DREAM subunit depletion experiments demonstrated that DREAM is a master regulator of mitotic kinesins. Furthermore, expression analyses in a panel of breast and lung cancer cell lines revealed that mitotic kinesins are up-regulated in the majority of cancer cell lines in contrast to non-transformed controls. Finally, an inducible lentiviral-based shRNA system was developed to effectively deplete mitotic kinesins. Depletion of selected mitotic kinesins resulted in cytokinesis failures and strong anti-proliferative effects in several human cancer cell lines. Thus, this system will provide a robust tool for future investigation of mitotic kinesin function in cancer cells. N2 - Der vor kurzem entdeckte humane DREAM Komplex (für DP,RB ähnlich, E2F und MuvB Komplex) ist ein Chromatin bindender Pocket-Protein-Komplex involviert in Zellzyklusphase abhängiger Genregulation. DREAM besteht aus fünf Kernproteinen, die entweder zusammen mit dem Pocket-Protein p130 und dem Transkriptionsfaktor E2F4 die Genexpression reprimieren oder zusammen mit den Transkriptionsfaktoren B-MYB und FOXM1 die Genexpression fördern. GAS2L3 wurde vor kurzem als neues Zielgen des DREAM Komplexes identifiziert. Eine anschließende Charakterisierung in humanen Zelllinien offenbarte, dass GAS2L3 in der Lage ist, das F-Aktin und das Mikrotubuli Cytoskelett zu binden und zu vernetzen. Außerdem ist GAS2L3 speziell während der G2/M Phase exprimiert, spielt eine Rolle in der Cytokinese und ist wichtig für die genomische Integrität. Der erste Teil der Arbeit hatte zum Ziel zu ergründen in welcher Art und Weise DREAM GAS2L3 reguliert. Außerdem sollte das Verständnis der Rolle von GAS2L3 in der Cytokinese erweitert werden. Hierzu durchgeführte ChIP Analysen zeigten, dass sowohl der reprimierende als auch der aktivierende DREAM Komplex an den Promoter von GAS2L3 bindet. Experimente, in denen GAS2L3 durch RNA-Interferenz (RNAi) depletiert wurde, demonstrierten, dass GAS2L3 in der Cytokinese am Prozess der Einschnürung der Teilungsfurche beteiligt ist. Anschließende auf Immunfluoreszenzmikroskopie basierende Lokalisationsstudien zeigten, dass GAS2L3 an der mitotischen Spindel in der Mitose und am Midbody in der Cytokinese lokalisiert ist. Weiterführende Studien zeigten, dass die GAR Domäne von GAS2L3, eine mutmaßliche Mikrotubuli- Bindedomäne, für die Lokalisierung von GAS2L3 in der für die Abszission wichtigen Konstriktionszone verantwortlich ist. Dieses Ergebnis lässt vermuten, dass GAS2L3 eine Rolle in diesem Prozess spielt. Der DREAM Komplex ist bekannt dafür G2/M Genexpression zu fördern. G2/M Zielgene des Komplexes sind unter anderem mehrere mitotische Kinesine und mitotische Mikrotubuli-Bindeproteine. Bisher ist die Art und Weise und das Ausmaß der Regulierung dieser Proteingruppen durch DREAM aber nur ungenügend untersucht worden. Des Weiteren fehlt bisher eine umfassende Charakterisierung der Expression von mitotischen Kinesinen in Krebszellen. Deswegen befasste sich der zweite Teil der Arbeit mit der Charakterisierung der Regulation von mitotischen Kinesinen und Mikrotubuli-Bindeproteinen durch DREAM, untersuchte die Expression dieser beiden Proteingruppen in Krebszelllinien und evaluierte diese anschließend als potentielle Ziele für die Krebstherapie. Eine Kombination aus ChIP Analysen und RNAi Experimenten zeigte, dass DREAM eine zentrale Rolle in der Regulierung von mitotischen Kinesinen spielt. Expressions- analysen deckten auf, dass mitotische Kinesine in der Mehrheit der Krebszelllinien hochreguliert sind im Gegensatz zu den nicht entarteten Kontrollzelllinien. Schließlich wurde ein auf Lentiviren basierendes induzierbares shRNA System etabliert, welches mitotische Kinesine effektiv herunterregulieren konnte. Depletion ausgewählter mitotischer Kinesine führte zu Fehlern in der Cytokinese und hatte starke Auswirkungen auf das Wachstumsverhalten von mehreren Krebszelllinien. Aufgrund dieser Erkenntnisse wird das lentivirale System eine solide Ausgangsbasis für zukünftige Untersuchungen von mitotischen Kinesinen in Krebszellen bilden. KW - Zellzyklus KW - GAS2L3 KW - B-MYB KW - DREAM KW - cytokinesis KW - mitosis KW - kinesin KW - cancer KW - FOXM1 KW - regulation KW - Zellteilung KW - Regulation KW - Krebs KW - Biologie / Zellbiologie Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122531 ER - TY - JOUR A1 - Wolter, Patrick A1 - Hanselmann, Steffen A1 - Pattschull, Grit A1 - Schruf, Eva A1 - Gaubatz, Stefan T1 - Central spindle proteins and mitotic kinesins are direct transcriptional targets of MuvB, B-MYB and FOXM1 in breast cancer cell lines and are potential targets for therapy JF - Oncotarget N2 - The MuvB multiprotein complex, together with B-MYB and FOXM1 (MMB-FOXM1), plays an essential role in cell cycle progression by regulating the transcription of genes required for mitosis and cytokinesis. In many tumors, B-MYB and FOXM1 are overexpressed as part of the proliferation signature. However, the transcriptional targets that are important for oncogenesis have not been identified. Given that mitotic kinesins are highly expressed in cancer cells and that selected kinesins have been reported as target genes of MMB-FOXM1, we sought to determine which mitotic kinesins are directly regulated by MMB-FOXM1. We demonstrate that six mitotic kinesins and two microtubule-associated non-motor proteins (MAPs) CEP55 and PRC1 are direct transcriptional targets of MuvB, B-MYB and FOXM1 in breast cancer cells. Suppression of KIF23 and PRC1 strongly suppressed proliferation of MDA-MB-231 cells. The set of MMB-FOXM1 regulated kinesins genes and 4 additional kinesins which we referred to as the mitotic kinesin signature (MKS) is linked to poor outcome in breast cancer patients. Thus, mitotic kinesins could be used as prognostic biomarker and could be potential therapeutic targets for the treatment of breast cancer. KW - breast cancer KW - kinesin KW - cell cycle KW - cytokinesis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-171851 VL - 8 IS - 7 ER - TY - JOUR A1 - Wolter, Steffen A1 - Aizezers, Janis A1 - Fennel, Franziska A1 - Seidel, Marcus A1 - Würthner, Frank A1 - Kühn, Oliver A1 - Lochbrunner, Stefan T1 - Size-dependent exciton dynamics in one-dimensional perylene bisimide aggregates JF - New Journal of Physics N2 - The size-dependent exciton dynamics of one-dimensional aggregates of substituted perylene bisimides are studied by ultrafast transient absorption spectroscopy and kinetic Monte-Carlo simulations as a function of the excitation density and the temperature in the range of 25-90 degrees C. For low temperatures, the aggregates can be treated as infinite chains and the dynamics is dominated by diffusion-driven exciton-exciton annihilation. With increasing temperature the aggregates dissociate into small fragments consisting of very few monomers. This scenario is also supported by the time-dependent anisotropy deduced from polarization-dependent experiments. KW - rotational diffusion KW - spectroscopy KW - dyes KW - annihilation KW - migration KW - films Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-135190 VL - 14 IS - 105027 ER - TY - THES A1 - Wolter, Steve T1 - Single-molecule localization algorithms in super-resolution microscopy T1 - Einzelmoleküllokalisierungsalgorithmen in der superauflösenden Mikroskopie N2 - Lokalisationsmikroskopie ist eine Methodenklasse der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie, deren Methoden sich durch stochastische zeitliche Isolation der Fluoreszenzemission auszeichnen. Das Blinkverhalten von Fluorophoren wird so verändert, dass gleichzeitige Aktivierung von einander nahen Fluorophoren unwahrscheinlich ist. Bekannte okalisationsmikroskopische Methoden umfassen dSTORM, STORM, PALM, FPALM, oder GSDIM. Lokalisationsmikroskopie ist von hohem biologischem Interesse, weil sie die Auflösung des Fluoreszenzmikroskops bei minimalem technischem Aufwand um eine Größenordnung verbessert. Der verbundene Rechenaufwand ist allerdings erheblich, da Millionen von Fluoreszenzemissionen einzeln mit Nanometergenauigkeit lokalisiert werden müssen. Der Rechen- und Implementationsaufwand dieser Auswertung hat die Verbreitung der superauflösenden Mikroskopie lange verzögert. Diese Arbeit beschreibt meine algorithmische Grundstruktur für die Auswertung lokalisationsmikroskopischer Daten. Die Echtzeitfähigkeit, d.h. eine Auswertegeschwindigkeit oberhalb der Datenaufnahmegeschwindigkeit an normalen Messaufbauten, meines neuartigen und quelloffenen Programms wird demonstriert. Die Geschwindigkeit wird auf verbrauchermarktgängigen Prozessoren erreicht und dadurch spezialisierte Rechenzentren oder der Einsatz von Grafikkarten vermieden. Die Berechnung wird mit dem allgemein anerkannten Gaussschen Punktantwortmodell und einem Rauschmodell auf Basis der größten Poissonschen Wahrscheinlichkeit durchgeführt. Die algorithmische Grundstruktur wird erweitert, um robuste und optimale Zweifarbenauswertung zu realisieren und damit korrelative Mikroskopie zwischen verschiedenen Proteinen und Strukturen zu ermöglichen. Durch den Einsatz von kubischen Basissplines wird die Auswertung von dreidimensionalen Proben vereinfacht und stabilisiert, um präzisem Abbilden von mikrometerdicken Proben näher zu kommen. Das Grenzverhalten von Lokalisationsalgorithmen bei hohen Emissionsdichten wird untersucht. Abschließend werden Algorithmen für die Anwendung der Lokalisationsmikroskopie auf verbreitete Probleme der Biologie aufgezeigt. Zelluläre Bewegung und Motilität werden anhand der in vitro Bewegung von Myosin-Aktin-Filamenten studiert. Lebendzellbildgebung mit hellen und stabilen organischen Fluorophoren wird mittels SNAP-tag-Fusionsproteinen realisiert. Die Analyse des Aufbaus von Proteinklumpen zeigt, wie Lokalisationsmikroskopie neue quantitative Ansätze jenseits reiner Bildgebung bietet. N2 - Localization microscopy is a class of super-resolution fluorescence microscopy techniques. Localization microscopy methods are characterized by stochastic temporal isolation of fluorophore emission, i.e., making the fluorophores blink so rapidly that no two are likely to be photoactive at the same time close to each other. Well-known localization microscopy methods include dSTORM}, STORM, PALM, FPALM, or GSDIM. The biological community has taken great interest in localization microscopy, since it can enhance the resolution of common fluorescence microscopy by an order of magnitude at little experimental cost. However, localization microscopy has considerable computational cost since millions of individual stochastic emissions must be located with nanometer precision. The computational cost of this evaluation, and the organizational cost of implementing the complex algorithms, has impeded adoption of super-resolution microscopy for a long time. In this work, I describe my algorithmic framework for evaluating localization microscopy data. I demonstrate how my novel open-source software achieves real-time data evaluation, i.e., can evaluate data faster than the common experimental setups can capture them. I show how this speed is attained on standard consumer-grade CPUs, removing the need for computing on expensive clusters or deploying graphics processing units. The evaluation is performed with the widely accepted Gaussian PSF model and a Poissonian maximum-likelihood noise model. I extend the computational model to show how robust, optimal two-color evaluation is realized, allowing correlative microscopy between multiple proteins or structures. By employing cubic B-splines, I show how the evaluation of three-dimensional samples can be made simple and robust, taking an important step towards precise imaging of micrometer-thick samples. I uncover the behavior and limits of localization algorithms in the face of increasing emission densities. Finally, I show up algorithms to extend localization microscopy to common biological problems. I investigate cellular movement and motility by considering the in vitro movement of myosin-actin filaments. I show how SNAP-tag fusion proteins enable imaging with bright and stable organic fluorophores in live cells. By analyzing the internal structure of protein clusters, I show how localization microscopy can provide new quantitative approaches beyond pure imaging. KW - super-resolution microscopy KW - fluorescence KW - scientific computing KW - dSTORM KW - localization microscopy KW - PALM KW - 3D microscopy KW - two-color microscopy KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - Bildauflösung KW - Bioinformatik Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-109370 ER - TY - JOUR A1 - Wolter, Steve A1 - Endesfelder, Ulrike A1 - Linde, Sebastian van de A1 - Heilemann, Mike A1 - Sauer, Markus T1 - Measuring localization performance of super-resolution algorithms on very active samples JF - Optics Express N2 - Super-resolution fluorescence imaging based on inglemolecule localization relies critically on the availability of efficient processing algorithms to distinguish, identify, and localize emissions of single fluorophores. In multiple current applications, such as threedimensional, time-resolved or cluster imaging, high densities of fluorophore emissions are common. Here, we provide an analytic tool to test the performance and quality of localization microscopy algorithms and demonstrate that common algorithms encounter difficulties for samples with high fluorophore density. We demonstrate that, for typical single-molecule localization microscopy methods such as dSTORM and the commonly used rapidSTORM scheme, computational precision limits the acceptable density of concurrently active fluorophores to 0.6 per square micrometer and that the number of successfully localized fluorophores per frame is limited to 0.2 per square micrometer. Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-85936 ER - TY - JOUR A1 - Wondergem, Marielle J. A1 - Herrmann, Ken A1 - Syrbu, Sergei A1 - Zijlstra, Josée M. A1 - Hoetjes, Nikie A1 - Hoekstra, Otto S. A1 - Cillessen, Saskia A. G. M. A1 - Moesbergen, Laura M. A1 - Buck, Andreas K. A1 - Vose, Julie M. A1 - Juweid, Malik E. T1 - 18 F-fluorothymidine uptake in follicular lymphoma and error-prone DNA repair JF - EJNMMI Research N2 - BACKGROUND: We observed a disproportional 18 F-fluorothymidine (F-FLT) uptake in follicular lymphoma (FL) relative to its low cell proliferation. We tested the hypothesis that the 'excess' uptake of 18 F-FLT in FL is related to error-prone DNA repair and investigated whether this also contributes to 18 F-FLT uptake in diffuse large B cell lymphoma (DLBCL). METHODS: We performed immunohistochemical stainings to assess the pure DNA replication marker MIB-1 as well as markers of both DNA replication and repair like PCNA, TK-1 and RPA1 on lymph node biopsies of 27 FLs and 35 DLBCLs. In 7 FL and 15 DLBCL patients, 18 F-FLT-PET had been performed. RESULTS: 18 F-FLT uptake was lower in FL than in DLBCL (median SUVmax 5.7 vs. 8.9, p = 0,004), but the ratio of 18 F-FLT-SUVmax to percentage of MIB-1 positive cells was significantly higher in FL compared with DLBCL (p = 0.001). The median percentage of MIB-1 positive cells was 10% (range, 10% to 20%) in FL and 70% (40% to 80%) in DLBCL. In contrast, the median percentages of PCNA, TK-1 and RPA1 positive cells were 90% (range, 80 to 100), 90% (80 to 100) and 100% (80 to 100) in FL versus 90% (60 to 100), 90% (60 to 100) and 100% (80 to 100) in DLBCL, respectively. CONCLUSIONS: This is the first demonstration of a striking discordance between 18 F-FLT uptake in FL and tumour cell proliferation. High expression of DNA replication and repair markers compared with the pure proliferation marker MIB-1 in FL suggests that this discordance might be due to error-prone DNA repair. While DNA repair-related 18 F-FLT uptake considerably contributes to 18 F-FLT uptake in FL, its contribution to 18 F-FLT uptake in highly proliferative DLBCL is small. This apparently high contribution of DNA repair to the 18 F-FLT signal in FL may hamper studies where 18 F-FLT is used to assess response to cytostatic therapy or to distinguish between FL and transformed lymphoma. KW - 18-F-fluorothymidine uptake KW - positron emission tomography KW - follicular lymphoma KW - non-Hodgkin's lymphoma KW - DNA repair Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-121233 VL - 4 ER - TY - JOUR A1 - Wong, Alex H. K. A1 - Pittig, Andre T1 - A dimensional measure of safety behavior: A non-dichotomous assessment of costly avoidance in human fear conditioning JF - Psychological Research N2 - Safety behavior prevents the occurrence of threat, thus it is typically considered adaptive. However, safety behavior in anxiety-related disorders is often costly, and persists even the situation does not entail realistic threat. Individuals can engage in safety behavior to varying extents, however, these behaviors are typically measured dichotomously (i.e., to execute or not). To better understand the nuances of safety behavior, this study developed a dimensional measure of safety behavior that had a negative linear relationship with the admission of an aversive outcome. In two experiments, a Reward group receiving fixed or individually calibrated incentives competing with safety behavior showed reduced safety behavior than a Control group receiving no incentives. This allowed extinction learning to a previously learnt warning signal in the Reward group (i.e., updating the belief that this stimulus no longer signals threat). Despite the Reward group exhibited extinction learning, both groups showed a similar increase in fear to the warning signal once safety behavior was no longer available. This null group difference was due to some participants in the Reward group not incentivized enough to disengage from safety behavior. Dimensional assessment revealed a dissociation between low fear but substantial safety behavior to a safety signal in the Control group. This suggests that low-cost safety behavior does not accurately reflect the fear-driven processes, but also other non-fear-driven processes, such as cost (i.e., engage in safety behavior merely because it bears little to no cost). Pinpointing both processes is important for furthering the understanding of safety behavior. KW - safety behavior KW - anxiety KW - threat Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-267688 SN - 1430-2772 VL - 86 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Wong, Amanda T1 - Implications of Advanced Glycation Endproducts in Oxidative Stress and Neurodegenerative Disorders T1 - Verbindungen zwischen Oxidativen Stress und Advanced Glycation Endproducts in der Neurodegeneration N2 - The reactions of reducing sugars with primary amino groups are the most common nonenzymatic modifications of proteins. Subsequent rearrangements, oxidations, and dehydrations yield a heterogeneous group of mostly colored and fluorescent compounds, termed "Maillard products" or advanced glycation end products (AGEs). AGE formation has been observed on long-lived proteins such as collagen, eye lens crystalline, and in pathological protein deposits in Alzheimer's (AD) and Parkinson's disease (PD) and dialysis-related amyloidosis. AGE-modified proteins are also involved in the complications of diabetes. AGEs accumulate in the the ß-amyloid plaques and neurofibrillary tangles (NFT) associated with AD and in the Lewy bodies characteristic of PD. Increasing evidence supports a role for oxidative stress in neurodegenerative disorders such as AD and PD. AGEs have been shown to contribute towards oxidative damage and chronic inflammation, whereby activated microglia secrete cytokines and free radicals, including nitric oxide (NO). Roles proposed for NO in the pathophysiology of the central nervous system are increasingly diverse and range from intercellular signaling, through necrosis of cells and invading pathogens, to the involvement of NO in apoptosis. Using in vitro experiments, it was shown that AGE-modified bovine serum albumin (BSA-AGE) and AGE-modified ß-amyloid, but not their unmodified proteins, induce NO production in N-11 murine microglia cells. This was mediated by the receptor for AGEs (RAGE) and upregulation of the inducible nitric oxide synthase (iNOS). AGE-induced enzyme activation and NO production could be blocked by intracellular-acting antioxidants: Ginkgo biloba special extract EGb 761, the estrogen derivative, 17ß-estradiol, R-(+)-thioctic acid, and a nitrone-based free radical trap, N-tert.-butyl-*-phenylnitrone (PBN). Methylglyoxal (MG) and 3-deoxyglucosone (3-DG), common precursors in the Maillard reaction, were also tested for their ability to induce the production of NO in N-11 microglia. However, no significant changes in nitrite levels were detected in the cell culture medium. The significance of these findings was supported by in vivo immunostaining of AD brains. Single and double immunostaining of cryostat sections of normal aged and AD brains was performed with polyclonal antibodies to AGEs and iNOS and monoclonal antibodies to Aß and PHF-1 (marker for NFT) and reactive microglia. In aged normal individuals as well as early stage AD brains (i.e. no pathological findings in isocortical areas), a few astrocytes showed co-localisation of AGE and iNOS in the upper neuronal layers of the temporal (Area 22) and entorhinal (Area 28, 34) cortices compared with no astrocytes detected in young controls. In late AD brains, there was a much denser accumulation of astrocytes co-localised with AGE and iNOS in the deeper and particularly upper neuronal layers. Also, numerous neurons with diffuse AGE but not iNOS reactivity and some AGE and iNOS-positive microglia were demonstrated, compared with only a few AGE-reactive neurons and no microglia in controls. Finally, astrocytes co-localised with AGE and iNOS as well as AGE and ß-amyloid were found surrounding mature but not diffuse ß-amyloid plaques in the AD brain. Parts of NFT were AGE-immunoreactive. Immunohistochemical staining of cryostat sections of normal aged and PD brains was performed with polyclonal antibodies to AGEs. The sections were counterstained with monoclonal antibodies to neurofilament components and a-synuclein. AGEs and a-synuclein were colocalized in very early Lewy bodies in the substantia nigra of cases with incidental Lewy body disease. These results support an AGE-induced oxidative damage due to the action of free radicals, such as NO, occurring in the AD and PD brains. Furthermore, the involvement of astrocytes and microglia in this pathological process was confirmed immunohistochemically in the AD brain. It is suggested that oxidative stress and AGEs participate in the very early steps of Lewy body formation and resulting cell death in PD. Since the iNOS gene can be regulated by redox-sensitive transcription factors, the use of membrane permeable antioxidants could be a promising strategy for the treatment and prevention of chronic inflammation in neurodegenerative disorders. N2 - Die Glykierung oder Maillard-Reaktion ist neben der oxidativen Modifikation die bekannteste nicht-enzymatische posttranslationale Modifikation von Proteinen. Glykierung startet mit der Reaktion von reduzierenden Zuckern mit primären Aminogruppen. Nachfolgenden Umlagerungen, Oxidationen und Dehydra- tionen führen zu einer heterogenen Gruppe von farbigen und fluoreszierenden Verbindungen, den sogenannten "Maillard products" oder "advanced glycation end products" (AGEs). Diese Vorgänge werden besonders an langlebigen Proteinen wie Kollagen und Kristallin der Augenlinsen sowie in pathologischen Proteinab- lagerungen bei der Alzheimer-Demenz (AD), der Parkinson-Krankheit (PD) und bei Hämodialyse beobachtet. AGE-modifizierte Proteine sind auch aktiv beteiligt an den Spätkomplikationen des Diabetes mellitus. AGEs reichern sich im Alzheimer Gehirn in den ß-Amyloid-Plaques und den neurofibrillären Bündeln (tangles, NFT), sowie in den für PD charakteristisch- en Lewi-Körpern an. Immer mehr Befunde belegen die Rolle von oxidativem Stress in neurodegenerativen Erkrankungen wie AD und PD. Es konnte gezeigt werden, dass AGEs an oxidativer Schädigung und chronischer Entzündung Anteil haben, wobei aktivierte Mikroglia Cytokine und freie Radikale, inklusive Stickstoffmonoxid (NO) sezernieren. Vermutungen über die Rolle von NO in der Pathophysiologie des Zentralnervensystems gehen weit auseinander und reichen von interzellulärer Signalübertragung über nekrotischen Zelltod und eindringende pathogene Substanzen bis zur Beteiligung von NO an der Apoptose. In einem Zellkultur Modell konnte in vitro gezeigt werden, dass AGE- modifiziertes Albumin (BSA-AGE) und AGE-modifiziertes ß-Amyloid, aber nicht die unmodifizierten Proteine, die Synthese von NO in N-11 Maus-Mikrogliazellen induzieren. Diese wird möglicherweise vom Rezeptor für AGE (RAGE) und durch eine Steigerung der Expression der induzierbaren Stickstoffmonoxid-Synthase (iNOS) vermittelt. AGE-induzierte Enzymexpression und NO-Produktion konnten durch folgende intrazellulär wirkende Antioxidantien blockiert werden: Ginkgo biloba Spezialextrakt EGb 761, das Östrogenderivat 17ß-Estradiol, alpha- Liponsäure, und ein Radikalfänger, N-tert.-butyl-*-phenylnitrone (PBN). Neben AGEs wurden auch reaktive Dicarbonyle wie Methylglyoxal (MG) und 3- Deoxyglucosone (3-DG), Vorläufer der Maillard-Reaktion, auf ihre Fähigkeit untersucht, die Synthese von NO in N-11 Mikroglia zu induzieren. Es konnten jedoch keine Induktion der NO-Produktion festgestellt werden. Die Bedeutung dieser in vitro-Ergebnisse wurden durch in vivo Immunohisto- chemischen Untersuchungen an AD Gehirnen bestätigt. Einfache und doppelte Immunfärbungen wurden an Gefrierschnitten von normal gealterten Gehirnen und AD-Gehirnen mit polyklonalen Antikörpern gegen AGEs und iNOS und monoklonalen Antikörpern gegen Aß, PHF-1 (zur spezifischen Markierung der NFT) und reaktive Mikroglia angefertigt. Bei normal gealterten Personen sowie bei AD Erkrankten im Frühstadium (d.h. keine pathologischen Veränderungen in iso- kortikalen Gebieten) wiesen wenige Astrozyten eine Kolokalisation von AGE und iNOS in den oberen Neuronenschichten des temporalen (Area 22) und entorhinalen (Area 28, 34) Kortex auf. Im Vergleich dazu wurden keine Astrozyten in jungen Kontrollgehirnen gefunden. In fortgeschrittenen Alzheimergehirnen wurde eine viel dichtere Anreicherung von Astrozyten, kolokalisiert mit AGE und iNOS in den tieferen, und insbesondere in den oberen Neuronenschichten gefunden. Weiterhin konnten zahlreiche Neurone mit diffuser AGE-Reaktivität, aber ohne iNOS-Reaktivität, sowie einige AGE- und iNOS-positive Mikroglia gezeigt werden, im Vergleich zu nur wenigen AGE-reaktiven Neuronen und keinen Mikroglia in den Kontrollen. Schliesslich wurden in Astrozyten, die reife, aber nicht diffuse ß-Amyloid-Plaques im AD-Gehirn umlagern, AGE mit iNOS sowie mit ß-Amyloid kolokalisiert gefunden. Teile der NFT waren AGE-immunoreaktiv. Immunhistochemische Färbung an Gefrierschnitten von normal gealterten und PD- Gehirnen wurden mit polyklonalen Antikörpern gegen AGEs durchgeführt. Die Schnitte wurden mit monoklonalen Antikörpern gegen Neurofilamentkomponenten und a-Synuclein gegengefärbt. AGEs und a-Synuclein waren kolokalisiert in sehr frühen Lewi-Körpern der Substantia nigra in Gehirnen mit vorhandener Lewi-Körper-Demenz. Diese Ergebnisse unterstützen die These AGE-induzierter oxidativer Schädigung mittels freier Radikale wie z.B. NO in AD- und PD- Gehirnen. Ausserdem wurde die Beteiligung von Astrozyten und Mikroglia an diesem pathologischen Prozess immunhistochemisch im Alzheimergehirn bestätigt. Es liegt nahe, dass oxidativer Stress und AGEs an den sehr frühen Stufen der Lewi-Körper-Bildung und dem daraus resultierenden Zelltod in PD beteiligt sind. Da das iNOS-Gen durch redoxsensitive Transkriptionsfaktoren reguliert werden kann, könnte die Verwendung membranpermeabler Antioxidantien eine erfolgversprechende Strategie für die Behandlung und Prävention chronischer Entzündungen bei neurodegenera- tiven Erkrankungen darstellen. KW - Maillard-Reaktion KW - Alzheimer-Krankheit KW - Antioxidans KW - advanced glycation end products KW - Alzheimer Erkrankung KW - Antioxidantien KW - iNOS KW - advanced glycation end products KW - Alzheimer's disease KW - antioxidants KW - iNOS Y1 - 2001 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-2537 ER - TY - JOUR A1 - Wong, David A1 - Winter, Oliver A1 - Hartig, Christina A1 - Siebels, Svenja A1 - Szyska, Martin A1 - Tiburzy, Benjamin A1 - Meng, Lingzhang A1 - Kulkarni, Upasana A1 - Fähnrich, Anke A1 - Bommert, Kurt A1 - Bargou, Ralf A1 - Berek, Claudia A1 - Van, Trung Chu A1 - Bogen, Bjarne A1 - Jundt, Franziska A1 - Manz, Rudolf Armin T1 - Eosinophils and Megakaryocytes Support the Early Growth of Murine MOPC315 Myeloma Cells in Their Bone Marrow Niches JF - PLOS ONE N2 - Multiple myeloma is a bone marrow plasma cell tumor which is supported by the external growth factors APRIL and IL-6, among others. Recently, we identified eosinophils and megakaryocytes to be functional components of the micro-environmental niches of benign bone marrow plasma cells and to be important local sources of these cytokines. Here, we investigated whether eosinophils and megakaryocytes also support the growth of tumor plasma cells in the MOPC315. BM model for multiple myeloma. As it was shown for benign plasma cells and multiple myeloma cells, IL-6 and APRIL also supported MOPC315. BM cell growth in vitro, IL-5 had no effect. Depletion of eosinophils in vivo by IL-5 blockade led to a reduction of the early myeloma load. Consistent with this, myeloma growth in early stages was retarded in eosinophil-deficient Delta dblGATA-1 mice. Late myeloma stages were unaffected, possibly due to megakaryocytes compensating for the loss of eosinophils, since megakaryocytes were found to be in contact with myeloma cells in vivo and supported myeloma growth in vitro. We conclude that eosinophils and megakaryocytes in the niches for benign bone marrow plasma cells support the growth of malignant plasma cells. Further investigations are required to test whether perturbation of these niches represents a potential strategy for the treatment of multiple myeloma. KW - plasma cells KW - human multiple-myeloma KW - immune response KW - receptor expression KW - B-cells KW - stromal cells KW - dexamethasone KW - april KW - survival KW - Interleukin-5 Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-115269 VL - 9 IS - 10 ER - TY - THES A1 - Wongkaew, Suttida T1 - On the control through leadership of multi-agent systems T1 - Die Steuerung durch den Hauptagent von Multi-Agenten -Systemen N2 - The investigation of interacting multi-agent models is a new field of mathematical research with application to the study of behavior in groups of animals or community of people. One interesting feature of multi-agent systems is collective behavior. From the mathematical point of view, one of the challenging issues considering with these dynamical models is development of control mechanisms that are able to influence the time evolution of these systems. In this thesis, we focus on the study of controllability, stabilization and optimal control problems for multi-agent systems considering three models as follows: The first one is the Hegselmann Krause opinion formation (HK) model. The HK dynamics describes how individuals' opinions are changed by the interaction with others taking place in a bounded domain of confidence. The study of this model focuses on determining feedback controls in order to drive the agents' opinions to reach a desired agreement. The second model is the Heider social balance (HB) model. The HB dynamics explains the evolution of relationships in a social network. One purpose of studying this system is the construction of control function in oder to steer the relationship to reach a friendship state. The third model that we discuss is a flocking model describing collective motion observed in biological systems. The flocking model under consideration includes self-propelling, friction, attraction, repulsion, and alignment features. We investigate a control for steering the flocking system to track a desired trajectory. Common to all these systems is our strategy to add a leader agent that interacts with all other members of the system and includes the control mechanism. Our control through leadership approach is developed using classical theoretical control methods and a model predictive control (MPC) scheme. To apply the former method, for each model the stability of the corresponding linearized system near consensus is investigated. Further, local controllability is examined. However, only in the Hegselmann-Krause opinion formation model, the feedback control is determined in order to steer agents' opinions to globally converge to a desired agreement. The MPC approach is an optimal control strategy based on numerical optimization. To apply the MPC scheme, optimal control problems for each model are formulated where the objective functions are different depending on the desired objective of the problem. The first-oder necessary optimality conditions for each problem are presented. Moreover for the numerical treatment, a sequence of open-loop discrete optimality systems is solved by accurate Runge-Kutta schemes, and in the optimization procedure, a nonlinear conjugate gradient solver is implemented. Finally, numerical experiments are performed to investigate the properties of the multi-agent models and demonstrate the ability of the proposed control strategies to drive multi-agent systems to attain a desired consensus and to track a given trajectory. N2 - Die Untersuchung von interagierende Multiagent-Modellen ist ein neues mathematisches Forschungsfeld, das sich mit dem Gruppenverhalten von Tieren beziehungsweise Sozialverhalten von Menschen. Eine interessante Eigenschaft der Multiagentensysteme ist kollektives Verhalten. Eine der herausfordernden Themen, die sich mit diesen dynamischen Modellen befassen, ist in der mathematischen Sicht eine Entwicklung der Regelungsmechanismen, die die Zeitevolution dieser Systemen beeinflussen können. In der Doktorarbeit fokussieren wir uns hauptsächlich auf die Studie von Problemen der Steuerbarkeit, Stabilität und optimalen Regelung für Multiagentensysteme anhand drei Modellen wie folgt: Das erste ist die Hegselmann- Krause opinion formation Modell. Die HK-Dynamik beschreibt die Änderung der Meinungen von einzelnen Personen aufgrund der Interaktionen mit den Anderen. Die Studie dieses Model fokussiert auf bestimmte Regelungen, um die Meinungen der Agenten zu betreiben, damit eine gewünschte Zustimmung erreicht wird. Das zweite Model ist das Heider social balance (HB) Modell. Die HB-Dynamik beschreibt die Evolution von Beziehungen in einem sozialen Netzwerk. Ein Ziel der Untersuchung dieses Systems ist die Konstruktion der Regelungsfunktion um die Beziehungen zu steuern, damit eine Freundschaft erreicht wird. Das dritte Modell ist ein Schar-Modell, das in biologischen Systemen beobachteten kollektive Bewegung beschreibt. Das Schar-Model unter Berücksichtigung beinhaltet Selbstantrieb, Friktion, Attraktion Repulsion und Anpassungsfähigkeiten. Wir untersuchen einen Regler für die Steuerung des Schar-Systems, um eine gewünschte Trajektorie zu verfolgen. Üblich wie alle dieser Systeme soll laut unsere Strategie ein Hauptagent, der sich mit alle anderen Mitgliedern des Systems interagieren, hinzugefügt werden und das Regelungsmechanismus inkludiert werden. Unserer Regelung anhand dem Vorgehen mit Führungsverhalten ist unter Verwendung von klassischen theoretischen Regelungsmethode und ein Schema der modellpr ädiktiven Regelung entwickelt. Zur Ausführung der genannten Methode wird für jedes Modell die Stabilität der korrespondierenden Linearsystem in der Nähe von Konsensus untersucht. Ferner wird die lokale Regelbarkeit geprüft. Nur in dem Hegselmann-Krause opinion formation Modell. Der Regler wird so bestimmt, dass die Meinungen der Agenten gesteuert werden können. Dadurch konvergiert es global zu eine gewünschten Zustimmung. Die MPC-Vorgehensweise ist eine optimale Regelung Strategie, die auf numerische Optimierung basiert. Zu Verwendung des MPC-Shema werden die optimalen Regelungsproblemen für jedes Modell formuliert, wo sich die objektive Funktionen in Abhängigkeit von den gewünschten objective des Problems unterscheidet. Die erforderliche Optimalitätsbedingungen erster Ordnung für jedes Problem sind präsentiert. Auÿerdem für die numerische Prozess, eine Sequenz von offenen diskreten Optimalitätssystemen ist nach dem expliziten Runge-Kutta Schema gelöst. In dem Optimierungsverfahren ist ein nicht linear konjugierter Gradientlöser umgesetzt. Schlieÿlich sind numerische Experimenten in der Lage, die Eigenschaften der Multiagent-Modellen zu untersuchen und die Fähigkeiten der gezielten Regelstrategie zu beweisen. Die Strategie nutzt zu betreiben Multiagentensysteme, um einen gewünschten Konsensus zu erreichen und eine gegebene Trajektorie zu verfolgen. KW - Controllability KW - Optimal control problem KW - Multi-agent systems KW - Mehragentensystem KW - Optimale Kontrolle Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-120914 ER - TY - JOUR A1 - Woodcock, B. A. A1 - Garratt, M. P. D. A1 - Powney, G. D. A1 - Shaw, R. F. A1 - Osborne, J. L. A1 - Soroka, J. A1 - Lindström, S. A. M. A1 - Stanley, D. A1 - Ouvrard, P. A1 - Edwards, M. E. A1 - Jauker, F. A1 - McCracken, M. E. A1 - Zou, Y. A1 - Potts, S. G. A1 - Rundlöf, M. A1 - Noriega, J. A. A1 - Greenop, A. A1 - Smith, H. G. A1 - Bommarco, R. A1 - van der Werf, W. A1 - Stout, J. C. A1 - Steffan-Dewenter, I. A1 - Morandin, L. A1 - Bullock, J. M. A1 - Pywell, R. F. T1 - Meta-analysis reveals that pollinator functional diversity and abundance enhance crop pollination and yield JF - Nature Communications N2 - How insects promote crop pollination remains poorly understood in terms of the contribution of functional trait differences between species. We used meta-analyses to test for correlations between community abundance, species richness and functional trait metrics with oilseed rape yield, a globally important crop. While overall abundance is consistently important in predicting yield, functional divergence between species traits also showed a positive correlation. This result supports the complementarity hypothesis that pollination function is maintained by non-overlapping trait distributions. In artificially constructed communities (mesocosms), species richness is positively correlated with yield, although this effect is not seen under field conditions. As traits of the dominant species do not predict yield above that attributed to the effect of abundance alone, we find no evidence in support of the mass ratio hypothesis. Management practices increasing not just pollinator abundance, but also functional divergence, could benefit oilseed rape agriculture. KW - agroecology KW - agriculture KW - ecosystem services KW - environmental sciences Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-233787 VL - 10 ER - TY - JOUR A1 - Worku, Netsanet A1 - Stich, August A1 - Daugschies, Arwid A1 - Wenzel, Iris A1 - Kurz, Randy A1 - Thieme, Rene A1 - Kurz, Susanne A1 - Birkenmeier, Gerd T1 - Ethyl Pyruvate Emerges as a Safe and Fast Acting Agent against Trypanosoma brucei by Targeting Pyruvate Kinase Activity JF - PLoS ONE N2 - Background Human African Trypanosomiasis (HAT) also called sleeping sickness is an infectious disease in humans caused by an extracellular protozoan parasite. The disease, if left untreated, results in 100% mortality. Currently available drugs are full of severe drawbacks and fail to escape the fast development of trypanosoma resistance. Due to similarities in cell metabolism between cancerous tumors and trypanosoma cells, some of the current registered drugs against HAT have also been tested in cancer chemotherapy. Here we demonstrate for the first time that the simple ester, ethyl pyruvate, comprises such properties. Results The current study covers the efficacy and corresponding target evaluation of ethyl pyruvate on T. brucei cell lines using a combination of biochemical techniques including cell proliferation assays, enzyme kinetics, phasecontrast microscopic video imaging and ex vivo toxicity tests. We have shown that ethyl pyruvate effectively kills trypanosomes most probably by net ATP depletion through inhibition of pyruvate kinase (Ki = 3.0\(\pm\)0.29 mM). The potential of ethyl pyruvate as a trypanocidal compound is also strengthened by its fast acting property, killing cells within three hours post exposure. This has been demonstrated using video imaging of live cells as well as concentration and time dependency experiments. Most importantly, ethyl pyruvate produces minimal side effects in human red cells and is known to easily cross the blood-brain-barrier. This makes it a promising candidate for effective treatment of the two clinical stages of sleeping sickness. Trypanosome drug-resistance tests indicate irreversible cell death and a low incidence of resistance development under experimental conditions. Conclusion Our results present ethyl pyruvate as a safe and fast acting trypanocidal compound and show that it inhibits the enzyme pyruvate kinase. Competitive inhibition of this enzyme was found to cause ATP depletion and cell death. Due to its ability to easily cross the blood-brain-barrier, ethyl pyruvate could be considered as new candidate agent to treat the hemo-lymphatic as well as neurological stages of sleeping sickness. KW - human african trypanosomiasis KW - glycolysis KW - transport KW - protein KW - cruzi KW - chemotherapy KW - metabolism KW - in vitro KW - drugs KW - sleeping sickness Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150002 VL - 10 IS - 9 ER - TY - THES A1 - Worschech, Andrea T1 - Oncolytic Therapy with Vaccinia Virus GLV-1h68 - Comparative Microarray Analysis of Infected Xenografts and Human Tumor Cell Lines - T1 - Onkolytische Therapy mit Vaccinia Virus GLV-1h68 - Vergleichende Mikroarray Analyse von infizierten Xenografts und humanen Tumorzelllinien - N2 - Aim of this thesis was to study the contribution of the hosts immune system during tumor regression. A wild-type rejection model was studied in which tumor regression is mediated through an adaptive, T cell host response (Research article 1). Additionally, the relationship between VACV infection and cancer rejection was assessed by applying organism-specific microarray platforms to infected and non-infected xenografts. It could be shown that tumor rejection in this nude mouse model was orchestrated solely by the hosts innate immune system without help of the adaptive immunity. In a third study the inflammatory baseline status of 75 human cancer cell lines was tested in vitro which was correlated with the susceptibility to VACV and Adenovirus 5 (Ad5) replication of the respective cell line (Manuscript for Research article 3). Although xenografts by themselves lack the ability to signal danger and do not provide sufficient proinflammatory signals to induce acute inflammation, the presence of viral replication in the oncolytic xenograft model provides the "tissue-specific trigger" that activates the immune response and in concordance with the hypothesis, the ICR is activated when chronic inflammation is switched into an acute one. Thus, in conditions in which a switch from a chronic to an acute inflammatory process can be induced by other factors like the immune-stimulation induced by the presence of a virus in the target tissue, adaptive immune responses may not be necessary and immune-mediated rejection can occur without the assistance of T or B cells. However, in the regression study using neu expressing MMC in absence of a stimulus such as a virus and infected cancer cells thereafter, adaptive immunity is needed to provoke the switch into an acute inflammation and initiate tissue rejection. Taken together, this work is supportive of the hypothesis that the mechanisms prompting TSD differ among immune pathologies but the effect phase converges and central molecules can be detected over and over every time TSD occurs. It could be shown that in presence of a trigger such as infection with VACV and functional danger signaling pathways of the infected tumor cells, innate immunity is sufficient to orchestrate rejection of manifested tumors. N2 - Ziel dieser Arbeit war, die Beteiligung des Wirts-eigenen Immunsystems bei der Tumoregression zu analysieren. Mittels eines Wildtyp-Regressionsmodells, wurde der Anteil des adaptiven Immunsystems studiert (Research-Artikel 1). Mit Hilfe von Organismus-spezifischen Mikroarrays und Genexpressionsanalysen konnte in einem Nacktmausmodell gezeigt werden, dass erfolgreiche, durch onkolytische VACV-vermittelte Tumortherapie auch ohne Beteiligung des adaptiven Immunsystems möglich ist (Research Artikel 2). In einer dritten Studie wurden 75 humane Tumorzelllinien auf ihren intrinsischen Entzündungsstatus hin getestet und bezüglich eines Zusammenhanges von diesem mit der Replikationsfähigkeit von VACV und Adenovirus 5 (Ad5) analysiert (Manuskript für den Research-Artikel 3). Obwohl Xenografts allein kein ausreichendes „Gefahrsignal“ geben und durch das Fehlen einer pro-inflammatorischen Stimulierung keine akute Entzündung verursachen können, ist die Infektion mit onkolytischem VACV ausreichend, um den Gewebe-spezifischen „Trigger“ darzustellen. In diesem Fall wird die Immunantwort aktiviert und nach der Hypothese des „Immunologic Constant of Rejection“ (ICR) geschieht dies, wenn eine chronische in eine akute Inflammation verändert wird. In dem beschriebenen onkolytischen Regressionsmodell ist die Präsenz des Virus ausreichend, um das Immunsystem zu aktivieren, d.h. die chronische Entzündung im Tumor in eine akute umzuwandeln. Dabei ist die adaptive Immunität mit T- und B-Zell-Aktivierung nicht notwendig für die Rückbildung des Tumors. In Abwesenheit eines solchen Stimulus, wie in der ersten Studie mit neu-exprimierenden MMCs, wird die Spezifität der adaptiven Immunantwort benötigt, um die akute Inflammation anzustoßen und die Tumorregression voranzutreiben. Zusammengefasst unterstützt diese Arbeit die Hypothese, dass die Mechanismen, die zu „tissue specific destruction“ (TSD) führen, in verschiedenen immunologischen Erkrankungen zwar divergieren, der Effektor-Mechanismus aber stets der Gleiche ist. Es zeigte sich, dass in Anwesenheit eines „triggers“, wie z.B. der VACV-Infektion und intakten „danger signaling pathways“ der Tumorzellen, die angeborene Immunität allein ausreicht, um die Tumorrückbildung zu vermitteln. KW - Tumorimmunologie KW - Tumor KW - Vaccinia-Virus KW - Interferon KW - Interferon Regulator Faktor 1 KW - Tumorregression KW - HT-29 KW - GI-101A KW - tissue-specific destruction Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-45338 ER - TY - JOUR A1 - Wortmann-Saleh, D. A1 - Engels, Bernd A1 - Peyerimhoff, S. D. T1 - Theoretical Study of the Reaction O(\(^3\)P) + C\(_2\)H\(_4\) and comparison with the \(^3\)CH\(_3\) + C\(_2\)H\(_4\) Reaction N2 - The minimum energy path for the reaction O(\(^3\)P\(_g\)) + C\(_2\)H\(_4\)(\(^1\)A\(_g\)) has been calculated by optimizing all relevant geometrical parameters along the approach of oxygen to ethene. A barrier of 4.7 kcal/mol in the \(^3\)A"( ... 9a'\(^2\)- 10a'3a") potential energy surface and an energy difference of 14.4 kcal/mol between the product and the fragments is found at the multireference-configuration interaction level. The corresponding values at the lower-level treatment CASSCF are 9 kcal/mol for the barrier and 9 kcal/mol for the depth of the potential; this shows the importance of inclusion of electron correlation. The barrier for CH\(_2\) rotation for the lowestenergy structure (asymmetric OC\(_2\)H\(_4\)) is around 5 kcal/mol. The energy gap to the first excited state \(^3\)A'( ... 9a'l0a'3a'12) is found tobe 3.6 kcal/mol in MRD-CI calculations at the ground-state minimum. Comparison with \(^3\)CH\(_2\) + C\(_2\)H\(_4\) shows that in this system the lowest-energy surface is \(^3\)A', i.e., the state which is the excited state in 0 + C\(_2\)H\(_4\). This difference in energy ordering of \(^3\)A' and \(^3\)A" states results from the fact that the p\(_x\), p\(_y\), p\(_z\) degeneracy of oxygen orbitals is lifted in \(^3\)CH\(_2\)leading to b\(_1\), b\(_2\). and a\(_1\) MOs whereby the lowest b\(_2\) (a") remains doubly occupied; as a consequence, the reaction pattem between the oxygen and \(^3\)CH\(_2\) approach is different, which is also quite apparent in the calculated charge transfer. KW - Organische Chemie Y1 - 1994 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59076 ER - TY - JOUR A1 - Woznicki, Piotr A1 - Laqua, Fabian A1 - Bley, Thorsten A1 - Baeßler, Bettina T1 - AutoRadiomics: a framework for reproducible radiomics research JF - Frontiers in Radiology N2 - Purpose Machine learning based on radiomics features has seen huge success in a variety of clinical applications. However, the need for standardization and reproducibility has been increasingly recognized as a necessary step for future clinical translation. We developed a novel, intuitive open-source framework to facilitate all data analysis steps of a radiomics workflow in an easy and reproducible manner and evaluated it by reproducing classification results in eight available open-source datasets from different clinical entities. Methods The framework performs image preprocessing, feature extraction, feature selection, modeling, and model evaluation, and can automatically choose the optimal parameters for a given task. All analysis steps can be reproduced with a web application, which offers an interactive user interface and does not require programming skills. We evaluated our method in seven different clinical applications using eight public datasets: six datasets from the recently published WORC database, and two prostate MRI datasets—Prostate MRI and Ultrasound With Pathology and Coordinates of Tracked Biopsy (Prostate-UCLA) and PROSTATEx. Results In the analyzed datasets, AutoRadiomics successfully created and optimized models using radiomics features. For WORC datasets, we achieved AUCs ranging from 0.56 for lung melanoma metastases detection to 0.93 for liposarcoma detection and thereby managed to replicate the previously reported results. No significant overfitting between training and test sets was observed. For the prostate cancer detection task, results were better in the PROSTATEx dataset (AUC = 0.73 for prostate and 0.72 for lesion mask) than in the Prostate-UCLA dataset (AUC 0.61 for prostate and 0.65 for lesion mask), with external validation results varying from AUC = 0.51 to AUC = 0.77. Conclusion AutoRadiomics is a robust tool for radiomic studies, which can be used as a comprehensive solution, one of the analysis steps, or an exploratory tool. Its wide applicability was confirmed by the results obtained in the diverse analyzed datasets. The framework, as well as code for this analysis, are publicly available under https://github.com/pwoznicki/AutoRadiomics. KW - radiomics KW - radiology KW - machine learning KW - reproducibility KW - workflow KW - image analysis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-284813 SN - 2673-8740 VL - 2 ER - TY - JOUR A1 - Woznicki, Piotr A1 - Laqua, Fabian Christopher A1 - Al-Haj, Adam A1 - Bley, Thorsten A1 - Baeßler, Bettina T1 - Addressing challenges in radiomics research: systematic review and repository of open-access cancer imaging datasets JF - Insights into Imaging N2 - Objectives Open-access cancer imaging datasets have become integral for evaluating novel AI approaches in radiology. However, their use in quantitative analysis with radiomics features presents unique challenges, such as incomplete documentation, low visibility, non-uniform data formats, data inhomogeneity, and complex preprocessing. These issues may cause problems with reproducibility and standardization in radiomics studies. Methods We systematically reviewed imaging datasets with public copyright licenses, published up to March 2023 across four large online cancer imaging archives. We included only datasets with tomographic images (CT, MRI, or PET), segmentations, and clinical annotations, specifically identifying those suitable for radiomics research. Reproducible preprocessing and feature extraction were performed for each dataset to enable their easy reuse. Results We discovered 29 datasets with corresponding segmentations and labels in the form of health outcomes, tumor pathology, staging, imaging-based scores, genetic markers, or repeated imaging. We compiled a repository encompassing 10,354 patients and 49,515 scans. Of the 29 datasets, 15 were licensed under Creative Commons licenses, allowing both non-commercial and commercial usage and redistribution, while others featured custom or restricted licenses. Studies spanned from the early 1990s to 2021, with the majority concluding after 2013. Seven different formats were used for the imaging data. Preprocessing and feature extraction were successfully performed for each dataset. Conclusion RadiomicsHub is a comprehensive public repository with radiomics features derived from a systematic review of public cancer imaging datasets. By converting all datasets to a standardized format and ensuring reproducible and traceable processing, RadiomicsHub addresses key reproducibility and standardization challenges in radiomics. Critical relevance statement This study critically addresses the challenges associated with locating, preprocessing, and extracting quantitative features from open-access datasets, to facilitate more robust and reliable evaluations of radiomics models. Key points - Through a systematic review, we identified 29 cancer imaging datasets suitable for radiomics research. - A public repository with collection overview and radiomics features, encompassing 10,354 patients and 49,515 scans, was compiled. - Most datasets can be shared, used, and built upon freely under a Creative Commons license. - All 29 identified datasets have been converted into a common format to enable reproducible radiomics feature extraction. KW - radiomics KW - radiology KW - cancer imaging KW - machine learning KW - reproducibility of results Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-357936 SN - 1869-4101 VL - 14 ER - TY - JOUR A1 - Woźnicki, Piotr A1 - Laqua, Fabian Christopher A1 - Messmer, Katharina A1 - Kunz, Wolfgang Gerhard A1 - Stief, Christian A1 - Nörenberg, Dominik A1 - Schreier, Andrea A1 - Wójcik, Jan A1 - Ruebenthaler, Johannes A1 - Ingrisch, Michael A1 - Ricke, Jens A1 - Buchner, Alexander A1 - Schulz, Gerald Bastian A1 - Gresser, Eva T1 - Radiomics for the prediction of overall survival in patients with bladder cancer prior to radical cystectomy JF - Cancers N2 - (1) Background: To evaluate radiomics features as well as a combined model with clinical parameters for predicting overall survival in patients with bladder cancer (BCa). (2) Methods: This retrospective study included 301 BCa patients who received radical cystectomy (RC) and pelvic lymphadenectomy. Radiomics features were extracted from the regions of the primary tumor and pelvic lymph nodes as well as the peritumoral regions in preoperative CT scans. Cross-validation was performed in the training cohort, and a Cox regression model with an elastic net penalty was trained using radiomics features and clinical parameters. The models were evaluated with the time-dependent area under the ROC curve (AUC), Brier score and calibration curves. (3) Results: The median follow-up time was 56 months (95% CI: 48–74 months). In the follow-up period from 1 to 7 years after RC, radiomics models achieved comparable predictive performance to validated clinical parameters with an integrated AUC of 0.771 (95% CI: 0.657–0.869) compared to an integrated AUC of 0.761 (95% CI: 0.617–0.874) for the prediction of overall survival (p = 0.98). A combined clinical and radiomics model stratified patients into high-risk and low-risk groups with significantly different overall survival (p < 0.001). (4) Conclusions: Radiomics features based on preoperative CT scans have prognostic value in predicting overall survival before RC. Therefore, radiomics may guide early clinical decision-making. KW - bladder cancer KW - radical cystectomy KW - radiomics KW - outcome prediction Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-288098 SN - 2072-6694 VL - 14 IS - 18 ER -