TY  - THES
A1  - Gründler, Klaus
T1  - A Contribution to the Empirics of Economic Development - The Role of Technology, Inequality, and the State
T1  - Eine empirische Untersuchung der wirtschaftlichen Entwicklung - Die Rolle von Technologien, Ungleichheit und dem Staat
N2  - This dissertation contributes to the empirical analysis of economic development. The continuing poverty in many Sub-Saharan-African countries as well as the declining trend in growth in the advanced economies that was initiated around the turn of the millennium raises a number of new questions which have received little attention in recent empirical studies. Is culture a decisive factor for economic development? Do larger financial markets trigger positive stimuli with regard to incomes, or is the recent increase in their size in advanced economies detrimental to economic growth? What causes secular stagnation, i.e. the reduction in growth rates of the advanced economies observable over the past 20 years? What is the role of inequality in the growth process, and how do governmental attempts to equalize the income distribution affect economic development? And finally: Is the process of democratization accompanied by an increase in living standards? These are the central questions of this doctoral thesis. 

To facilitate the empirical analysis of the determinants of economic growth, this dissertation introduces a new method to compute classifications in the field of social sciences. The approach is based on mathematical algorithms of machine learning and pattern recognition. Whereas the construction of indices typically relies on arbitrary assumptions regarding the aggregation strategy of the underlying attributes, utilization of Support Vector Machines transfers the question of how to aggregate the individual components into a non-linear optimization problem.

Following a brief overview of the theoretical models of economic growth provided in the first chapter, the second chapter illustrates the importance of culture in explaining the differences in incomes across the globe. In particular, if inhabitants have a lower average degree of risk-aversion, the implementation of new technology proceeds much faster compared with countries with a lower tendency towards risk. However, this effect depends on the legal and political framework of the countries, their average level of education, and their stage of development.

The initial wealth of individuals is often not sufficient to cover the cost of investments in both education and new technologies. By providing loans, a developed financial sector may help to overcome this shortage. However, the investigations in the third chapter show that this mechanism is dependent on the development levels of the economies. In poor countries, growth of the financial sector leads to better education and higher investment levels. This effect diminishes along the development process, as intermediary activity is increasingly replaced by speculative transactions. Particularly in times of low technological innovation, an increasing financial sector has a negative impact on economic development. In fact, the world economy is currently in a phase of this kind. Since the turn of the millennium, growth rates in the advanced economies have experienced a multi-national decline, leading to an intense debate about "secular stagnation" initiated at the beginning of 2015. The fourth chapter deals with this phenomenon and shows that the growth potentials of new technologies have been gradually declining since the beginning of the 2000s.

If incomes are unequally distributed, some individuals can invest less in education and technological innovations, which is why the fifth chapter identifies an overall negative effect of inequality on growth. This influence, however, depends on the development level of countries. While the negative effect is strongly pronounced in poor economies with a low degree of equality of opportunity, this influence disappears during the development process. Accordingly, redistributive polices of governments exert a growth-promoting effect in developing countries, while in advanced economies, the fostering of equal opportunities is much more decisive.

The sixth chapter analyzes the growth effect of the political environment and shows that the ambiguity of earlier studies is mainly due to unsophisticated measurement of the degree of democratization. To solve this problem, the chapter introduces a new method based on mathematical algorithms of machine learning and pattern recognition. While the approach can be used for various classification problems in the field of social sciences, in this dissertation it is applied for the problem of democracy measurement. Based on different country examples, the chapter shows that the resulting SVMDI is superior to other indices in modeling the level of democracy. The subsequent empirical analysis emphasizes a significantly positive growth effect of democracy measured via SVMDI.
N2  - Die Dissertation beschäftigt sich mit der statistischen und empirischen Analyse der Determinanten langfristiger Wachstumsprozesse. Die anhaltende Armut vieler Staaten in Subsahara-Afrika sowie die rückläufigen Wachstumsraten der reichen Volkswirtschaften seit Beginn des neuen Jahrtausends werfen eine Reihe neuer Fragen auf, die bislang wenig empirisch erforscht sind. Ist die Kultur eines Landes entscheidend für die Entwicklung der Wohlfahrt? Kann ein entwickelter Finanzsektor Wohlstandssteigerungen auslösen, oder ist der starke Zuwachs der Finanzmärkte, der in den  Industrienationen beobachtet werden kann, schädlich für die Entwicklung? Warum wachsen reiche Volkswirtschaften heute so viel langsamer als noch vor 20 Jahren? Welchen Einfluss nimmt die zunehmende Einkommensungleichheit auf die wirtschaftliche Entwicklung und welchen Effekt haben staatliche Umverteilungsmaßnahmen? Und schließlich: Führen stärkere politische Rechte und mehr Demokratie zu einer Zunahme der Lebensstandards? Dies sind die zentralen Fragestellungen, denen sich die Kapitel dieser Doktorarbeit widmen. 

Um die Analyse der empirischen Ursachen der wirtschaftlichen Entwicklung zu erleichtern, leitet die Dissertation überdies ein neues Verfahren zur Lösung von Klassifikationsproblemen in den Sozialwissenschaften ab. Das Verfahren beruht auf mathematischen Algorithmen zur Mustererkennung und des maschinellen Lernens. Dies bietet neue Möglichkeiten für das Konstruieren von Indizes, die zumeist auf arbiträre Annahmen über die zugrundeliegende Aggregationsfunktion zurückgreifen. Das vorgestellte Verfahren löst dieses Problem, in dem die Aggregation durch Support Vector Machines in ein nicht-lineares Optimierungsproblem überführt wird.

Nach einem kurzen Überblick über die theoretischen Erklärungsansätze der wirtschaftlichen Entwicklung im ersten Kapitel zeigt das zweite Kapitel, dass kulturelle Unterschieden einen Einfluss auf die ökonomische Entwicklung ausüben. Die Ergebnisse implizieren, dass Länder mit einer geringeren Aversion gegen Risiken höhere Wachstumsraten aufweisen, da in diesen Ländern die Implementierung neuer Technologien schneller voranschreitet. Der Effekt ist allerdings abhängig von den rechtlichen und politischen Rahmenbedingungen der Länder, vom durchschnittlichen Bildungsniveau sowie vom Entwicklungsstand. 

In vielen Fällen reichen die Vermögen der Individuen nicht aus, um Investitionen in Bildung, Kapital und neue Technologien zu stemmen. Durch die Bereitstellung von Krediten kann ein entwickelter Finanzsektor diesen Engpass überwinden. Die Untersuchungen des dritten Kapitels zeigen allerdings, dass dieser Mechanismus abhängig ist von den Entwicklungsniveaus der Volkswirtschaften. In armen Ländern führt ein Anstieg des Finanzsektors zu besserer Bildung und höheren Investitionen. Dieser Effekt nimmt jedoch über den Entwicklungsprozess ab, da die Intermediationstätigkeit zunehmend durch spekulative Geschäfte ersetzt wird. Insbesondere in Zeiten mit geringen technologischen Neuerungen wirkt ein wachsender Finanzsektor negativ auf die ökonomische Entwicklung. Aktuell befindet sich die Weltökonomie in einer solchen Phase, was verbunden mit einem multinationalen Rückgang der Wachstumsraten seit Anfang 2015 als "säkulare Stagnation" diskutiert wird. Das vierte Kapitel befasst sich intensiv mit diesem Phänomen und zeigt, dass die gegenwärtigen Wachstumspotenziale neuer Technologien seit Beginn der 2000er Jahre zunehmend auslaufen. 

Sind die Einkommen ungleich verteilt, so können einige Individuen weniger Investitionen in Bildung und technologische Neuerungen durchführen. Tatsächlich weist das fünfte Kapitel auf einen insgesamt negativen Effekt der Ungleichheit auf das Wachstum hin. Dieser Einfluss ist allerdings abhängig vom Entwicklungsstand der Länder. Während der negative Effekt in armen Volkswirtschaften mit einem geringen Maß an Chancengleichheit stark ausgeprägt ist, verschwindet dieser Einfluss mit zunehmendem Entwicklungsniveau. Entsprechend wirkt direkte staatliche Umverteilung vor allem in unterentwickelten Ländern wachstumsfördernd. In entwickelten Nationen ist hingegen die Schaffung von Chancengleichheit entscheidend. 

Das sechste Kapitel analysiert den Wachstumseffekt des politischen Umfelds und zeigt, dass die Ambivalenz früherer Studien auf die mangelhafte Abbildung des Demokratiegrades zurückzuführen ist. Zur Lösung dieses Problems wird ein neues Verfahren vorgeschlagen, das auf mathematischen Algorithmen des maschinellen Lernens basiert. Das Verfahren kann in verschiedenen Bereichen der Sozialwissenschaften eingesetzt werden und wird in der Arbeit zur Klassifikation des Demokratiegrades angewandt. Auf Basis verschiedener Länderbeispiele wird deutlich, dass der resultierende SVMDI anderen Indizes in der Modellierung des Demokratiegrades überlegen ist. Die anschließende empirische Analyse betont einen signifikant positiven Effekt des SVMDI auf das Wirtschaftswachstum.
N2  - Why are some nations rich and others poor? What are the sources of long-run economic development and growth? How can living standards be increased? In this book, Klaus Gründler empirically analyses these central economic questions and puts a particular emphasis on the role of technology, inequality, and political institutions. To substantiate his empirical studies, he introduces a new method to compute composite measures and indices that is based on mathematical algorithms from the field of machine learning.
KW  - Wirtschaftsentwicklung
KW  - Wirtschaftsstruktur
KW  - Sozioökonomisches System
KW  - Inequality
KW  - Economic Growth
KW  - Machine Learning
KW  - Empirical Economics
KW  - Ungleichheit
KW  - Wirtschaftswachstum
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Makroökonomie
KW  - Empirische Wirtschaftsforschung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-141520
SN  - 978-3-95826-072-6 (Print)
SN  - 978-3-95826-073-3 (Online)
N1  - Parallel erschienen als Druckausgabe in Würzburg University Press, 978-3-95826-072-6, 41,80 EUR.
PB  - Würzburg University Press
CY  - Würzburg
ET  - 1. Auflage
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TY  - THES
A1  - Popp, Michael
T1  - Mechanisms of platelet activation and receptor regulation in genetically modified mice
T1  - Mechanismen der Thrombozytenaktivierung und Rezeptorregulation in genetisch veränderten Mäusen
N2  - This work summarizes the results of studies on several major aspects of platelet activation and platelet receptor regulation. Therefore, this thesis is divided into four parts.
Platelet activation and aggregation at sites of vascular injury is critical to prevent excessive blood loss, but may also lead to life-threatening ischemic disease states, such as myocardial infarction and stroke. Agonist-induced elevation in cytosolic Ca2+ concentrations is essential for platelet activation in hemostasis and thrombosis. The principal route of Ca2+ influx in platelets is store-operated calcium entry (SOCE). The calcium sensor molecule stromal interaction molecule 1 (STIM1) regulates SOCE by activating the membrane calcium channel protein Orai1, but the exact mechanisms of this interaction are not fully understood. Using affinity chromatography to screen for STIM1 interacting proteins in platelets, bridging integrator 2 (BIN2), an adapter protein belonging to the family of BAR proteins that is mainly expressed in the hematopoietic system, was identified. Newly generated BIN2 KO mice were viable and fertile but their platelets displayed markedly impaired SOCE in response to thapsigargin (TG) as well as agonists acting on immunoreceptor tyrosine-based activation motif (ITAM) or G protein-coupled receptors. This SOCE defect resulted in impaired (hem)ITAM induced platelet activation, aggregate formation under flow and procoagulant activity. As a consequence, mice lacking BIN2 in platelets were protected from occlusive arterial thrombus formation and thrombo-inflammatory cerebral infarct progression in a model of experimental stroke. These results identify BIN2 as a critical regulator of platelet SOCE in thrombosis and thrombo-inflammatory disease.
Integrin αIIbβ3 plays a central role in the adhesion and aggregation of platelets. Integrin activation requires the transmission of a signal from the small cytoplasmic tails of the α or β
subunit to the large extracellular domains resulting in conformational changes of the extracellular domains to enable ligand binding. It was hypothesized that Hic-5 is a novel regulator of integrin αIIbβ3 activation in mice. As demonstrated in the second part of this thesis, lack of Hic-5 had no detectable effect on platelet integrin activation and function in vitro and in vivo under all tested conditions. These results indicate that Hic-5 is dispensable for integrin αIIbβ3 activation and consequently for arterial thrombosis and hemostasis in mice.
The Rho GTPase family members RhoA and Rac1 play major roles in platelet activation at sites of vascular injury. Little is known about possible redundant functions of these Rho GTPases in regulating platelet function. To investigate functional redundancies of RhoA and Rac1 in platelet production and function, mice with MK- and platelet-specific double- deficiencies in RhoA and Rac1 were generated. RhoA/Rac1 double-deficiency phenocopied the respective single knockouts without any additional effects in the double-knockout animals, demonstrating for the first time a functional non-redundancy of RhoA and Rac1 in platelet function.
Antibodies against platelet glycoproteins (GP) trigger platelet destruction in immune thrombocytopenia (ITP) by binding to Fcγ receptors (FcγRs) on immune cells. However, antibodies against the platelet collagen receptor GPVI exert powerful anti-thrombotic action in vivo by inducing ectodomain shedding of the receptor associated with a transient thrombocytopenia. As shown in the final part of this thesis, blockade or deficiency of the inhibitory FcγRIIB abolished sequestration of anti-GPVI opsonized platelets in the hepatic vasculature and GPVI shedding. This process was mediated by liver sinusoidal endothelial cells (LSEC), the major FcγRIIB expressing cell type in the body. Furthermore, LSEC FcγRIIB mediated hepatic platelet sequestration and contributed to thrombocytopenia in mice treated with antibodies against αIIbβ3, the major target antigen in human ITP. These results reveal a novel and unexpected function of hepatic FcγRIIB in the processing of antibody-opsonized platelets.
N2  - Diese Arbeit fasst Untersuchungen zu verschiedenen Aspekten der Aktivierung von Thrombozyten und deren Rezeptorregulation zusammen. Daher ist diese Doktorarbeit in vier Teile gegliedert.
Die Aktivierung und Aggregation von Thrombozyten nach einer Gefäßverletzung ist entscheidend, um einen übermäßigen Blutverlust zu vermeiden, kann aber auch zu lebensbedrohlichen ischämischen Erkrankungen, wie beispielsweise Myokardinfarkt und Schlaganfall, führen. Bei der Aktivierung der Thrombozyten kommt es zu einem Anstieg der zytosolischen Ca2+-Konzentration. Der Ca2+-Einstrom in die Thrombozyten erfolgt hauptsächlich durch den „store operated calcium entry“ (SOCE). Der Calciumsensor „stromal interaction molecule 1“ (STIM1) reguliert den SOCE indem er das Ionenkanal-bildende Protein Orai1 in der Plasmamembran aktiviert. Der genaue Mechanismus dieser Interaktion ist jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Durch den Einsatz von Affinitätschromatographie, um Interaktionspartner von STIM1 zu identifizieren, wurde „bridging integrator 2“ (BIN2) gefunden. BIN2 ist ein Adapterprotein, aus der Familie der BAR Proteine, welches hauptsächlich von Zellen des hämatopoetischen Systems exprimiert wird. BIN2-defiziente Mäuse sind lebensfähig und fruchtbar, aber ihre Thrombozyten zeigten einen deutlich verminderten SOCE. Diese Reduktion zeigte sich sowohl nach der Stimulation mit Thapsigargin, aber auch nach der Stimulation mit Agonisten, die „immunoreceptor tyrosine-based activation motif-“ (ITAM-) oder G-Protein gekoppelte Rezeptoren aktivieren. Der defekte SOCE führte zu verminderter (hem)ITAM-induzierter Thrombozytenaktivierung, reduzierter Thrombenbildung im Flusskammersystem und verminderter prokoagulanter Aktivität. Dies hatte zur Folge, dass Mäuse mit thrombozytenspezifischer BIN2-Defizienz vor arterieller Thrombose und, in einem Schlaganfallmodell, vor thrombo-inflammatorischer Infarktprogression geschützt sind. Diese Ergebnisse zeigen, dass BIN2 ein wichtiger Regulator des SOCE in Thrombozyten bei Thrombosen und thrombo-inflammatorischen Erkrankungen ist.
Das Integrin αIIbβ3 spielt bei der Adhäsion und Aggregation von Thrombozyten eine wichtige Rolle. Um das Integrin zu aktivieren, bedarf es einer Signalübertragung von den kleinen zytoplasmatischen Teilen der α und β Untereinheiten zu den großen extrazellulären Domänen, was zu deren Konformationsänderung führt und schließlich die Ligandenbindung ermöglicht. Es besteht die Hypothese, dass Hic-5 an der Regulation des Integrins αIIbβ3 in murinen Thrombozyten beteiligt ist. Wie im zweiten Teil dieser Arbeit gezeigt werden konnte, hat eine Hic-5 Defizienz jedoch weder in vitro noch in vivo Einfluss auf die Aktivierung und Funktion des Integrins αIIbβ3 in Thrombozyten. Diese Ergebnisse zeigen, dass Hic-5 für die Aktivierung des Integrins αIIbβ3 und folglich auch für die arterielle Thrombose und Hämostase in Mäusen entbehrlich ist.
Kleine GTPasen der Rho-Proteinfamilie, wie z.B. RhoA und Rac1 spielen bei der Thrombozytenaktivierung bei Gefäßverletzungen eine wichtige Rolle. Dennoch ist wenig über redundante Funktionen von RhoA und Rac1 bei der Steuerung der Thrombozytenfunktion bekannt. Um eine mögliche funktionelle Redundanz von RhoA und Rac1 zu untersuchen, wurden MK- und thrombozytenspezifische RhoA und Rac1 doppelt-defiziente Tiere gezüchtet. Die Thrombozyten der Tiere zeigten die Phänotypen einer RhoA- und Rac1-Defizienz, ohne dass weiter Effekte bemerkbar waren. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass es keine funktionelle Redundanz von RhoA und Rac1 bei der Regulation der Thrombozytenfunktion gibt.
Antikörper, die gegen Glykoproteine auf Thrombozyten gerichtet sind, führen bei einer Immunthrombozytopenie (ITP) durch die Bindung an Fcγ Rezeptoren auf Immunzellen, zu einer Zerstörung der Thrombozyten. Eine Ausnahme sind Antikörper gegen den Kollagenrezeptor GPVI der Thrombozyten. Hier führen diese Antikörper zu einem starken antithrombotischen Schutz in vivo, indem sie das sog. „Shedding“ der Ektodomäne des Rezeptors und nur eine vorübergehende Thrombozytopenie auslösen. Im letzten Teil dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sowohl die Blockade, also auch das vollständige Fehlen des inhibitorischen FcγRIIB, die Sequestrierung von anti-GPVI-opsonierten Thrombozyten und das Shedding von GPVI verhindert. Für diese Prozesse ist speziell der FcγRIIB auf „liver sinusoidal endothelial cells“ (LSEC) ursächlich. Ferner konnte gezeigt werden, dass FcγRIIB auf LSECs auch für die Sequestrierung von Thrombozyten und die Thrombozytopenie in Mäusen, die mit Antikörpern gegen αIIbβ3, dem Hauptantigen bei humaner ITP, behandelt wurden, verantwortlich ist. Diese Ergebnisse enthüllen eine neue und unerwartete Funktion des hepatischen FcγRIIB bei der Reaktion auf Antikörper-opsonierte Thrombozyten.
KW  - Hämostase
KW  - Maus
KW  - Thrombose
KW  - Thrombozyt
KW  - Schlaganfall
KW  - RhoGTPase
KW  - Hic-5
KW  - SOCE
KW  - GPVI
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-135494
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TY  - THES
A1  - Schartner, Christoph
T1  - The regulation of corticotropin releasing hormone receptor 1 gene expression and its role in panic disorder
T1  - Die Regulation der Corticotropin Releasing Hormon Rezeptor 1 Genexpression und ihre Rolle bei der Panikstörung
N2  - Panic Disorder (PD) is characterized by unexpected, recurrent panic attacks, which are not restricted to certain situations, medication or stimuli. Like other anxiety disorders, PD is a multifactorial disorder and develops through the interaction of genetic and environmental risk factors. Despite an estimated heritability of up to 48%, no distinct genetic mechanism could be revealed yet. A dysregulation of the stress response has been shown in patients with PD and several studies could find an association of components of the corticotropin-releasing factor (CRF) system with PD. The corticotropin releasing hormone receptor 1 (CRHR1) is the main receptor of CRF in the brain and thus a crucial regulator of cerebral CRF signaling. Recent genetic studies found an association of certain CRHR1 single nucleotide polymorphisms (SNPs) with PD and other anxiety disorders. Among the associated CRHR1 SNPs, rs17689918 showed further evidence in a multilevel study regulating CRHR1 gene expression in panic-relevant brain regions and affecting brain activation in fMRI experiments, as well as flight behavior in a behavioral avoidance task (Weber et al, 2015). Here, we aimed to investigate the underlying neurogenetic and neurobiological mechanisms, by which the rs17689918 risk allele affects CRHR1 gene expression and receptor function, and its putative function in the pathophysiology of PD.
Due to its intronic position and the predicted change of splicing regulatory elements by the risk allele of rs17689918, the expression of alternative spliced CRHR1 isoforms was investigated using quantitative real-time PCR (qPCR) in a human post-mortem brain tissue sample. Of eight known CRHR1 isoforms, expression of three CRHR1 isoforms and the CRHR1-IT1-CRHR1 readthrough transcript variant 5 – all expressing the seven transmembrane domains needed for functional receptors – was analyzed. Subsequently, electrophysiological assays were developed to measure the receptor activity of differentially expressed CRHR1 isoforms via co-expressed Kir2.3 potassium channels in vitro. In a second approach, possible epigenetic regulation of CRHR1 expression by rs17689918 was investigated by analyses of DNA methylation patterns of a CpG Island within the CRHR1 promoter region, firstly in a case-control sample for PD and secondly in a healthy control sample, separated in high and low anxious individuals. To investigate a possible gene × epigene × environment interaction, the impact of early life stress by means of childhood trauma was evaluated via the childhood trauma questionnaire (CTQ). Finally, consequences of differential DNA methylation of the CRHR1 promoter region on gene expression were investigated by luciferase-based reporter gene assays in vitro.
The expression of CRHR1β was significantly decreased in amygdalae and midbrains of risk allele carriers. The expression of CRHR1-IT1-CRHR1 readthrough transcript variant 5 was significantly increased in forebrains and midbrains of risk allele carriers. All other analyzed isoforms showed no differences in expression between non-risk and risk allele carriers of rs17689918. The electrophysiological recordings of membrane potential showed an activation of Kir2.3 channels by CRHR1β in contrast to an inconsistent mix of activation and inhibition of Kir2.3 by the main isoform CRHR1α. DNA methylation of the CRHR1 promoter region was significantly reduced in panic disorder patients, as well as in high anxious individuals of an independent healthy control sample, but no direct relation to the rs17689918 risk allele could be discerned. However, the combination of carrying the risk allele, low DNA methylation and high CTQ scores lead to increased sum scores in the Beck Anxiety Inventory (BAI) in healthy individuals. Functional analyses revealed an activation of gene expression by decreased DNA methylation of the promoter region in vitro.
Our results revealed that rs17689918 regulates CRHR1 function by increasing the expression of alternative transcript variants with altered function. Our analyses of DNA methylation revealed decreased methylation as a new risk factor for panic disorder and high anxious behavior, which in combination with other risk factors like childhood trauma and the rs17689918 risk allele might further increase cognitive and somatic anxiety symptoms. This supports the role of CRHR1 as a plasticity gene of anxiety behavior, i.e. a gene that is highly regulated by epigenetic or post-transcriptional mechanisms in response to environmental stressors. By its role in CRF signaling, the dysregulation of CRHR1 might extensively affect the stress response and contribute to the pathophysiology of stress-related disorders like PD. The understanding of the underlying mechanisms, especially the genetic and epigenetic regulation, would however enhance CRHR1 as a target of improved future therapeutics for PD and other anxiety disorders.
N2  - Die Panikstörung manifestiert sich durch unerwartete, wiederkehrende Panikattacken, welche sich nicht auf bestimmte Situationen, Medikationen oder Stimuli zurückführen lassen. Bei der Panikstörung handelt es sich, wie bei allen psychischen Erkrankungen, um eine sogenannte multifaktorielle Erkrankung, d.h. sie entwickelt sich aus einem Zusammenspiel von genetischen Faktoren und Umweltfaktoren. Trotz einer geschätzten Heritabilität von bis zu 48% ist bisher kein eindeutiger genetischer Mechanismus bekannt, der zur Entwicklung einer Panikstörung führt. Mehrere Studien konnten eine Fehlregulation der Stressantwort bei Patienten mit Panikstörung feststellen. Dabei konnten mehrfach Polymorphismen in Genen des Corticotropin-Releasing Faktor (CRF) Systems mit Panikstörung assoziiert werden. Insbesondere der Hauptrezeptor von CRF im Gehirn, der Corticotropin Releasing Hormon Rezeptor 1 (CRHR1), konnte in mehreren Studien mit Panikstörung und anderen Angsterkrankungen assoziiert werden. In einer kürzlich erschienenen Studie wurde gezeigt, dass der CRHR1 Einzelnukleotid-Polymorphismus rs17689918 die Genexpression von CRHR1 in Gehirnregionen reguliert, die auch in Angsterkrankungen eine Schlüsselrolle spielen. Zusätzlich zeigten Risikoallelträger eine veränderte Gehirnaktivierung in fMRT Experimenten und ein verändertes Fluchtverhalten in einem Verhaltenstest (Weber et al, 2015). In der vorliegenden Studie wurden die zugrundeliegenden neurogenetischen und neurobiologischen Mechanismen untersucht, anhand derer das Risikoallel von rs17689918 die CRHR1 Genexpression und Rezeptorfunktion beeinflusst, und welche Rolle diese in der Pathophysiologie der Panikstörung spielen.
Aufgrund der Position von rs17689918 im Intron von CRHR1 und der in silico berechneten Änderung der Erkennungssequenz für Spleißregulatoren durch das Risikoallel von rs17689918 wurde die Expression alternativer Spleißformen von CRHR1 mittels quantitativer real-time PCR in humanen post-mortem Gehirnproben analysiert. Insgesamt wurde die Expression von vier CRHR1 Isoformen und die Expression der CRHR1-IT1-CRHR1 readthrough Transkriptvariante 5 analysiert. Für funktionelle Analysen wurden elektrophysiologische Assays entwickelt, um durch die Messung der Aktivität von ko-exprimierten Kir2.3 Kaliumkanälen die Rezeptoraktivität der CRHR1 Isoformen in vitro bestimmen zu können. Zusätzlich wurde eine mögliche epigenetische Regulation der CRHR1 Genexpression durch rs17689918 untersucht. Hierfür wurden DNA Methylierungsmuster eines Abschnittes einer CpG-Insel im Promoterbereich des CRHR1 Gens in einer Fall-Kontroll-Stichprobe für Panikstörung und einer weiteren gesunden Kontrollstichprobe – unterteilt in eine hoch-ängstliche und eine niedrig-ängstliche Gruppe – analysiert. Um mögliche Gen-Epigen-Umweltinteraktionen zu untersuchen, wurde zusätzlich der Einfluss belastender Lebensereignisse in frühen Lebensabschnitten mittels dem Childhood Trauma Questionnaire (CTQ) erfasst. Die Funktionalität von differenziell methylierten Abschnitten der CRHR1 Promoterregion wurde mittels Luziferase-basierten Reportergenassays in vitro untersucht.
Die Ergebnisse der Expressionsanalyse zeigen eine signifikant verminderte Expression der Isoform CRHR1β in Amygdala- und Mittelhirnproben von Risikoallelträgern. Gleichzeitig war CRHR1-IT1-CRHR1 Transkriptvariante 5 in Vorderhirn- und Mittelhirnproben von Risikoallelträgern signifikant höher exprimiert. Alle anderen Isoformen zeigten keinen Expressionsunterschied zwischen Risiko- und Nicht-Risikoallelträgern von rs17689918. Elektrophysiologische Messungen des Membranpotentials fanden eine Aktivierung der ko-exprimierten Kir2.3 Kanäle durch Isoform CRHR1β, im Gegensatz zu einer inkonsistenten Regulation aus Aktivierung und Inhibition der Kanäle durch die Hauptvariante CRHR1α. Patienten mit Panikstörung zeigten eine geringere DNA-Methylierung der CRHR1 Promoterregion im Vergleich zu gesunden Kontrollen. Gleichzeitig haben hoch-ängstliche gesunde Probanden eine geringere DNA Methylierung der CRHR1 Promoterregion als weniger ängstlichen Probanden. Allerdings konnte kein Einfluss von rs17689918 auf die DNA-Methylierung gefunden werden. Probanden mit einer Akkumulation von Risikofaktoren wie dem Risikoallel von rs17689918, geringer DNA-Methylierung und hohen CTQ-Werten erreichen außerdem höhere Summenwerte im BAI. Die funktionellen Analysen zeigten eine Aktivierung der Genexpression infolge einer geringen DNA-Methylierung der differenziell methylierten CpG-Stellen.
Die Ergebnisse zeigen, dass rs17689918 die Funktion von CRHR1 durch eine Verschiebung der Expression zu alternativen, weniger oder nicht-funktionellen Spleißvarianten steuert. Zusätzlich zeigen die Analysen, dass eine verringerte DNA-Methylierung der CRHR1 Promoterregion ein Risikofaktor für Panikstörung und erhöhtes Angstverhalten ist, welcher in Kombination mit weiteren Risikofaktoren wie Kindheitstraumata oder dem rs17689918 Risikoallel ängstliche Verhaltenszüge begünstigt. Dies unterstützt die Hypothese, dass CRHR1 die Funktion eines sogenannten „Plastizitätsgens“ für ängstliches Verhalten und Angsterkrankungen hat, d.h. ein Gen dessen Expression durch epigenetische und posttranskriptionale Modulation in Reaktion auf Umwelteinflüsse reguliert wird. Durch seine wichtige Funktion im CRF-Signalweg könnte eine Fehlregulation von CRHR1 einen weitreichenden Einfluss auf die humane Stressantwort haben und somit auch zur Pathophysiologie von stress-bedingten Erkrankungen wie Panikstörung beitragen. Das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, besonders der genetischen und epigenetischen Regulation, würde dazu beitragen CRHR1 als möglichen Ansatzpunkt zukünftiger Therapien für Panikstörung und anderen Angsterkrankungen zu erschließen.
KW  - Panic Disorder
KW  - CRHR1
KW  - Corticoliberin
KW  - Rezeptor
KW  - Paniksyndrom
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150586
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TY  - THES
A1  - Confalonieri, Davide
T1  - Development and characterization of a bone marrow stem cell niche model
T1  - Aufbau und Charakterisierung eines Knochenmark-Stammzellnischen-Modells
N2  - Kritische Knochendefekte stellen heutzutage ein ungelöstes Problem in der klinischen Praxis dar, da die verfügbaren prothetischen Optionen oft die mechanische Anpassung an das Gewebe nicht gewährleisten oder zu wichtigen immunologischen und Implantat-bedingten Komplikationen führen.
In diesem Kontext ermöglichen Tissue Engineering-Ansätze neue Strategien, um in vitro Zell-Material Interaktionen zu untersuchen und so die Implantatmaterialien zu optimieren.
In dieser Arbeit habe ich Zell-Material Interaktionen eines neuen Kollagen-basierten Scaffolds untersucht, das langfristig als Trägerstruktur für eine zellbasierte Therapie für kritische Knochendefekte entwickelt werden soll. Im Rahmen der Dissertation konnte ich belegen, dass die Kollagen-basierten makroporöse Mikrocarrier für die Zellvermehrung humaner mesenchymaler Stammzellen (MSC) und deren osteogene Differenzierung unter GMP Bedingungen verwendet werden können. Außerdem habe ich die die Kokultur von hämatopoietischen Stammzellen des Knochenmarks und multiplen Myelomzellen funktionell charakterisiert. Ich konnte erstmals Kulturbedingungen etablieren, die die Langzeitkultur ohne die Verwendung von Zytokinen ermöglicht. Mittels dieser Kokultur konnte ich ein Knochenmarknischen-Modell etablieren und die Untersuchung der Expression von zentralen Signalkaskaden der Homöostase dieser Nische untersuchen. Ich konnte die Expression von zwei verschiedenen Isoformen von Osteopontin nachweisen, die in Tiermodellen nicht gefunden werden. Diese Isoformen des Osteopontins habe ich kloniert und die rekombinanten Isoformen exprimiert und ihre Rollen in der Homöostase der Knochenmarknische untersucht.

Critical size bone defects represent nowadays an unresolved problem in the clinical practice, where the available prosthetic options often lack adequate mechanical matching to the host tissue or lead to important immunological and implant-related complications.
In this context, Tissue Engineering approaches promise more effective strategies to study cell-material interactions in vitro and consequently optimize implant materials.
In this work, I investigated the cell-scaffold interactions of a new collagen-based scaffold for a putative cell-based therapy for critical size defects to be developed. In the context of this thesis, I could demonstrate that the collagen-based macroporous microcarriers could be employed for the expansion and osteogenic differentiation of human mesenchymal stromal cells (MSCs) under GMP-compliant conditions. Moreover, I functionally characterized the co-culture of bone marrow hematopoietic stem cells and multiple myeloma cells. I was for the first time able to establish culture conditions allowing their long-term culture in absence of externally supplemented cytokines. Using this co-culture, I was able to establish a bone marrow niche model to investigate the expression of key signaling pathways involved in the niche´s homeostasis. I was able to demonstrate the expression of two different isoforms of Osteopontin, that could not previously be detected in animal models. Finally, I cloned these Osteopontin isoforms, expressed recombinant versions of the isoforms, and investigated their roles in the homeostasis of the bone marrow niche.
N2  - Kritische Knochendefekte stellen heutzutage ein ungelöstes Problem in der klinischen Praxis dar, da die verfügbaren prothetischen Optionen oft die mechanische Anpassung an das Gewebe nicht gewährleisten oder zu wichtigen immunologischen und Implantat-bedingten Komplikationen führen.
In diesem Kontext ermöglichen Tissue Engineering-Ansätze neue Strategien, um in vitro Zell-Material Interaktionen zu untersuchen und so die Implantatmaterialien zu optimieren.
In dieser Arbeit habe ich Zell-Material Interaktionen eines neuen Kollagen-basierten Scaffolds untersucht, das langfristig als Trägerstruktur für eine zellbasierte Therapie für kritische Knochendefekte entwickelt werden soll. Im Rahmen der Dissertation konnte ich belegen, dass die Kollagen-basierten makroporöse Mikrocarrier für die Zellvermehrung humaner mesenchymaler Stammzellen (MSC) und deren osteogene Differenzierung unter GMP Bedingungen verwendet werden können. Außerdem habe ich die die Kokultur von hämatopoietischen Stammzellen des Knochenmarks und multiplen Myelomzellen funktionell charakterisiert. Ich konnte erstmals Kulturbedingungen etablieren, die die Langzeitkultur ohne die Verwendung von Zytokinen ermöglicht. Mittels dieser Kokultur konnte ich ein Knochenmarknischen-Modell etablieren und die Untersuchung der Expression von zentralen Signalkaskaden der Homöostase dieser Nische untersuchen. Ich konnte die Expression von zwei verschiedenen Isoformen von Osteopontin nachweisen, die in Tiermodellen nicht gefunden werden. Diese Isoformen des Osteopontins habe ich kloniert und die rekombinanten Isoformen
exprimiert und ihre Rollen in der Homöostase der Knochenmarknische untersucht.
KW  - bone marrow niche
KW  - Bone
KW  - Marrow
KW  - Mesenchymal Stem Cell
KW  - Model
KW  - Hematopoietic Stem Cell
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-163128
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kleffel, Sonja Beate
T1  - The role of cancer cell-expressed PD-1 in tumorigenesis and tumor immune evasion
T1  - Funktionelle Charakterisierung von Tumorzell-exprimiertem PD-1 in der Karzinogenese und antitumoralen Immunabwehr
N2  - Melanoma and Merkel cell carcinoma (MCC) are highly aggressive cancers of the skin that frequently escape immune recognition and acquire resistance to chemotherapeutic agents, which poses a major obstacle to successful cancer treatment. Recently, a new class of therapeutics targeting the programmed cell death-1 (PD-1) immune checkpoint receptor has shown remarkable efficacy in the treatment of both cancers. Blockade of PD-1 on T cells activates cancer-specific immune responses that can mediate tumor regression. The data presented in this Ph.D. thesis demonstrates that PD-1 is also expressed by subsets of cancer cells in melanoma and MCC. Moreover, this work identifies PD-1 as a novel tumor cell-intrinsic growth receptor, even in the absence of T cell immunity. PD-1 is expressed by tumorigenic cell subsets in melanoma patient samples and established human and murine cell lines that also co-express ABCB5, a marker of immunoregulatory tumor- initiating cells in melanoma. Consistently, melanoma-expressed PD-1 downmodulates T effector cell functions and increases the intratumoral frequency of tolerogenic myeloid- derived suppressor cells. PD-1 inhibition on melanoma cells by RNA interference, blocking antibodies, or mutagenesis of melanoma-PD-1 signaling motifs suppresses tumor growth in immunocompetent, immunocompromised, and PD-1-deficient tumor graft recipient mice. Conversely, melanoma-specific PD-1 overexpression enhances tumorigenicity, including in mice lacking adaptive immunity. Engagement of melanoma- PD-1 by its ligand PD-L1 promotes tumor growth, whereas melanoma-PD-L1 inhibition or knockout of host-PD-L1 attenuates growth of PD-1-positive melanomas. Mechanistically, the melanoma-PD-1 receptor activates mTOR signaling mediators, including ribosomal protein S6. In a proof-of-concept study, tumoral expression of phospho-S6 in pretreatment tumor biopsies correlated with clinical responses to anti-PD-1 therapy in melanoma patients. In MCC, PD-1 is similarly co-expressed by ABCB5+ cancer cell subsets in clinical tumor specimens and established human cell lines. ABCB5 renders MCC cells resistant to the standard-of-care chemotherapeutic agents, carboplatin and etoposide. Antibody-mediated ABCB5 blockade reverses chemotherapy resistance and inhibits tumor xenograft growth by enhancing chemotherapy-induced tumor cell killing. Furthermore, engagement of MCC-expressed PD-1 by its ligands, PD-L1 and PD-L2, promotes proliferation and activates MCC-intrinsic mTOR signaling. Consistently, antibody- mediated PD-1 blockade inhibits MCC tumor xenograft growth and phosphorylation of mTOR effectors in immunocompromised mice. In summary, these findings identify cancer cell-intrinsic functions of the PD-1 pathway in tumorigenesis and suggest that blocking melanoma- and MCC-expressed PD-1 might contribute to the striking clinical efficacy of anti-PD-1 therapy. Additionally, these results establish ABCB5 as a previously unrecognized chemoresistance mechanism in MCC.
N2  - Das Melanom und das Merkelzellkarzinom (MZK) sind auttumoren neuroendokrinen Ursprungs, die sich durch ein besonders aggressives Wachstum auszeichnen. Melanome und MZK entgehen häufig der antitumoralen Immunabwehr und erwerben Resistenzen gegen Chemotherapeutika, was eine erfolgreiche Behandlung der betroffenen Patienten erschwert. In klinischen Studien hat eine neue Klasse von therapeutischen Antikörpern, die den Immun-Checkpoint Rezeptor PD-1 (Programmed Cell Death-1) inhibieren, hohe Ansprechraten und dauerhafte Remissionen bei Melanom- und MZK-Patienten erzielt. Die Blockade des PD-1 Rezeptors auf T-Zellen reaktiviert autologe Immunreaktionen gegen Tumorzellen, die zur Reduktion des Tumors führen können. Die vorgelegte Dissertation zeigt, dass Subpopulationen von Melanom- und MZK-Zellen PD-1 exprimieren, und dass die Aktivierung von Tumorzell-intrinsischem PD-1 einen pro-tumorigenen Mechanismus darstellt, einschliesslich in T-Zell-defizienten Mäusen. In Biopsien von Melanom-Patienten, sowie in humanen und murinen Melanom-Zelllinien wird PD-1 präferentiell von
tumorigenen, immunregulatorischen, ABCB5+ Melanom-Stammzellen exprimiert. PD-1+ Melanomzellen hemmen die Aktivität von Effektor-T-Zellen und erhöhen die Anzahl der
tolerogenen myeloiden Suppressorzellen im Tumor. Die Inhibierung des PD-1 Rezeptors auf Melanomzellen durch RNA-Interferenz, blockierende Antikörper oder Mutagenese der
intrazellulären Signalmotive des PD-1 Proteins unterdrückt das Melanom-Wachstum in immunkompetenten, immunsupprimierten und PD-1-defizienten Mäusen. Umgekehrt führt die Melanom-spezifische Überexpression von PD-1 zu einem signifikant erhöhtem Tumorwachstum, sogar in immunsupprimierten Mäusen. Die Aktivierung des PD-1 Rezeptors auf Melanomzellen durch die Bindung seines Liganden, PD-L1, fördert das Tumorwachstum, während das protumorigene Potential von PD-1-positiven Melanomzellen durch die Inhibierung von PD-L1 auf Melanomzellen, sowie in PD-L1-defizienten Mäusen, gehemmt wird. In Melanomzellen aktiviert der PD-1 Rezeptor den mTOR Signaltransduktionsweg, einschließlich des Effektormoleküls ribosomales Protein S6. In einer Teststudie korrelierte die Expression des Phospho-S6 Proteins in Melanomzellen aus Biopsien, die vor Gabe der Immuntherapie entnommen wurden, mit den Ansprechraten der Melanom Patienten auf die Behandlung mit PD-1-Antikörpern. Auch in Biopsien von MZK-Patienten und in etablierten humanen MZK-Zelllinien wird
PD-1 präferentiell von ABCB5+ Subpopulationen exprimiert. Im MZK vermittelt der ABCB5-Membrantransporter Resistenzen gegenüber den Zytostatika Carboplatin und Etoposid. Die Antikörper-vermittelte Blockade des ABCB5-Transporters sensibilisiert MZK-Zellen für die Carboplatin- und Etoposid-vermittelte Apoptose, was zu einer signifikanten Reduktion des experimentellen Tumorwachstums führt. Ähnlich wie im
Melanom fördert die Bindung des PD-1 Rezeptors auf MZK Zellen durch seine Liganden, PD-L1 und PD-L2, deren Proliferation und die intrazelluläre Aktivierung der mTORSignalkaskade. Entsprechend führt die antikörper-vermittelte Blockade von PD-1 zur Inhibierung des MZK-Tumorwachstums in immunsupprimierten Mäusen und zu einer reduzierten Phosphorylierung von mTOR Effektormolekülen. Zusammenfassend konnte in der vorliegenden Dissertation gezeigt werden, dass Subpopulationen von Melanom- und MZK-Zellen PD-1 exprimieren, und dass Tumorzell-intrinsische PD-1-Funktionen das Krebswachstum fördern. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Blockade des PD-1-Rezeptors auf Tumorzellen zu der klinischen Wirksamkeit der anti-PD-1 Therapie beitragen könnte. Darüber hinaus konnte ABCB5 als neuer Chemoresistenz-Mechanismus in MZK identifiziert werden.
KW  - Melanom
KW  - Merkelzellkarzinom
KW  - Cancer
KW  - Melanoma
KW  - Merkel cell carcinoma
KW  - Cancer immunotherapy
KW  - Chemotherapeutic resistance
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151205
ER  - 
TY  - THES
A1  - Slawig, Anne
T1  - Reconstruction methods for the frequency-modulated balanced steady-state free precession MRI-sequence
T1  - Rekonstruktionsmethoden für die frequenz-modulierte balanced steady-state free precession MRT-Sequenz
N2  - This work considered the frequency-modulated balanced steady-state free precession (fm-bSSFP) sequence as a tool to provide banding free bSSFP MR images. The sequence was implemented and successfully applied to suppress bandings in various in vitro and in vivo examples. In combination with a radial trajectory it is a promising alternative for standard bSSFP applications. First, two specialized applications were shown to establish the benefits of the acquisition strategy in itself. In real time cardiac imaging, it was shown that the continuous shift in frequency causes a movement of the bandings across the FOV. Thus, no anatomical region is constantly impaired, and a suitable timeframe can be found to examine all important structures. Furthermore, a combination of images with different artifact positions, similar to phase-cycled acquisitions is possible. In this way, fast, banding-free imaging of the moving heart was realized. Second, acquisitions with long TR were shown. While standard bSSFP suffers from increasing incidence of bandings with higher TR values, the frequency-modulated approach provided banding free images, regardless of the TR.
A huge disadvantage of fm-bSSFP, in combination with the radial trajectory, is the decrease in signal intensity. In this work a specialized reconstruction method, the multifrequency reconstruction for frequency-modulated bSSFP (Muffm), was established, which successfully compensated that phenomena. The application of Muffm to several anatomical sites, such as inner ear, legs and cardiac acquisitions, proofed the advantageous SNR of the reconstruction.
Furthermore, fm-bSSFP was applied to the clinically highly relevant task of water-fat separation. Former approaches of a phase-sensitive separation procedure in combination with standard bSSFP showed promising results but failed in cases of high inhomogeneity or high field strengths where banding artifacts become a major issue. The novel approach of using the fm-bSSFP acquisition strategy with the separation approach provided robust, reliable images of high quality. Again, losses in signal intensity could be regained by Muffm, as both approaches are completely compatible. 
Opposed to conventional banding suppression techniques, like frequency-scouts or phase-cycling, all reconstruction methods established in this work rely on a single radial acquisition, with scan times similar to standard bSSFP scans. No prolonged measurement times occur and patient time in the scanner is kept as short as possible, improving patient comfort, susceptibility to motion or physiological noise and cost of one scan.
All in all, the frequency-modulated acquisition in combination with specializes reconstruction methods, leads to a completely new quality of images with short acquisition times.
N2  - In dieser Arbeit wird eine Modifikation der balanced steady-state free precession (bSSFP) Sequenz betrachtet. Die frequenzmodulierte bSSFP-Sequenz (fm-bSSFP) kann die sonst typischen Band-Artefakte in bSSFP-MR-Bildern verhindern. Die Sequenz wurde im Rahmen der Arbeit am MR-Scanner implementiert und erfolgreich in verschiedenen in-vitro- und in-vivo-Beispielen angewendet. In Kombination mit einer radialen Trajektorie erwies es sich als eine vielversprechende Alternative für alle Standard-bSSFP Anwendungen. 
Zuerst wurden zwei spezialisierte Anwendungen gezeigt, um die Vorteile der Akquisitionsstrategie an sich darzustellen. Am Beispiel der Echtzeit-Herzbildgebung konnte mit Hilfe der kontinuierlichen Frequenzverschiebung eine Bewegung der Bänder über das FOV erzeugt werden. Somit wird keine anatomische Region ständig von Artefakten überlagert und für jeden Bereich kann ein geeigneter Zeitrahmen gefunden werden, um die wichtigen Strukturen darzustellen und zu untersuchen. Darüber hinaus ist eine Kombination von Bildern mit verschiedenen Artefaktpositionen möglich, ähnlich zu mehreren Aufnahmen mit verschiedenen Phasenzyklen. Auf diese Weise wurde eine schnelle Bildgebung des sich bewegenden Herzens ohne Bandartefakte realisiert. 
Zusätzlich wurden Aufnahmen mit langen Repetitionszeiten (TR) untersucht. Während in der Standard-bSSFP die Häufigkeit von Bandartefakten mit steigendem TR-Wert zunimmt, lieferte der frequenzmodulierte Ansatz Banding-freie Bilder unabhängig vom TR.
Ein großer Nachteil von fm-bSSFP in Kombination mit der radialen Trajektorie ist der Verlust von Signalintensität bei der Rekonstruktion. In dieser Arbeit wurde eine spezielle Rekonstruktionsmethode namens Muffm (mulitfrequency reconstruction for frequency-modulated bSSFP) etabliert, die diesen Verlust erfolgreich kompensieren kann. Die Anwendung von Muffm an verschiedenen anatomischen Strukturen, wie Innenohr, Bein und Herzaufnahmen, bestätigte das vorteilhafte Signal-zu-Rausch-Verhältnis, dass durch die spezielle Rekonstruktion gewonnen werden kann.
Darüber hinaus wurde die fm-bSSFP auf die klinisch interessante Wasser-Fett-Trennung angewandt. Frühere Ansätze eines phasenempfindlichen Trennverfahrens in Kombination mit Standard-bSSFP zeigten vielversprechende Ergebnisse, scheiterten jedoch in Fällen hoher Inhomogenität oder hoher Feldstärken an den auftretenden Bandartefakten. Der neue Ansatz, diesen Separationsalgorithmus mit der fm-bSSFP-Akquisitionsstrategie zu verbinden, lieferte robuste, zuverlässige Bilder von hoher Qualität. Auch hier konnten entstehende Verluste in der Signalintensität durch Muffm zurückgewonnen werden, da beide Ansätze vollständig kompatibel sind.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Bandunterdrückungstechniken, wie Frequenz-Scouts oder die Aufnahme mehrerer Bilder mit verschiedenen Phasenzyklen, beruhen alle in dieser Arbeit etablierten Rekonstruktionsverfahren auf einer einzigen radialen Aufnahme. Die Messzeiten sind daher identisch zur Aufnahme einer Standard-bSSFP Messung. Das Verfahren ermöglicht eine deutliche Verkürzung der Aufenthaltsdauer im Scanner bei einer gleichzeitigen Garantie ein artefaktfreies Bild zu erhalten. Damit ist es insbesondere für Patienten von Vorteil, die unter Platzangst oder sonstigen Beschwerden leiden, die ein langes Stillliegen erschweren. Außerdem werden Bewegungsartefakte, physiologisches Rauschen und nicht zuletzt die Kosten eines Scans minimiert.
Insgesamt bietet die frequenzmodulierte bSSFP Aufnahme in Kombination mit spezialisierten Rekonstruktionsverfahren neue Möglichkeiten zur schnellen Aufnahme von Bildern ohne Bandartefakte.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Magnetic resonance imaging
KW  - MRI
KW  - MRT
KW  - bSSFP
KW  - Rekonstruktion
KW  - reconstruction
KW  - frequency modulation
KW  - water fat separation
KW  - Wasser Fett Trennung
KW  - balanced steady state free precession
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162871
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wiedenmann, Jonas
T1  - Induced topological superconductivity in HgTe based nanostructures
T1  - Induzierte topologische Supraleitung in HgTe basierten Nanostrukturen
N2  - This thesis describes the studies of topological superconductivity, which is predicted to
emerge when pair correlations are induced into the surface states of 2D and 3D topolog-
ical insulators (TIs). In this regard, experiments have been designed to investigate the
theoretical ideas ﬁrst pioneered by Fu and Kane that in such system Majorana bound
states occur at vortices or edges of the system [Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008), Phys.
Rev. B 79, 161408 (2009)]. These states are of great interest as they constitute a new
quasiparticle which is its own antiparticle and can be used as building blocks for fault
tolerant topological quantum computing.
After an introduction in chapter 1, chapter 2 of the thesis lays the foundation for the
understanding of the ﬁeld of topology in the context of condensed matter physics with a
focus on topological band insulators and topological superconductors. Starting from a
Chern insulator, the concepts of topological band theory and the bulk boundary corre-
spondence are explained. It is then shown that the low energy Hamiltonian of mercury
telluride (HgTe) quantum wells of an appropriate thickness can be written as two time
reversal symmetric copies of a Chern insulator. This leads to the quantum spin Hall effect.
In such a system, spin-polarized one dimensional conducting states form at the edges
of the material, while the bulk is insulating. This concept is extended to 3D topological
insulators with conducting 2D surface states. As a preliminary step to treating topological
superconductivity, a short review of the microscopic theory of superconductivity, i.e. the
theory of Bardeen, Cooper, and Shrieffer (BCS theory) is presented. The presence of
Majorana end modes in a one dimensional superconducting chain is explained using the
Kitaev model. Finally, topological band insulators and conventional superconductivity
are combined to effectively engineer p-wave superconductivity. One way to investigate
these states is by measuring the periodicity of the phase of the Josephson supercurrent
in a topological Josephson junction. The signature is a 4π-periodicity compared to the
2π-periodicity in conventional Josephson junctions. The proof of the presence of this
effect in HgTe based Josephson junction is the main goal of this thesis and is discussed in
chapters 3 to 6.
Chapter 3 describes in detail the transport of a 3D topological insulator based weak
link under radio-frequency radiation. The chapter starts with a review of the state of
research of (i) strained HgTe as 3D topological insulator and (ii) the progress of induc-
ing superconducting correlations into the topological surface states and the theoretical
predictions of 3D TI based Josephson junctions. Josephson junctions based on strained
HgTe are successfully fabricated. Before studying the ac driven Josephson junctions, the
dc transport of the devices is analysed. The critical current as a function of temperature
is measured and it is possible to determine the induced superconducting gap. Under
rf illumination Shapiro steps form in the current voltage characteristic. A missing ﬁrst
step at low frequencies and low powers is found in our devices. This is a signature of
a 4π-periodic supercurrent. By studying the device in a wide parameter range - as a
147148 SUMMARY
function of frequency, power, device geometry and magnetic ﬁeld - it is shown that the
results are in agreement with the presence of a single gapless Andreev doublet and several
conventional modes.
Chapter 4 gives results of the numerical modelling of the I −V dynamics in a Josephson
junction where both a 2π- and a 4π-periodic supercurrents are present. This is done in
the framework of an equivalent circuit representation, namely the resistively shunted
Josephson junction model (RSJ-model). The numerical modelling is in agreement with
the experimental results in chapter 3. First, the missing of odd Shapiro steps can be
understood by a small 4π-periodic supercurrent contribution and a large number of
modes which have a conventional 2π-periodicity. Second, the missing of odd Shapiro
steps occurs at low frequency and low rf power. Third, it is shown that stochastic processes
like Landau Zener tunnelling are most probably not responsible for the 4π contribution.
In a next step the periodicity of Josephson junctions based on quantum spin Hall
insulators using are investigated in chapter 5. A fabrication process of Josephson junctions
based on inverted HgTe quantum wells was successfully developed. In order to achieve a
good proximity effect the barrier material was removed and the superconductor deposited
without exposing the structure to air. In a next step a gate electrode was fabricated which
allows the chemical potential of the quantum well to be tuned. The measurement of the
diffraction pattern of the critical current Ic due to a magnetic ﬁeld applied perpendicular
to the sample plane was conducted. In the vicinity to the expected quantum spin Hall
phase, the pattern resembles that of a superconducting quantum interference device
(SQUID). This shows that the current ﬂows predominantly on the edges of the mesa.
This observation is taken as a proof of the presence of edge currents. By irradiating the
sample with rf, missing odd Shapiro steps up to step index n = 9 have been observed. This
evidences the presence of a 4π-periodic contribution to the supercurrent. The experiment
is repeated using a weak link based on a non-inverted HgTe quantum well. This material
is expected to be a normal band insulator without helical edge channels. In this device,
all the expected Shapiro steps are observed even at low frequencies and over the whole
gate voltage range. This shows that the observed phenomena are directly connected
to the topological band structure. Both features, namely the missing of odd Shapiro
steps and the SQUID like diffraction pattern, appear strongest towards the quantum spin
Hall regime, and thus provide evidence for induced topological superconductivity in the
helical edge states.
A more direct way to probe the periodicity of the Josephson supercurrent than using
Shapiro steps is the measurement of the emitted radiation of a weak link. This experiment
is presented in chapter 6. A conventional Josephson junction converts a dc bias V to
an ac current with a characteristic Josephson frequency fJ
= eV /h. In a topological
Josephson junction a frequency at half the Josephson frequency fJ /2 is expected. A
new measurement setup was developed in order to measure the emitted spectrum of a
single Josephson junction. With this setup the spectrum of a HgTe quantum well based
Josephson junction was measured and the emission at half the Josephson frequency fJ /2
was detected. In addition, fJ emission is also detected depending on the gate voltage and
detection frequency. The spectrum is again dominated by half the Josephson emission at
low voltages while the conventional emission is determines the spectrum at high voltages.
A non-inverted quantum well shows only conventional emission over the whole gateSUMMARY 149
voltage and frequency range. The linewidth of the detected frequencies gives a measure
on the lifetime of the bound states: From there, a coherence time of 0.3–4ns for the fJ /2
line has been deduced. This is generally shorter than for the fJ line (3–4ns).
The last part of the thesis, chapter 7, reports on the induced superconducting state
in a strained HgTe layer investigated by point-contact Andreev reﬂection spectroscopy.
For the experiment, a HgTe mesa was fabricated with a small constriction. The diameter
of the oriﬁce was chosen to be smaller than the mean free path estimated from magne-
totransport measurements. Thus one gets a ballistic point-contact which allows energy
resolved spectroscopy. One part of the mesa is covered with a superconductor which
induces superconducting correlations into the surface states of the topological insulator.
This experiment therefore probes a single superconductor normal interface. In contrast to
the Josephson junctions studied previously, the geometry allows the acquisition of energy
resolved information of the induced superconducting state through the measurement
of the differential conductance dI/dV as a function of applied dc bias for various gate
voltages, temperatures and magnetic ﬁelds. An induced superconducting order parame-
ter of about 70µeV was extracted but also signatures of the niobium gap at the expected
value around Δ Nb
≈ 1.1meV have been found. Simulations using the theory developed by
Blonder, Tinkham and Klapwijk and an extended model taking the topological surface
states into account were used to ﬁt the data. The simulations are in agreement with a
small barrier at the topological insulator-induced topological superconductor interface
and a high barrier at the Nb to topological insulator interface. To understand the full con-
ductance curve as a function of applied voltage, a non-equilibrium driven transformation
is suggested. The induced superconductivity is suppressed at a certain bias value due to
local electron population. In accordance with this suppression, the relevant scattering
regions change spatially as a function of applied bias.
To conclude, it is emphasized that the experiments conducted in this thesis found
clear signatures of induced topological superconductivity in HgTe based quantum well
and bulk devices and opens up the avenue to many experiments. It would be interesting
to apply the developed concepts to other topological matter-superconductor hybrid
systems. The direct spectroscopy and manipulation of the Andreev bound states using
circuit quantum electrodynamic techniques should be the next steps for HgTe based
samples. This was already achieved in superconducting atomic break junctions by the
group in Saclay [Science 2015, 349, 1199-1202 (2015)]. Another possible development
would be the on-chip detection of the emitted spectrum as a function of the phase φ
through the junction. In this connection, the topological junction needs to be shunted
by a parallel ancillary junction. Such a setup would allow the current phase relation
I(φ) directly and the lifetime of the bound states to be measured directly. By coupling
this system to a spectrometer, which can be another Josephson junction, the energy
dependence of the Andreev bound states E(φ) could be obtained. The experiments on
the Andreev reﬂection spectroscopy described in this thesis could easily be extended to
two dimensional topological insulators and to more complex geometries, like a phase
bias loop or a tunable barrier at the point-contact. This work might also be useful for
answering the question how and why Majorana bound states can be localized in quantum
spin Hall systems.
N2  - Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der experimentellen Untersuchung von
topologischer Supraleitung, die durch die Kombination von konventionellen Supraleitern mit 2D- und 3D- topologischen Isolatoren (TI) entsteht. Diesbezüglich wurden Experi- mente durchgeführt, die auf zwei bahnbrechenden Arbeiten von Fu und Kane [Phys. Rev. Lett. 100, 096407 (2008), Phys. Rev. B 79, 161408 (2009)] aufbauen. Diesen zufolge wird in supraleitenden topologischen Isolatoren ein neuartiges Quasiteilchen, ein sogenanntes Majorana-Fermion, vorhergesagt. Das große Interesse an diesem Teilchen beruht auf des- sen besonderen Eigenschaften. Es sind Fermionen mit halbzahligen Spin, jedoch besitzen sie keine Ladung und es ist gleichzeitig sein eigenes Antiteilchen. Darüber hinaus besitzt das Teilchen im Vergleich zu konventionellen Fermionen eine andere Austauschstatistik und zählt daher zu den sogenannten nicht-abelschen Anyonen. Aufgrund dieser Eigen- schaften wurde vorhergesagt, dass sie für weniger fehleranfällige Quantenbits als Bauteile für einen Quantencomputer verwendet werden können.
Nach einer Einleitung in Kapitel 1 folgt in Kapitel 2 eine Einführung in das Konzept von Topologie in der Festkörperphysik. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei Materialklassen, topologischen Isolatoren und topologische Supraleiter. Zunächst wird ein Zweibandmo- dell, der Chern-Isolator, beschrieben, um das Konzept von topologischen Isolatoren und die Entstehung von Oberflächenzuständen darzulegen. Es ist möglich die Bandstruktur von Quecksilbertellurid- (HgTe-) Quantentrögen als zwei zeitumkehrinvariante Kopien des Chern-Isolators zu interpretieren, was zu einem 2D topologischen Isolator führt. Das Konzept von 2D-TIs wird auf drei Dimensionen erweitert. Eine Einführung in konventio- nelle Supraleitung und insbesondere die mikroskopische Theorie von Bardeen, Cooper und Schrieffer dient einem pädagogischen Zugang zur topologischen Supraleitung. Eine eindimensionale supraleitenden Kette, entwickelt von Alexei Kitaev, dient der Erklärung für die Entstehung von Majorana-Fermionen in p-Wellen Supraleitern. Es ist möglich diesen Zustand durch die Kombination von konventionellen Supraleitern und topologi- schen Isolatoren zu verwirklichen. In dieser Dissertation wird die erwartet topologische Supraleitung in einem sogenannten Josephson-Kontakt untersucht. Dabei wurde vorher- gesagt, dass in einem “topologischen Josephson-Kontakt”die Phase des Suprastromes eine 4π-Periodizität besitzt, während ein normaler Josephson-Kontakt 2π-periodisch ist. Ziel dieser Arbeit ist der experimentelle Nachweis der 4π-Periodizität des Suprastroms in Josephson-Kontakten, die auf HgTe-Bauelementen beruhen. Als Methodik eignet sich die Messung der Shapiro-Plateaus und der Emission des Josephson-Kontaktes an, die ausführlich in den Kapiteln 3 bis 6 werden.
In Kapitel 3 wird der Transport in Josephson-Kontakten, die auf dem dreidimensio- nalen topologischen Isolator HgTe beruhen unter Einfluss von Mikrowellenstrahlung detailliert ausgeführt. Dieser Teil beginnt mit einem Überblick über die Eigenschaften von HgTe als dreidimensionaler topologischer Isolator und zeigt insbesondere den Nachweis der Oberfächenleitung von relativistischen Elektronen auf. Des Weiteren wird der Stand der Forschung von Josephson-Kontakten auf diesem Materialsystem dargelegt. In solchen
Strukturen werden nämlich aufgrund von Majorana-Fermionen gebundene Andreev- Zustände erwartet, welche sich in der Mitte der supraleitenden Bandlücke (bei null Energie) kreuzen. Sie werden als “gapless Andreev Bound States”bezeichnet. Die Existenz dieser Zustände kann durch den Nachweis einer 4π-Periodizität der Phase des Supra- stroms bewiesen werden. Da die endliche Lebensdauer dieser Zustände “langsamen”dc- Messungen den Nachweis der Periodizität nicht erlauben, wird Strahlung im Gigahertz Frequenzbereich verwendet. Josephson-Kontakte aus 3D-HgTe-Heterostrukturen werden erfolgreich lithografiert. Zunächst werden die Strukturen mit dc-Messungen charakte- risiert und es wird gezeigt, dass der Suprastrom einen Josephson-Effekt aufweist. Die Temperaturabhängigkeit des kritischen Stroms wird simuliert, wodurch die Bestimmung der Größe der induzierten supraleitenden Bandlücke ermöglicht wird. Durch Mikrowel- lenstrahlung entstehen Shapiro-Plateaus in der Strom-Spannungskennlinie I −V -Kurve. Der Spannungsabstand von zwei aufeinander folgenden Plateaus spiegelt die Periodizität des Josephsonstroms wider. Zu erwarten wäre, dass der Abstand in einem topologischen Josephson-Kontakt im Vergleich zu einem konventionellen Josephson-Kontakt doppelt so groß ist (oder anders formuliert: die ungeradzahligen Plateau-Indizes fehlen). In den Strom-Spannungskennlinien wird jedoch beobachtet, dass der erste erwartete Schritt ausbleibt. Alle höheren ungeradzahligen Schritte sind sichtbar. Durch die Untersuchung des Phänomens als Funktion von Mikrowellenfrequenz, Mikrowellenamplitude, Magnet- feldstärke und Probengeometrie wird argumentiert, dass die Ergebnisse der Experimente mit einem topologischen Andreev-Zustand und einer großen Zahl konventioneller Moden vereinbar sind.
Um die experimentellen Ergebnisse aus Kapitel 3 nachzuvollziehen, werden in Kapitel 4 die I −V -Kennlinie eines Josephson-Kontaktes mit einer linearen Kombination eines 2π- und eines 4π-periodischen Suprastroms unter Mikrowellenstrahlung numerisch simuliert. Dies erfolgt durch ein Netzwerkmodell, welches aus einem Josephson-Kontakt in Parallelschaltung zu einem ohmschen Widerstand besteht (RSJ-Modell). Die Ergebnisse aus Kapitel 3 können nur durch das Vorhandensein eines 4π-periodischem Suprastroms I4π eindeutig numerisch simuliert werden. Darüber hinaus wird herausgestellt, dass eine Kopplung des Systems an die 4π-periodische Komponente möglich ist, obwohl der Beitrag zum Gesamtstrom Ic sehr klein ist (I4π « Ic ).
Die Grundlage für die Experimente in Kapitel 5 bildet ein Josephson-Kontakt, der auf einem invertierten HgTe-Quantentrog basiert. Dieser besitzt helikale Randkanäle, welche mit Supraleitern topologisch geschützte Andreev-Zustände formen. Hierfür ist zuerst ein neuer Lithographieprozess zur Herstellung der Proben entwickelt worden. Da sich der HgTe-Quantentrog unter einer Hg0.3Cd0.7Te-Barriere befindet, muss diese für eine gute induzierte Supraleitung lokal entfernt und der Supraleiter aufgetragen werden, ohne das Vakuum zu brechen. Zur Variation der Ladungsträgerdichte im Josephson-Kontakt wird eine Feldeffektelektrode auf der Struktur platziert. Die Messung des Beugungsmusters des kritischen Stroms als Funktion des Magnetfeldes erlaubt es, die Stromverteilung in der Probe zu untersuchen. Das Beugungsmuster ähnelt dem eines supraleitenden Quanteninterferenzbauelement [engl. Superconducting Quantum Interference Device: (SQUID)] und zeigt, dass der Strom vorwiegend am Rand der Probe fließt. Durch die
Bestrahlung mit Mikrowellen werden fehlende ungeradzahlige Shapiro-Plateaus bis zum
Stufenindex n = 9 beobachtet. Dies verdeutlicht, dass der Strom eine 4π-periodischen
Beitrag aufweist. Das Experiment wird mit einem nicht-invertierten HgTe-Quantentrog wiederholt. Dieser ist nicht in der Quanten-Spin-Hall-Phase und zeigt über den gesamten Parameterbereich alle erwarteten Shapiro-Plateaus, was beweist, dass die Topologie der Probe eine wichtige Eigenschaft ist, um die 4π-Periodizität zu beobachten. Beide Effekte, das SQUID-Beugungsmuster und die verschwindenden ungeradzahligen Shapiro- Plateaus, sind in der Nähe der Quanten-Spin-Phase am sichtbarsten und können daher als Beweis für induzierte topologische Supraleitung in spinpolarisierten Randkanälen interpretiert werden.
Eine Messmethode zur direkten Bestimmung der Periodizität des Suprastromes, an- ders als die Verwendung von Shapiro-Plateaus, ist die Messung der Josephson-Emission, was in Kapitel 6 beschrieben wird. Ein topologischer Josephson-Kontakt emittiert Strah- lung bei der halben Josephsonfrequenz f J /2 aufgrund der 4π-Periodizität des Joseph- sonstromes. Hierfür wird ein neuer experimenteller Aufbau entwickelt, um das kleine Emissionssignal eines einzelnen Josephson-Kontaktes zu verstärken. Dieser neue Aufbau erlaubt es, das Spektrum eines invertierten HgTe-Quantentrog zu messen und eine Emis- sion bei f J /2 zu detektieren. Je nach Ladungsträgerdichte und Detektionfrequenz wird auch gewöhnliche Emission bei f J im Spektrum beobachtet. Generell dominiert aber bei niedriger Spannung die f J /2-Emission und bei höheren Spannungen die f J . Da Spannung und ac-Frequenz durch die zweite Josephson-Gleichung proportional zueinander lässt sich das Verhalten mit den Ergebnissen der Shapiro-Plateau-Messungen vereinbaren. Darüber hinaus ist aus der Linienbreite der Emissionssignale eine Lebensdauer für die ABS in der Größenordnung von 0.3 − 4 ns für die f J /2-Emission und 3 − 4 ns für die f J - Emission abgeschätzt worden. Ein nicht-invertierter Quantentrog zeigt im Vergleich zum invertierten nur gewöhnliche Emission bei f J über den gesamten zugänglichen Frequenz- und Ladungsträgerbereich.
Im letzten Teil der Arbeit, in Kapitel 7, wird die in den 3D-topologischen Isolator HgTe induzierte Supraleitung mit Hilfe von Andreev-Punktkontaktspektroskopie unter- sucht. Hierfür wird eine HgTe-Struktur mit einer Verengung fabriziert, deren Durchmesser kleiner als die mittlere freie Weglänge der topologischen Oberflächenzustände ist und somit eine energieabhängige Spektroskopie des Zustandes erlaubt. Auf einer Seite der Verengung werden supraleitende Paarkorrelationen durch einen gewöhnlichen Supralei- ter Niob induziert. Diese Struktur ermöglicht daher die Untersuchung der Grenzfläche zwischen einem Supraleiter und einem Normalleiter (topologischer Isolator). Durch die Messung der differentiellen Leitfähigkeit d I /dV als Funktion der dc-Spannung ist es möglich die Energieabhängigkeit der Supraleitung zu untersuchen. Eine induzierte supraleitenden Bandlücke von 70 µeV wird gefunden. Die Leitfähigkeit zeigt Signatu- ren einer weiteren supraleitende Bandlücke des konventionellen Supraleiters Niob von
∆Nb ≈ 1.1 meV. Die Leitfähigkeit wird zum einen mit der Theorie von Blonder, Tinkham und Klapwijk modelliert und zum anderen mit einem erweiterten Modell, welches die 2D Oberflächenzustände des topologischen Isolators berücksichtigt simuliert. Für die Grenzfläche topologischer Isolator mit topologischem Supraleiter wird eine hohe Trans- missionswahrscheinlichkeit (niedrige Barriere) festgestellt, während an der Grenzfläche zwischen dem konventionellen Supraleiter und dem topologischen Isolator eine hohe
Barriere in Übereinstimmung mit dem Modell war. Der Transportmechanismus wird
durch eine Unterdrückung der induzierten Supraleitung durch eine Nichtgleichgewichts-
verteilung der Zustände als Funktion der Spannung erklärt.
Die vorliegende Dissertation konnte klare Signaturen von induzierter topologischer Supraleitung in Josephson-Kontakten auf Basis von HgTe-Quantentrögen und Volumen- material aufzeigen. Sie kann auch als Ausgangspunkt für eine große Anzahl von weiter- führenden Experimenten dienen. Die hier entwickelte Technik und auch Theorie kann auf andere topologische Zustände in Verbindung mit Supraleitern angewandt werden. Ein weiteres Experiment für HgTe-Strukturen ließe sich beispielsweise mit Hilfe von su- praleitenden Resonatoren die Spektroskopie und Manipulation der mikroskopischen topologischen Andreev-Zustände durchführen. Diese Technik wurde schon erfolgreich von Janvier et al . auf mechanisch kontrollierten supraleitenden Bruchkontakten ange- wandt [Science 2015, 349, 1199-1202 (2015)]. Eine alternative Technik zur Spektroskopie der Andreev Zustände benötigt konventionelle Josephson-Kontakte in Kombination mit topologischen Kontakten. Die konventionellen Kontakte erlauben die Kontrolle der supra- leitenden Phase und dienen als Spektrometer. Die Andreev-Punktkontaktspektroskopie kann auf zweidimensionale topologische Isolatoren erweitert werden. Auch kann ei- ne supraleitende Schleife, welche die Kontrolle über die Phase und eine veränderbare Barriere ermöglicht, neue Einblicke in die Transportmechanismen geben. Solche Un- tersuchungen bieten Ansatzpunkte für die Lokalisierung von Majorana-Zuständen in
Quanten-Spin-Hall-Systemen.
KW  - Quecksilbertellurid
KW  - Supraleitung
KW  - Topologischer Isolator
KW  - topological insulators
KW  - Majorana bound state
KW  - topological superconductor
KW  - HgTe
KW  - Josephson junction
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162782
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zenk, Markus
T1  - On Numerical Methods for Astrophysical Applications
T1  - Über numerische Methoden für astrophysikalische Anwendungen
N2  - Diese Arbeit befasst sich mit der Approximation der Lösungen von Modellen zur Beschreibung des Strömungsverhaltens in Atmosphären. Im Speziellen
umfassen die hier behandelten Modelle die kompressiblen Euler Gleichungen der Gasdynamik mit einem Quellterm bezüglich der Gravitation und die Flachwassergleichungen
mit einem nicht konstanten Bodenprofil. Verschiedene Methoden wurden bereits entwickelt um die Lösungen dieser Gleichungen zu approximieren. Im Speziellen geht diese 
Arbeit auf die Approximation von Lösungen nahe des Gleichgewichts und, im Falle der Euler Gleichungen, bei kleinen Mach Zahlen ein. Die meisten numerischen Methoden haben die Eigenschaft, 
dass die Qualität der Approximation sich mit der Anzahl der Freiheitsgrade verbessert. In der Praxis werden deswegen diese numerischen Methoden auf großen Computern implementiert 
um eine möglichst hohe Approximationsgüte zu erreichen. Jedoch sind auch manchmal diese großen Maschinen nicht ausreichend, um die gewünschte Qualität zu erreichen. Das Hauptaugenmerk 
dieser Arbeit ist darauf gerichtet, die Qualität der Approximation bei gleicher Anzahl von Freiheitsgrade zu verbessern. 

Diese Arbeit ist im Zusammenhang einer Kollaboration zwischen Prof. Klingenberg des Mathemaitschen Instituts in Würzburg und 
Prof. Röpke des Astrophysikalischen Instituts in Würzburg entstanden. Das Ziel dieser Kollaboration ist es, Methoden zur Berechnung von 
stellarer Atmosphären zu entwickeln. In dieser Arbeit werden vor allem zwei Problemstellungen behandelt. Die erste Problemstellung bezieht sich auf die akkurate Approximation des Quellterms, was zu den so genannten 
well-balanced Schemata führt. Diese erlauben genaue Approximationen von Lösungen nahe des Gleichgewichts. Die zweite Problemstellung bezieht sich auf 
die Approximation von Strömungen bei kleinen Mach Zahlen. Es ist bekannt, dass Lösungen der kompressiblen Euler Gleichungen zu Lösungen der inkompressiblen Euler Gleichungen 
konvergieren, wenn die Mach Zahl gegen null geht. Klassische numerische Schemata zeigen ein stark diffusives Verhalten bei kleinen Mach Zahlen. Das hier entwickelte Schema 
fällt in die Kategorie der asymptotic preserving Schematas, d.h. das numerische Schema ist auf einem diskrete Level kompatibel mit dem auf dem Kontinuum gezeigten verhalten. 
Zusätzlich wird gezeigt, dass die Diffusion des hier entwickelten Schemas unabhängig von der Mach Zahl ist. 

In Kapitel 3 wird ein HLL approximativer Riemann Löser für die Approximation der Lösungen der Flachwassergleichungen mit einem nicht konstanten Bodenprofil 
angewendet und ein well-balanced Schema entwickelt. Die meisten well-balanced Schemata für die Flachwassergleichungen behandeln nur den Fall eines Fluids im Ruhezustand, 
die so genannten Lake at Rest Lösungen. Hier wird ein Schema entwickelt, welches sich mit allen Gleichgewichten befasst. Zudem wird eine zweiter Ordnung Methode entwickelt, welche 
im Gegensatz zu anderen in der Literatur nicht auf einem iterativen Verfahren basiert. Numerische Experimente werden durchgeführt um die Vorteile des neuen Verfahrens zu zeigen.

In Kapitel 4 wird ein Suliciu Relaxations Löser angepasst um die hydrostatischen Gleichgewichte der Euler Gleichungen mit einem Gravitationspotential 
aufzulösen. Die Gleichungen der hydrostatischen Gleichgewichte sind unterbestimmt und lassen deshalb keine Eindeutigen Lösungen zu. Es wird jedoch gezeigt, dass
das neue Schema für eine große Klasse dieser Lösungen die well-balanced Eigenschaft besitzt. Für bestimmte Klassen werden Quadraturformeln zur Approximation des Quellterms 
entwickelt. Es wird auch gezeigt, dass das Schema robust, d.h. es erhält die Positivität der Masse und Energie, und stabil bezüglich der Entropieungleichung ist. 
Die numerischen Experimente konzentrieren sich vor allem auf den Einfluss der Quadraturformeln auf die well-balanced Eigenschaften. 

In Kapitel 5 wird ein Suliciu Relaxations Schema angepasst für Simulationen im Bereich kleiner Mach Zahlen. Es wird gezeigt, dass das neue Schema 
asymptotic preserving und die Diffusion kontrolliert ist.  Zudem wird gezeigt, dass das Schema für bestimmte Parameter robust ist. Eine Stabilität wird
aus einer Chapman-Enskog Analyse abgeleitet. Resultate numerische Experimente werden gezeigt um die Vorteile des neuen Verfahrens zu zeigen. 

In Kapitel 6 werden die Schemata aus den Kapiteln 4 und 5 kombiniert um das Verhalten des numerischen Schemas bei Flüssen mit kleiner Mach Zahl 
in durch die Gravitation geschichteten Atmosphären zu untersuchen. Es wird gezeigt, dass das Schema well-balanced ist. Die Robustheit und die Stabilität werden analog zu Kapitel 5 behandelt. Auch hier werden numerische Tests durchgeführt. Es zeigt sich, dass das neu entwickelte Schema in der Lage ist, die Dynamiken besser Aufzulösen als vor der Anpassung. 

Das Kapitel 7 beschäftigt sich mit der Entwicklung eines multidimensionalen Schemas basierend auf der Suliciu Relaxation. 
Jedoch ist die Arbeit an diesem Ansatz noch nicht beendet und numerische Resultate können nicht präsentiert werden. Es wird aufgezeigt, 
wo sich die Schwächen dieses Ansatzes befinden und weiterer Entwicklungsbedarf besteht.
N2  - This work is concerned with the numerical approximation of solutions to models that are used to describe atmospheric or oceanographic flows. In particular, this work concen- trates on the approximation of the Shallow Water equations with bottom topography and the compressible Euler equations with a gravitational potential. Numerous methods have been developed to approximate solutions of these models. Of specific interest here are the approximations of near equilibrium solutions and, in the case of the Euler equations, the low Mach number flow regime. It is inherent in most of the numerical methods that the quality of the approximation increases with the number of degrees of freedom that are used. Therefore, these schemes are often run in parallel on big computers to achieve the best pos- sible approximation. However, even on those big machines, the desired accuracy can not be achieved by the given maximal number of degrees of freedom that these machines allow. The main focus in this work therefore lies in the development of numerical schemes that give better resolution of the resulting dynamics on the same number of degrees of freedom, compared to classical schemes.

This work is the result of a cooperation of Prof. Klingenberg of the Institute of Mathe- matics in Wu¨rzburg and Prof. R¨opke of the Astrophysical Institute in Wu¨rzburg. The aim of this collaboration is the development of methods to compute stellar atmospheres. Two main challenges are tackled in this work. First, the accurate treatment of source terms in the numerical scheme. This leads to the so called well-balanced schemes. They allow for an accurate approximation of near equilibrium dynamics. The second challenge is the approx- imation of flows in the low Mach number regime. It is known that the compressible Euler equations tend towards the incompressible Euler equations when the Mach number tends to zero. Classical schemes often show excessive diffusion in that flow regime. The here devel- oped scheme falls into the category of an asymptotic preserving scheme, i.e. the numerical scheme reflects the behavior that is computed on the continuous equations. Moreover, it is shown that the diffusion of the numerical scheme is independent of the Mach number. 

In chapter 3, an HLL-type approximate Riemann solver is adapted for simulations of the Shallow Water equations with bottom topography to develop a well-balanced scheme. In the literature, most schemes only tackle the equilibria when the fluid is at rest, the so called Lake at rest solutions. Here a scheme is developed to accurately capture all the equilibria of the Shallow Water equations. Moreover, in contrast to other works, a second order extension is proposed, that does not rely on an iterative scheme inside the reconstruction procedure, leading to a more efficient scheme.

In chapter 4, a Suliciu relaxation scheme is adapted for the resolution of hydrostatic equilibria of the Euler equations with a gravitational potential. The hydrostatic relations are underdetermined and therefore the solutions to that equations are not unique. However, the scheme is shown to be well-balanced for a wide class of hydrostatic equilibria. For specific classes, some quadrature rules are computed to ensure the exact well-balanced property. Moreover, the scheme is shown to be robust, i.e. it preserves the positivity of mass and energy, and stable with respect to the entropy. Numerical results are presented in order to investigate the impact of the different quadrature rules on the well-balanced property.

In chapter 5, a Suliciu relaxation scheme is adapted for the simulations of low Mach number flows. The scheme is shown to be asymptotic preserving and not suffering from excessive diffusion in the low Mach number regime.  Moreover, it is shown to be robust under certain parameter combinations and to be stable from an Chapman-Enskog analysis.
Numerical results are presented in order to show the advantages of the new approach.

In chapter 6, the schemes developed in the chapters 4 and 5 are combined in order to investigate the performance of the numerical scheme in the low Mach number regime in a gravitational stratified atmosphere. The scheme is shown the be well-balanced, robust and stable with respect to a Chapman-Enskog analysis. Numerical tests are presented to show the advantage of the newly proposed method over the classical scheme.

In chapter 7, some remarks on an alternative way to tackle multidimensional simulations are presented. However no numerical simulations are performed and it is shown why further research on the suggested approach is necessary.
KW  - Strömung
KW  - Numerical Methods
KW  - Hyperbolic Partial Differential Equations
KW  - Well-Balanced
KW  - Asymptotic Preserving
KW  - Atmosphäre
KW  - Mathematisches Modell
KW  - PDE
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162669
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wannagat, Wienke Charlotte
T1  - Cognitive Processes of Discourse Comprehension in Children and Adults - Comparisons between Written, Auditory, and Audiovisual Modes of Presentation -
T1  - Kognitive Prozesse beim Textverstehen bei Kindern und Erwachsenen - Vergleiche zwischen schriftlicher, auditiver und audiovisueller Darbietung -
N2  - In drei Studien wurde untersucht, wie sich unterschiedliche Darbietungsformate (schriftlich, auditiv, audiovisuell (auditiv + Bilder) auf das Verständnis semantisch  identischer  Inhalte auswirken. Dabei interessierte insbesondere der Entwicklungsverlauf von der ersten Klasse bis zum Erwachsenenalter. Dass sich Bilder förderlich auf die Verständnisleistung auswirken können, gilt als gut untersucht (z.B. Carney & Levin, 2002). Anders als viele bisherige Studien erfassen wir Textverstehen mit impliziten Maßen, die differenziertere Rückschlüsse auf die, gängigen Theorien zufolge, zugrundeliegenden Prozesse zulassen: Textverstehen geht mit der Konstruktion von drei Ebenen mentaler Repräsentationen einher (vgl. Kintsch, 1998). Weiterhin bedeutet erfolgreiches Textverstehen, eine auf lokaler und globaler Ebene kohärente mentale Repräsentation zu konstruieren (z.B. Schnotz & Dutke, 2004).
Mit einem Satz-Rekognitionstest (vgl. Schmalhofer & Glavanov, 1986) untersuchten wir, ob sich das Gedächtnis für die Textoberfläche, die Textbasis und das Situationsmodell bei 103 8- und 10-Jährigen zwischen schriftlicher, auditiver und audiovisueller (Studie 1) und bei 106 7-, 9- und 11-Jährigen zwischen auditiver und audiovisueller Darbietung narrativer Texte (Studie 2) unterscheidet. Weiterhin (Studie 3) untersuchten wir mit 155 9- und 11-Jährigen, inwieweit sich die Fähigkeit der Inferenzbildung zur Herstellung lokaler und globaler Kohärenz zwischen schriftlicher, auditiver und audiovisueller Darbietung unterscheidet. Als Indikator dienten die Reaktionszeiten auf Wörter, die mit einem über (global)- oder untergeordneten (lokal) Protagonistenziel assoziiert sind.
Insgesamt zeigte sich, dass Schüler bis zu einem Alter von 11 Jahren nicht nur die Textoberfläche besser erinnern, sondern auch besser in der Lage sind ein Situationsmodell zu konstruieren, wenn einem Text Bilder beigefügt sind. Dies zeigte sich sowohl im Vergleich mit auditiver als auch mit schriftlicher Darbietung. Bei Erwachsenen zeigte sich kein Effekt der Darbietungsform. Sowohl 9- als auch 11-Jährigen gelingt außerdem die Herstellung globaler Kohärenz bei audiovisueller Darbietung besser als bei auditiver. Die schriftliche Darbietung zeigte sich im Vergleich zur auditiven sowohl im Hinblick auf lokale als auch auf globale Kohärenz überlegen.
N2  - In three studies, we investigated, if and how different modes of presentation - written, auditory, audiovisual (auditory combined with pictures) - affect comprehension of semantically identical materials. Children, beginning from the age of 7, and adults were included into the studies. A vast amount of studies have shown that pictures can facilitate text comprehension (e.g. Carney & Levin, 2002).
Other than the majority of these previous studies, we assessed text comprehension with methods that we assume to allow more differentiated insights into the cognitive processes that - according to current theories - underlie text comprehension. Text comprehension involves at least three levels of mental representations (see Kintsch, 1998). Moreover, text comprehension means constructing a locally and globally coherent mental representation of the text content.
Using a sentence recognition task (see Schmalhofer & Glavanov, 1986), we examined whether the memory of the text surface, the text base, and the situation model differs between written, auditory, and audiovisual text presentation in a sample of 103 8- and 10-year-olds and adults (Study I), and between auditory and audiovisual text presentation in a sample of 106 7-, 9-, and 11-year-olds (Study II). Furthermore, we examined with 155 9- and 11-year-olds, whether the ability to draw inferences to establish local and global coherence differs between written, auditory, and audiovisual text presentation. These inferences were indicated by reaction times to words associated with a protagonist's super- (global) or subordinate (local) goal. 
Overall, the results of these three studies taken together, indicate that children up to age 11 do not only have better memory of not only the text surface, but also of the situation model when pictures are added to an auditory text. This effect became apparent in comparison with both auditory and written texts. For the adults, in contrast, we did not find an effect of the presentation mode. Furthermore, both 9- and 11-year-olds were better at establishing global coherence at audiovisual compared to auditory text presentation. Written presentation turned out to be superior to auditory presentation in terms of both local and global coherence.
KW  - Textverstehen
KW  - text comprehension
KW  - picture comprehension
KW  - mental representation
KW  - coherence
KW  - children
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162515
ER  - 
TY  - THES
A1  - Namal, Imge
T1  - Fabrication and Optical and Electronic Characterization of Conjugated Polymer-Stabilized Semiconducting Single-Wall Carbon Nanotubes in Dispersions and Thin Films
T1  - Herstellung und Optische- und Elektronische- Charakterisierung von konjugierten Polymer-stabilisierten halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren in Dispersionen und dünnen Filmen
N2  - In order to shrink the size of semiconductor devices and improve their
efficiency at the same time, silicon-based semiconductor devices have
been engineered, until the material almost reaches its performance
limits. As the candidate to be used next in semiconducting devices,
single-wall carbon nanotubes show a great potential due to their
promise of increased device efficiency and their high charge carrier
mobilities in the nanometer size active areas. However, there are
material based problems to overcome in order to imply SWNTs in the
semiconductor devices. SWNTs tend to aggregate in bundles and it is
not trivial to obtain an electronically or chirally homogeneous SWNT
dispersion and when it is done, a homogeneous thin film needs to be
produced with a technique that is practical, easy and scalable. This
work was aimed to solve both of these problems.
In the first part of this study, six different polymers, containing
fluorene or carbazole as the rigid part and bipyridine, bithiophene or
biphenyl as the accompanying copolymer unit, were used to selectively
disperse semiconducting SWNTs. With the data obtained from
absorption and photoluminescence spectroscopy of the corresponding
dispersions, it was found out that the rigid part of the copolymer plays a
primary role in determining its dispersion efficiency and electronic
sorting ability. Within the two tested units, carbazole has a higher π
electron density. Due to increased π−π interactions, carbazole
containing copolymers have higher dispersion efficiency. However, the
electronic sorting ability of fluorene containing polymers is superior.
Chiral selection of the polymers in the dispersion is not directly
foreseeable from the selection of backbone units. At the end, obtaining a monochiral dispersion is found to be highly dependent on the used raw
material in combination to the preferred polymer.
Next, one of the best performing polymers due to high chirality
enrichment and electronic sorting ability was chosen in order to
disperse SWNTs. Thin films of varying thickness between 18 ± 5 to
755o±o5 nm were prepared using vacuum filtration wet transfer method
in order to analyze them optically and electronically.
The scalability and efficiency of the integrated thin film production
method were shown using optical, topographical and electronic
measurements. The relative photoluminescence quantum yield of the
radiative decay from the SWNT thin films was found to be constant for
the thickness scale. Constant roughness on the film surface and linearly
increasing concentration of SWNTs were also supporting the scalability
of this thin film production method. Electronic measurements on bottom
gate top contact transistors have shown an increasing charge carrier
mobility for linear and saturation regimes. This was caused by the
missing normalization of the mobility for the thickness of the active
layer. This emphasizes the importance of considering this dimension for
comparison of different field effect transistor mobilities.
N2  - Um die Verkleinerung in Halbleiterbauelementen zu erreichen und
gleichzeitig ihre Effizienz zu verbessern, wurden Halbleiterbauelemente
auf Siliziumbasis entwickelt, bis das Material seine
Leistungsgrenzen nahezu erreicht hat. Als zukünftiger Kandidat, der in
halbleitenden Geräten Verwendung finden wird, zeigen einwandige
Kohlenstoff−Nanoröhren ein großes Potenzial für eine erhöhte
Geräteeffizienz. Grund dafür sind ihre hohen
Ladungsträger−Mobilitäten in den ein paar Nanometergroßen aktiven
Flächen. Allerdings gibt es materialbasierte Probleme zu überwinden
um SWNTs in den Halbleiterbauelementen zu implizieren. SWNTs
neigen dazu in Bündeln zu aggregieren. Eine Herausforderung ist
zudem eine elektronische oder chiral homogene
Kohlenstoffnanorohr−Dispersion zu erhalten. Ein weiteres Problem ist,
aus diesen Kohlenstoffnanorohr−Dispersion einen homogenen
Dünn−Film mit einer Technik herzustellen die praktisch, einfach und
skalierbar ist. Diese Arbeit zielte darauf ab, diese beiden Probleme zu
lösen.
Im ersten Teil dieser Arbeit wurden sechs verschiedene Polymere, die
Fluoren oder Carbazol als starren Teil und Bipyridin, Bithiophen oder
Biphenyl als begleitende Copolymereinheit enthielten, verwendet um
selektiv halbleitende SWNTs zu dispergieren. Mit den aus der
Absorptions− und Photolumineszenzspektroskopie erhaltenen Daten
der entsprechenden Dispersionen wurde herausgefunden, dass der
starre Teil des Copolymers eine primäre Rolle bei der Bestimmung
seiner Dispersionseffizienz und der elektronischen Sortierfähigkeit
spielt. Innerhalb der beiden getesteten Einheiten hat Carbazol eine
höhere π−Elektronendichte. Aufgrund erhöhter π−π Wechselwirkungen haben Carbazol−haltige Copolymere eine höhere Dispersionseffizienz.
Die elektronische Selektivität von fluorenhaltigen Polymeren ist
gegenüber Carbazol enthaltenden Polymeren höher. Die chirale
Selektivität der Polymere in der Dispersion ist nicht direkt vor der
Auswahl der Grundgerüsteinheiten vorhersehbar. Am Ende wird das
Erhalten einer monochiralen Dispersion im hohen Maße von den
verwendeten Rohmaterialien in Kombination mit dem bevorzugten
Polymer abhängig gemacht.
Im nächsten Schritt wurde ein Polymer ausgewählt der durch eine hohe
Chiralitätanreicherung besticht und zudem eine gute elektronische
Sortierfähigkeit besitzt, um SWNTs zu dispergieren. Dünnfilme
unterschiedlicher Dicke, zwischen 18 ± 5 bis 755 ± 5 nm, wurden unter
der Verwendung eines Vakuumfiltrations−Nassübertragungsverfahrens
hergestellt um sie daraufhin optisch und elektronisch zu analysieren.
Die Skalierbarkeit und Effizienz des integrierten Dünnschichtherstellungsverfahrens
wurde anhand optischer, topographischer und
elektronischer Messungen gezeigt. Die relative Photolumineszenzquantenausbeute
des Strahlungsabfalls aus den SWNT−Dünnfilmen
wurde für den Dickenmaßstab konstant gehalten. Eine konstante
Rauigkeit auf der Filmoberfläche und eine linear zunehmende
Konzentration von SWNTs unterstützten auch die Skalierbarkeit dieses
Dünnfilmherstellungsverfahrens. Elektronische Messungen am „bottom
gate – top contact Transistoren“ zeigten eine zunehmende Ladungsträgermobilität
für Linear− und Sättigungsregionen. Dies wurde durch
die fehlende Normalisierung der Ladungsträgermobilität für die Dicke
der aktiven Schicht verursacht. Betrachtet man die Wichtigkeit, diese
Dimension für den Vergleich verschiedener Feldeffekttransistor−
Mobilitäten zu betrachten, so deutet diese Feststellung auch darauf hin,
dass es eine Skalierung in der Dicke in Bezug auf die berechneten
Mobilitäten für die Feldeffekttransistoren gibt.
KW  - single-wall carbon nanotubes
KW  - semiconductor devices
KW  - optical spectroscopy
KW  - polymer
KW  - Field effect transistor
KW  - Feldeffekttransistor
KW  - Optische Spektroskopie
KW  - Polymere
KW  - Halbleiter
KW  - Kohlenstoff-Nanoröhre
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162393
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ponce Garcia, Irene Paola
T1  - Strategies for optimizing dynamic MRI
T1  - Strategien zur Optimierung der dynamischen MR Bildgebung
N2  - In Magnetic Resonance Imaging (MRI), acquisition of dynamic data may be highly complex due to rapid changes occurred in the object to be imaged. For clinical diagnostic, dynamic MR images require both high spatial and temporal resolution. The speed in the acquisition is a crucial factor to capture optimally dynamics of the objects to obtain accurate diagnosis. In the 90’s, partially parallel MRI (pMRI) has been introduced to shorten scan times reducing the amount of acquired data. These approaches use multi-receiver coil arrays to acquire independently and simultaneously the data.
Reduction in the amount of acquired data results in images with aliasing artifacts. Dedicated methods as such Sensitivity Encoding (SENSE) and Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition (GRAPPA) were the basis of a series of algorithms in pMRI. 
Nevertheless, pMRI methods require extra spatial or temporal information in order to optimally reconstruct the data. This information is typically obtained by an extra scan or embedded in the accelerated acquisition applying a variable density acquisition scheme.
In this work, we were able to reduce or totally eliminate the acquisition of the training data for kt-SENSE and kt-PCA algorithms obtaining accurate reconstructions with high temporal fidelity.
For dynamic data acquired in an interleaved fashion, the temporal average of accelerated data can generate an artifact-free image used to estimate the coil sensitivity maps avoiding the need of extra acquisitions. However, this temporal average contains errors from aliased components, which may lead to signal nulls along the spectra of reconstructions when methods like kt-SENSE are applied. The use of a GRAPPA filter applied to the temporal average reduces these errors and subsequently may reduce the null components in the reconstructed data. In this thesis the effect of using temporal averages from radial data was investigated. Non-periodic artifacts performed by undersampling radial data allow a more accurate estimation of the true temporal average and thereby avoiding undesirable temporal filtering in the reconstructed images. kt-SENSE exploits not only spatial coil sensitivity variations but also makes use of spatio-temporal correlations in order to separate the aliased signals. Spatio-temporal correlations in kt-SENSE are learnt using a training data set, which consists of several central k-space lines acquired in a separate scan. The scan of these extra lines results in longer acquisition times even for low resolution images. It was demonstrate that limited spatial resolution of training data set may lead to temporal filtering effects (or temporal blurring) in the reconstructed data.
In this thesis, the auto-calibration for kt-SENSE was proposed and its feasibility was tested in order to completely eliminate the acquisition of training data. The application of a prior TSENSE reconstruction produces the training data set for the kt-SENSE algorithm. These training data have full spatial resolution. Furthermore, it was demonstrated that the proposed auto-calibrating method reduces significantly temporal filtering in the reconstructed images compared to conventional kt-SENSE reconstructions employing low resolution training images. However, the performance of auto-calibrating kt-SENSE is affected by the Signal-to-Noise Ratio (SNR) of the first pass reconstructions that propagates to the final reconstructions.
Another dedicated method used in dynamic MRI applications is kt-PCA, that was first proposed for the reconstruction of MR cardiac data. In this thesis, kt-PCA was employed for the generation of spatially resolved M0, T1 and T2 maps from a single accelerated IRTrueFISP or IR-Snapshot FLASH measurement. In contrast to cardiac dynamic data, MR relaxometry experiments exhibit signal at all temporal frequencies, which makes their reconstruction more challenging. However, since relaxometry measurements can be represented by only few parameters, the use of few principal components (PC) in the kt-PCA algorithm can significantly simplify the reconstruction. Furthermore, it was found that due to high redundancy in relaxometry data, PCA can efficiently extract the required information from just a single line of training data.
It has been demonstrated in this thesis that auto-calibrating kt-SENSE is able to obtain high temporal fidelity dynamic cardiac reconstructions from moderate accelerated data avoiding the extra acquisition of training data. Additionally, kt-PCA has been proved to be a suitable method for the reconstruction of highly accelerated MR relaxometry data.
Furthermore, a single central training line is necessary to obtain accurate reconstructions. Both reconstruction methods are promising for the optimization of training data acquisition and seem to be feasible for several clinical applications.
N2  - Dynamische Bildgebung mithilfe der Magnetresonanztomographie stellt eine besondere Herausforderung dar. Für klinische Anwendungen benötigt man Bilder mit hoher räumlicher und bei schnellen Bewegungen auch zeitlicher Auflösung. Technologische Fortschritte in den letzten Jahrzehnten konnten MRT-Experimente erheblich beschleunigen. Ein wichtiger Beitrag lieferte die parallele Bildgebung (pMRT), die durch die Entwicklung von Spulenarrays für den Empfang des MR-Signals ermöglicht wurde. In paralleler Bildgebung wird nur ein Teil der eigentlich benötigten Daten aufgenommen. Diese Unterabtastung des k-Raum führt zu Bildern mit Aliasing-Artefakten. Verschiedenste Algorithmen wurden entwickelt, um mittels der zusätzlichen räumlichen Informationen der Spulenarrays anschließend Bilder zu rekonstruieren. Heute spielen Sensitivity Encoding (SENSE) und Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisition (GRAPPA) eine große und bilden eine Grundlage für eine Vielzahl anderer Algorithmen.
Einen Großteil aller pMRT Methoden erfordern für optimale Ergebnisse zusätzliche räumliche
oder zeitliche Informationen zur Kalibrierung. Diese Kalibrations- oder Trainingsdaten werden in der Regel durch einen zusätzlichen Scan erzeugt oder in die beschleunigte Messung eingebettet aufgenommen. Das ist eine unerwünschte Verlängerung der Messzeit die Folge.
In dieser Arbeit konnten wir kt-SENSE und kt-PCA Rekonstruktionen dynamischer MRT Daten mit hoher zeitlicher Genauigkeit erzielen bei gleichzeitiger Reduktion bzw. sogar Beseitigung der benötigten Menge an Trainingsdaten.
Um die in beiden Methoden benötigten Spulensensitivitäten zu berechnen, kann bei bestimmten Abtastschemata mit dem Mittelwert der dynamischen Daten ein weitgehend Artefakt-freies Bild erzeugt werden. Dieser zeitliche Mittelwert enthält jedoch kleine Fehler, die durch die Anwendung von Methoden wie kt-SENSE zu Signalauslöschungen im Spektrum der rekonstruierten Daten führen können. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendung eines GRAPPA Filter auf den zeitlichen Mittelwert die Fehler in den Spulensensitivitäten reduziert und die Rekonstruktion von Daten aller Frequenzen ermöglicht. Eine weitere aufgezeigte Möglichkeit ist die Verwendung einer radialen Akquisition, die dank der inkohärenten Aliasing-Artefakte ebenfalls zu einer erheblich genaueren Abschätzung des zeitlichen Mittelwerts führt. Dies verhindert zeitliche Ungenauigkeiten in den rekonstruierten Bildern.
Zusätzliche zu Spulensensitivitäten verwenden Rekonstruktionsmethoden wie kt-SENSE Vorkenntnisse über räumlich-zeitliche Korrelationen, um Artefakte zu entfernen. Informationen darüber werden gewöhnlich aus voll aufgenommenen Trainingsdaten mit geringer Auflösung extrahiert. Die separate Akquisitions dieser Trainingsdaten verursacht eine unerwünschte Verlängerung der Messzeit. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die niedrige Auflösung der Trainingsdaten zu zeitlichen Filterungseffekten in den rekonstruierten Daten führen kann. Um dies zu verhindern und um die zusätzliche Aufnahme von Trainingsdaten zu vermeiden, wurde eine Autokalibrierung für kt-SENSE vorgeschlagen und untersucht. Hierbei werden die benötigten Trainingsdaten in einem ersten Schritt durch eine TSENSE Rekonstruktion aus den unterabgetasteten Daten selbst erzeugt. Dank der vollen Auflösung dieser Trainingsdaten kann das Auftreten eines zeitlichen Filters verhindert werden. Die Leistung der Auto-kalibration wird lediglich durch einen Einfluss des SNRs der TSENSE Trainingsdaten auf die finalen Rekonstruktionen beeinträchtigt.
Ein weiteres Verfahren für die dynamische MRT ist kt-PCA, das zunächst für die Rekonstruktion von MR-Herzdaten vorgeschlagen wurde. In dieser Arbeit wurde kt-PCA für die neurologische MR Relaxometrie verwendet. Hierbei konnten aus beschleunigten IRTrueFISP und IR-Snapshot-FLASH Messungen genaue M0, T1 und T2 Karten gewonnen werden. Im Gegensatz zur Herzbildgebung weisen MR Relaxometrie Datensätze Signal auf alles zeitlichen Frequenzen auf, was ihre Rekonstruktion mit konventionellen Methoden erschwert. Andererseits können die zeitlichen Signalverläufe mit einigen wenigen Parametern dargestellt werden und die Rekonstruktion mittels kt-PCA vereinfacht sich erheblich aufgrund der geringen Anzahl benötigter Hauptkomponenten (PC). Weiter wurde gezeigt, dass aufgrund der hohen Redundanz ein Trainingsdatensatz bestehend aus einer einzigen Zeile ausreicht, um alle relevanten Informationen zu erhalten.
In dieser Thesis wurde demonstriert, dass mit dem Ansatz einer auto-kalibrierten kt-SENSE Rekonstruktion Bilder mit hoher zeitlicher Genauigkeit aus beschleunigten Datensätzen des Herzens gewonnen werden können. Dies vermeidet die gewöhnlich benötigte zusätzliche Aufnahme von Trainingsdaten. Weiterhin hat sich kt-PCA als geeignetes Verfahren zur Rekonstruktion hochbeschleunigter MR Relaxometrie Datensätze erwiesen. In diesem Fall war ein Trainingsdatensatz bestehend aus einer einzelnen Zeile ausreichend für Ergebnisse mit hoher Genauigkeit.
KW  - Kernspintomografie
KW  - Dynamische Messung
KW  - Magnetic resonance
KW  - Magnetische Resonanz
KW  - Dynamic magnetic resonance imaging
KW  - Dynamische MR Bildgebung
KW  - DNMR-Spektroskopie
KW  - Bildgebendes Verfahren
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162622
ER  - 
TY  - THES
A1  - Narkhede, Yogesh
T1  - In silico structure-based optimisation of pyrrolidine carboxamides as Mycobacterium tuberculosis enoyl-ACP reductase inhibitors
T1  - In silico Struktur-basierte Optimierung von Pyrrolidin-Carbonsäureamiden als Mycobacterium tuberculosis Enoyl-ACP-Reduktase-Inhibitoren
N2  - The high infection rates and recent emergence of extremely drug resistant forms of
Mycobacterium tuberculosis pose a significant challenge for global health. The NADH-
dependent enoyl-ACP-reductase InhA of the type II mycobacterial fatty acid biosynthesis
pathway is a well-validated target for inhibiting mycobacterial growth. InhA has been
shown to be inhibited by a variety of compound series. Prominent classes of InhA
inhibitors from literature include diaryl ethers, pyrrolidine carboxamides and arylamides
which can be subjected to further development. Despite the progress in this area, very
few compounds are in clinical development phase. The present work involves a detailed
computational investigation of the binding modes and structure-based optimisation of
pyrrolidine carboxamides as InhA inhibitors.
With substituents of widely varying bulkiness, the pyrrolidine carboxamide dataset
presented a challenge for prediction of binding mode as well as affinity. Using advanced
docking protocols and in-house developed pose selection procedures, the binding modes
of 44 compounds were predicted. The poses from docking were used in short molecular
dynamics (MD) simulations to ascertain the dominant binding conformations for the
bulkier members of the series. Subsequently, an activity-based classification strategy
could be developed to circumvent the affinity prediction problems observed with this
dataset. The prominent motions of the bound ligand and the active site residues were
then ascertained using Essential Dynamics (ED). The information from ED and literature
was subsequently used to design a total of 20 compounds that were subjected to extensive
in-silico evaluations. Finally, the molecular determinants of rapid-reversible binding of
pyrrolidine carboxamides were investigated using long MD simulations.
N2  - Hohe Infektionsraten und das Auftreten von multiresistenten Formen von Mycobacterium
tuberculosis stellen eine große Herausforderung f ̈
ur das globale Gesundsheitswesen dar. Die
NADH-abh ̈angige Enoyl-ACP-Reduktase des mykobakteriellen Fetts ̈aure-Biosynthesewegs
II, InhA, ist ein gut validiertes Target zur Hemmung des mykobakteriellen Wachstums.
Es wurde gezeigt, dass InhA durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Verbindungs-
klassen gehemmt wird. Zu den bekanntesten Klassen von InhA-Inhibitoren aus der
Literatur geh ̈
oren Diphenylether, Pyrrolidincarboxamide und Arylamide, die zur weiteren
Entwicklung verwendet werden k ̈onnen. Trotz der Fortschritte in diesem Bereich sind
sehr wenige Verbindungen in einer klinischen Entwicklungsphase. Die vorliegende Arbeit
beinhaltet eine detaillierte computergest ̈
utzte Untersuchung der Bindungsmodi und die
strukturbasierte Optimierung von Pyrrolidincarboxamiden als InhA-Inhibitoren.
Aufgrund von Substituenten mit stark variierendem Raumanspruch stellt der Pyrrolidin-
carboxamid-Datensatz eine Herausforderung f ̈
ur die Vorhersage von Bindungsmodi und
Affinitit ̈aten dar. Mit aufw ̈andigen Docking-Protokollen und speziell zu diesem Zweck
entwickelten Posen-Auswahlverfahren wurden die Bindungsmodi f ̈
ur 44 Verbindungen
vorhergesagt. Die Posen des Dockings wurden in kurzen Molekulardynamik (MD) Sim-
ulationen verwendet, um die bevorzugten Bindungskonformationen f ̈
ur die r ̈
aumlich
anspruchsvollen Vertreter des Datensatzes zu ermitteln. Anschließend konnte eine akt-
ivit ̈atsbasierte Klassifizierungsstrategie entwickelt werden, um die in diesem Datensatz
beobachteten Probleme in der Affinit ̈
atsvorhersage zu umgehen. Die wesentlichen Bewe-
gungen des gebundenen Liganden und der Aminos ̈auren der Bindetasche wurden daraufhin
mit Essential Dynamics (ED) ermittelt. Informationen aus der ED-Analyse und der
Literatur wurden anschließend verwendet, um insgesamt 20 Verbindungen zu entwerfen,
die umfangreichen in-silico-Bewertungen unterzogen wurden. Schließlich wurden die
molekularen Determinanten der schnell-reversiblen Bindung von Pyrrolidincarboxamiden
unter Verwendung von langen MD Simulationen untersucht.
KW  - Tuberkelbakterium
KW  - Enoyl-acyl-carrier-protein-Reductase <Enoyl-[acyl-carrier-protein]-Reductase>
KW  - Pyrrolidinderivate
KW  - Arzneimitteldesign
KW  - Computational drug design
KW  - Mycobacterium tuberculosis InhA
KW  - Pyrrolidine carboxamides
KW  - Mycobacterium tuberculosis
KW  - Structure-based
KW  - enoyl ACP reductase
KW  - pyrrolidine carboxamides
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152468
ER  - 
TY  - THES
A1  - Eck, Martin
T1  - Iron- and Copper-catalyzed Borylation of Alkyl and Aryl Halides and B–B Bond Activation and NHC Ring-expansion Reactions of the Diboron(4) Compound Bis(ethylene glycolato)diboron (B\(_2\)eg\(_2\))
T1  - Eisen- und kupferkatalysierte Borylierung von Alkyl- und Arylhalogeniden und B-B Bindungsaktivierung und NHC Ringerweiterungsreaktionen der Diboran(4) Verbindung Bis(ethylenglykol)diboran (B\(_2\)eg\(_2\))
N2  - The purpose of the present work was, in the first part, to investigate the potential of iron-based metal complexes in catalytic borylation reactions with alkyl halides as substrates and B2pin2 as the borylation reagent. Moreover, extended studies of the recently reported, copper mediated borylation reactions of aryl halides were performed, including the screening of substrates and alkoxy bases as well as ligand-screening. Investigations were undertaken on the role of Cu-nanoparticles, which might be involved in this catalytic reaction. Furthermore, Cu-phosphine complexes were synthesized as precursors, but attempts to isolate Cu-boryl species which are intermediates in the proposed catalytic cycle were unsuccessful, although 11B NMR evidence for a Cu-boryl complex was obtained.
In the second part of this work, the alternative, Lewis-acidic diboron(4) compound bis(ethylene glycolato)diboron (B2eg2) was synthesized to compare its reactivity with the reactivity of other diboron(4) compounds (e.g. B2neop2, B2cat2, B2pin2 and B2(NMe2)4). Therefore, reactions of B2eg2 with different Lewis-bases, such as NHCs and phosphines, were performed to investigate the possible formation of sp2-sp3 or sp3-sp3 adducts and ring-expansion reactions (RERs).
The aim was to obtain a better general insight into the reactivity of diboron(4) compounds with Lewis-bases because they are both used as reactants in transition metal-catalyzed and metal-free borylation reactions. Understanding the B–B bond activation process promoted by Lewis-bases provides a new perspective on the reaction pathways available for various borylation reactions.
N2  - Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde das Potential eisenkatalysierter Borylierungsreaktionen von Alkylhalogeniden (Substrate) mit B2pin2 als Borylierungsreagenz untersucht. Weiterhin wurden detaillierte und intensive Untersuchungen zur literaturbekannten kupferkatalysierten Borylierung von Arylhalogeniden durchgeführt, einschließlich eines Screenings von unterschiedlich funktionalisierten Substraten und diversen Alkoxybasen. Es wurde ebenfalls ein sehr umfangreiches Ligandenscreening durchgeführt. Des Weiteren wurden die mögliche Entstehung und der mögliche Einfluss von Kupfernanopartikeln auf die Borylierungsreaktion untersucht.
Um Intermediate der kupferkatalysierten Borylierung zu untersuchen wurden Kupferphosphankomplexe als Vorläufermoleküle für die Synthese von Kupferborylkomplexen hergestellt. Aufgrund der sehr hohen Reaktivität gelang es jedoch nicht, die entsprechenden Kupferborylkomplexe zu isolieren und zu charakterisieren. Es gelang allerdings in einem in situ 11B{1H}-NMR-Experiment, ein 11B{1H}-Signal zu detektieren, welches in dem zu erwartendem Bereich für einen Kupferborylkomplex lag und einen ersten Hinweis für die Bildung eines solchen Kupferborylkomplexes lieferte.
Im zweiten Teil der vorliegenden Arbeit wurde das alternative, lewissaure Diboran(4)-Derivat Bis(ethylenglykol)diboran (B2eg2) synthetisiert, um dessen Reaktivität mit der Reaktivität von anderen Diboran(4)-Verbindungen (z.B. B2neop2, B2cat2, B2pin2 und B2(NMe2)4) zu vergleichen. Hierfür wurden Reaktionen von B2eg2 mit unterschiedlichen Lewisbasen wie NHCs und Phosphanliganden durchgeführt und die mögliche Bildung von sp2-sp3 oder sp3-sp3 hybridisierten mono- bzw. bis-Addukten sowie mögliche NHC-Ringerweiterungsreaktionen untersucht.
Im Allgemeinen wurde im zweiten Teil der Arbeit versucht ein besseres Verständnis über die Reaktivität von Diboran(4)-Verbindungen mit Lewisbasen zu erlangen, da beide als Reaktanten in übergangsmetallkatalysierten und metallfreien Borylierungsreaktionen verwendet werden. Dies macht es zwingend erforderlich die B–B-Bindungsaktivierung durch Lewisbasen zu verstehen, da hierdurch eine komplett neue Perspektive auf mögliche Reaktionspfade vieler Borylierungsreaktionen eröffnet wird.
KW  - Boron
KW  - Catalysis
KW  - Chemistry
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149791
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bolze, Tom
T1  - Photodynamics of a fluorescent tetrazolium salt and shaping of femtosecond Laguerre-Gaussian laser modes in time and space
T1  - Photodynamik eines fluoreszierenden Tetrazoliumsalzes und Formung von Femtosekunden Laguerre-Gauss Lasermoden in Raum und Zeit
N2  - This thesis will outline studies performed on the fluorescence dynamics of phenyl-benzo-
[c]-tetrazolo-cinnolium chloride (PTC) in alcoholic solutions with varying viscosity using
time-resolved fluoro-spectroscopic methods. Furthermore, the properties of femtosecond
Laguerre-Gaussian (LG) laser pulses will be investigated with respect to their temporal
and spatial features and an approach will be developed to measure and control the spatial
intensity distribution on the time scale of the pulse.
Tetrazolium salts are widely used in biological assays for their low oxidation and reduction
thresholds and spectroscopic properties. However, a neglected feature in these applications
is the advantage that detection of emitted light has over the determination of the
absorbance. To corroborate this, PTC as one of the few known fluorescent tetrazolium
salts was investigated with regard to its luminescent features. Steady-state spectroscopy
revealed how PTC can be formed by a photoreaction from 2,3,5-triphenyl-tetrazolium
chloride (TTC) and how the fluorescence quantum yield behaved in alcoholic solvents
with different viscosity. In the same array of solvents time correlated single photon counting
(TCSPC) measurements were performed and the fluorescence decay was investigated.
Global analysis of the results revealed different dynamics in the different solvents, but
although the main emission constant did change with the solvent, taking the fluorescence
quantum yield into consideration resulted in an independence of the radiative rate from
the solvent. The non-radiative rate, however, was highly solvent dependent and responsible
for the observed solvent-related changes in the fluorescence dynamics. Further studies
with the increased time resolution of femtosecond fluorescence upconversion revealed an
independence of the main emission constant from the excitation energy, however the dynamics
of the cooling processes prior to emission were prolonged for higher excitation
energy. This led to a conceivable photoreaction scheme with one emissive state with a
competing non-radiative relaxation channel, that may involve an intermediate state.
LG laser beams and their properties have seen a lot of scientific attention over the past two
decades. Also in the context of new techniques pushing the limit of technology further to
explore new phenomena, it is essential to understand the features of this beam class and
check the consistency of the findings with theoretical knowledge. The mode conversion
of a Hermite-Gaussian (HG) mode into a LG mode with the help of a spiral phase plate
(SPP) was investigated with respect to its space-time characteristics. It was found that
femtosecond LG and HG pulses of a given temporal duration share the same spectrum
and can be characterized using the same well-established methods. The mode conversion
proved to only produce the desired LG mode with its characteristic orbital angular momentum
(OAM), that is conserved after frequency doubling the pulse. Furthermore, it
was demonstrated that temporal shaping of the HG pulse does not alter the result of its
mode-conversion, as three completely different temporal pulse shapes produced the same
LG mode. Further attention was given to the sum frequency generation of fs LG beams
and dynamics of the interference of a HG and a LG pulse. It was found that if both are
chirped with inverse signs the spatial intensity distribution does rotate around the beam
axis on the time scale of the pulse. A strategy was found that would enable a measurement
of these dynamics by upconversion of the interference with a third gate pulse. The results
of which are discussed theoretically and an approach of an experimental realization had
been made. The simulated findings had only been reproduced to a limited extend due to
experimental limitations, especially the interferometric stability of the setup.
N2  - Die vorliegende Arbeit wird eine Übersicht über die durchgeführten Studien, die die Fluoreszenzdynamiken
von Phenyl-Beno-[c]-Tetrazolo-Cinnolinum Chlorid (PTC) in alkoholischen
Lösungsmitteln verschiedener Viskosität mit Hilfe von zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie
untersuchen, liefern. Des weiteren werden die Eigenschaften von Laserpulsen
mit Laguerre-Gauss (LG) strahlprofilen in Hinblick auf ihre räumlichen und zeitlichen
Charakteristika beleuchtet und ein Ansatz entwickelt, die räumliche Intensitätsverteilung
zu messen und auf der Zeitskala der Pulse zu kontrollieren.
Tetrazoliumsalze sind aufgrund ihrer niedrigen Oxidations- und Reduktionspotentiale und
ihrere spektroskopischen Eigenschaften weit verbreitet in biologischen Assays. Allerdings
wird in diesen Anwendungen der Vorteil, den Messungen der Lichtesmission gegenüber
der Lichtabsorption haben, vernachlässigt. Um das zu ergründen wurde PTC, als eines
der wenigen bekannten Tetrazoliumsalze welches fluoresziert, im Hinblick auf seine lichtemittierenden
Eigenschaften untersucht. Statische Spektroskopie wies nach, wie PTC
aus einer Photoreaktion aus 2,3,5-Triphenyl-Tetrazoliumchlorid (TTC) erzeugt werden
konnte und wie sich die Fluoreszenzquantenausbeute in alkoholischen Lösungsmitteln mit
unterschiedlicher Viskosität verhält. In den gleichen Lösungsmitteln wurden zeitkorreliertes
Einzelphotonen Zählen (TCSPC) durchgeführt und der Fluoreszenzzerfall untersucht.
Die globale Analyse der Ergebnisse hat gezeigt, das die Dynamiken sich in den verschiedenen
Lösungsmitteln unterscheiden, die Konstante, welche die Hauptemission beschreibt,
sich in den unterschiedlichen Lösungsmitteln zwar verändert, aber wenn die Fluoreszenzquantenausbeute
auch berücksichtigt wird, zu Raten der Lichtemission führte, die unabhängig vom Lösungsmittel sind. Die nichststrahlende Rate allerdings hängt stark vom
Lösungsmittel ab und ist auch verantwortlich für die unterschiedlichen Dynamiken in den
verschiedenen Lösungen. Weitere Studien, die mit der höheren zeitlichen Auflösung der
Fluoreszenzaufkonversionsmethode durchgeführt wurden, ergaben, dass die Hauptfluoreszenz
unabhängig von der Anregungsenergie ist, aber die Relaxationsprozesse, welche vor
der Lichtaussendung stattfinden, mit höherer Anregungsenergie länger dauern. Die Ergebnisse
mündeten in ein denkbares Photoreaktionsschema, das durch einen strahlenden
Zustand gekennzeichnet ist und einen konkurrierenden nichtstrahlenden Zerfallspfad besitzt,
welcher einen kurzlebigen Zwischenzustand besitzen könnte.
Laguerre-Gauss Laserstrahlen und ihre Eigensachften haben in den letzten zwei Jahrzehnten
viel wissenschaftliche Aufmerksamkeit erhalten. Auch im Hinblick auf neue Methoden,
die die technologische Machbarkeitsgrenze verschieben, um neue Phänomene zu
erforschen, ist es notwendig, das Verständnis über diese Strahlklasse zu erweitern und die
Konsistenz der Resultate mit dem theoretischen Wissen abzugleichen und in Einklang zu
bringen. Die Konversion einer Hermite-Gauss (HG) Mode in eine LG Mode, mit Hilfe
einer spiralen Phasenplatte (SPP), wurde im Hinblick auf ihre räumlich-zeitlichen Charakteristika
untersucht. Es wurde herausgefunden, dass Femtosekunden HG und LG Pulse
einer bestimmten zeitlichen Dauer das gleiche Spektrum besitzen und durch die gleichen
etablierten Methoden charakterisiert werden können. Es stellte sich heraus, dass die Modenkonversion
nur die gewünschte LG Mode mit ihrem charakeristischen orbitalen Drehimpuls
(OAM), der bei Frequenzverdopplung erhalten bleibt, erzeugt. Außerdem wurde
demonstriert, dass ein zeitlich geformter Femtosekunden HG Puls nicht das Resultat der
Modenkonversion beeinflusst, da zeitlich völlig verschieden strukturierte Pulse die gleiche
LG Mode erzeugen. Des weiteren wurde die Summenfrequenz von fs LG Strahlen und die
Dynamik der Interferenz eines HG und eines LG Pulses beleuchtet. Es wurde gefunden,
dass wenn beide entgegengesetzt gechirpt sind, die räumliche Intensitätsverteilung auf
der Zeitskala der Pulse um die Strahlachse rotiert. Theoretisch wurde ein Vorgehen entwickelt,
das eine Messung dieser Dynamik, durch die Aufkonversion der Interferenz mit
einem dritten Gate-Puls, ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Methode wurden auf theoretischer
Ebende diskutiert und ein Versuch einer experimentellen Realisierung wurde
unternommen. Allerdings konnten die gemessenen Resultate, aufgrund experimenteller
Limitierungen insbesondere der interferometrischen Stabilität, die theoretischen Erwartungen
nur bedingt demonstrieren.
KW  - Tetrazoliumsalze
KW  - Fluoreszenz
KW  - Femtosekundenlaser
KW  - Zeitauflösung
KW  - Impulsformung
KW  - Lasermode
KW  - Laguerre-Gauss
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160902
ER  - 
TY  - THES
A1  - Albert, Julian
T1  - Quantum Studies on Low-Dimensional Coupled Electron-Nuclear Dynamics
T1  - Quantentheoretische Untersuchungen niederdimensionaler gekoppelter Elektronen-Kern-Dynamik
N2  - In the context of quantum mechanical calculations, the properties of non-adiabatic coupling in a small system, the Shin-Metiu model, is investigated.
The transition from adiabatic to non-adiabatic dynamics is elucidated in modifying the electron-nuclear interaction. This allows the comparison of weakly correlated electron-nuclear motion with the case where the strong correlations determine the dynamics. 
The studies of the model are extended to include spectroscopical transitions being present in two-dimensional and degenerate four-wave mixing spectroscopy. 
Furthermore, the quantum and classical time-evolution of the coupled motion in the complete electron-nuclear phase space is compared for the two coupling cases. 
Additionally, the numerically exact electron flux within the weak coupling case is compared to the Born-Oppenheimer treatment.
In the last part of the thesis, the model is extended to two dimensions.
The system then possesses potential energy surfaces which exhibit a typical 'Mexican hat'-like structure and a conical intersection in the adiabatic representation. 
Thus, it is possible to map properties of the system onto a vibronic coupling (Jahn-Teller) hamiltonian. Exact wave-packet propagations as well as nuclear wave-packet dynamics in the adiabatic and diabatic representation are performed.
N2  - Im Rahmen quantenmechanischer Rechnungen werden die Eigenschaften nicht-adiabatischer Kopplungen in einem kleinen Modellsystem, dem Shin-Metiu Modell, untersucht. Die Fallunterscheidung zwischen adiabatischen und nicht-adiabatischen Prozessen wird durch eine Parameterisierung der Elektronen-Kernwechselwirkung realisiert. Dies ermöglicht den Vergleich zwischen korrelierter und unkorrelierter Elektronen-Kernbewegung.
Innerhalb dieser zwei Extrema werden die Eigenfunktionen betrachtet und der Einfluss nicht-adiabtischer Kopplungen auf diese analysiert. Es wird gezeigt, dass im Fall einer schwachen Kopplung die Eigenfunktionen als adiabatisches Produkt dargestellt werden können, soweit die adiabatischen elektronischen Eigenfunktionen voneinander entkoppelt sind und unterschiedlichen elektronischen Charakter besitzen. Auf der anderen Seite sind die adiabatischen elektronischen Eigenfunktionen und die Vibrationseigenfunktionen im Bereich einer starken Kopplung miteinander gekoppelt, und es zeigt sich, dass die Eigenfunktionen in der diabatischen Darstellung eine zur adiabatischen äquivalente, aber intuitivere Beschreibung darstellen.
Anhand dieser Ergebnisse wird eine Diabatisierung und ein Vergleich zwischen exakter Elektronen-Kernpropagation und der Propagation im diabatischen Bild durchgeführt. Dieser Vergleich ist in sehr guter Übereinstimmung und zeigt, dass der Ansatz der Diabatisierung für unkorrelierte Elektronen-Kernbewegungen hinreichend ist und gleichzeitig klassifiziert er die Wellepacket-dynamik im Bereich starker Kopplungen als diabatisch.
Die theoretischen Untersuchungen des eindimensionalen Modells werden auf spektroskopische Übergänge erweitert, welche lineare und nichtlineare System-Feld Wechselwirkungen beinhalten. Ein Vergleich zwischen zweidimensionalen Spektren bezüglich schwach und stark gekoppelter Elektronen-Kern Dynamik zeigt, dass im Fall schwacher Kopplungen, die Spektren durch analoge Rechnungen im Rahmen der Born-Oppenheimer Näherung reproduzierbar sind. Es zeigt sich, dass diejenigen Teile des Spektrums, welche auf gleiche Weise nicht reproduzierbar sind, elektronisch gemischten Zuständen, aufgrund starker nicht-adiabtischer Kopplungen, zuzuordnen sind.  
Die Möglichkeit, das System zwischen schwacher und starker Kopplung zu variieren, erlaubt es Vibrationskohärenzen und elektronischen Kohärenzen in zweidimensionalen Spektren zu analysieren. Dazu werden die zweidimensionalen Spektren als Funktion der Populationszeit betrachtet.
Es ergibt sich, dass im Fall schwacher Kopplungen die Kohärenzen während der Populationszeit Vibrationskohärenzen zugeordnet werden können. Im Gegensatz dazu ergeben sich im Bereich starker Kopplungen, aufgrund des gemischten elektronischen Charakters der Zustände, Kohärenzen
vibronischer Art. Als weitere Methode wird die Degenerierte-Vier-Wellen-Mischen Spektroskopie (FWM) untersucht. Diese ist in der Lage Grundzustandsdynamiken und Dynamiken im angeregten Zustand separat zu verfolgen. Sowohl für negative als auch für positive Verzögerungszeiten werden die zwei verschiedenen Kopplungsszenarien untersucht und der Zusammenbruch dieser Methode bezüglich der nicht möglichen Trennung der Grundzustandsdynamik und Dynamik im angeregten Zustand innerhalb der adiabatischen Beschreibung betrachtet.
Als weiterer Aspekt, wird die quantenmechanische und klassische Zeitentwicklung der gekoppelten Elektronen-Kernbewegung im vollständigen Phasenraum für verschiedene Kopplungsstärken verglichen. Im Fall schwacher Kopplung stimmt im Kurzzeitverhalten die klassische Berechung mit
der quantenmechanischen gut überein. Dies kann auch im Fall starker Kopplungen gezeigt werden, was die weitere Schlussfolgerung zulässt, dass die Dynamik im Bereich starker Kopplungen hauptsächlich in einem diabatischen Zustand stattfindet. Das zeigt, dass die klassische Bewegung sehr ähnlich zu der diabatischen quantenmechanischen Bewegung verläuft. Als Konsequenz reproduziert eine klassische Bewegung im vollständigen Phasenraum eine quantenmechanische,
bei der nicht-adiabatische Kopplungen stark involviert sind.
Als letzte Betrachtung des eindimensionalen Shin-Metiu Modells, wird der Elektronenfluss im schwach gekoppelten Fall untersucht und der numerisch exakt berechnete Fluss mit dem in der Born-Oppenheimer Näherung verglichen. Innerhalb der üblichen Definition verschwindet der Elektronenfluss im Rahmen der Born-Oppenheimer Näherung. Durch die Verwendung der Kontinuitätsgleichung für den Elektronenfluss ergibt sich jedoch ein nicht-verschwindender Elektronenfluss. Weiter wurde ein Reflektionsprinzip hergeleitet, welches den Elektronenfluss auf den Kernfluss abbildet und umgekehrt.
Zum Abschluss der Untersuchungen des eindimensionalen Shin-Metiu Modells wird das System auf zwei Dimensionen erweitert. Dabei zeigt sich, dass die adiabatischen Potentialflächen des Modells eine typische 'Mexican-hat' Topologie aufweist. Daraus ergibt sich, dass es möglich ist das System auf einen vibronischen (Jahn-Teller) Hamiltonian zurückzuführen. Im Zuge dessen wird das zweidimensionale System hinsichtlich der exakten Elektronen-Kerndynamik, sowie der Dynamik in den adiabatischen und diabatischen Anschauungen betrachtet.
Die durchgeführten Rechnungen zeigen, dass das Passieren eines Wellenpaketes durch eine Konische Durchschneidung als eine diabatische Dynamik klassifiziert werden kann, wobei ein effizienter adiabatischer Populations-transfer stattfindet. Dieser Prozess kann sehr gut im diabatischen Bild reproduziert werden. Des Weiteren wird eine Wellenpaketdynamik um eine Konische Durchschneidung herum betrachtet und als adiabatische Dynamik klassifiziert.
Der interessante Aspekt der geometrischen Phase, die mit dem Umrunden einer Konischen Durchschneidung assoziiert ist, wird mit der Rotation der elektronischen Wellenfunktion verknüpft.
Zusätzlich wird hier das Auftreten der geometrische Phase in Autokorrelationsfunktionen und den daraus abgeleiteten Spektren charakterisiert. Die geometrische Phase wird zusätzlich als Mischungswinkel der Transformation zwischen dem diabatischen und adiabatischen Bild explizit berechnet.
Zusammenfassend zeigen die Rechnugen an den verwendeten Modellsystemen viele fundamentale Aspekte der korrelierten Elektronen-Kerndynamik, obwohl sie auf lediglich zwei Partikel begrenzt sind.
KW  - Theoretische Chemie
KW  - Quantentheorie
KW  - Shin-Metiu Model
KW  - Coupled Electron-Nuclear Dynamics
KW  - Conical Intersection
KW  - Geometric Phase
KW  - Two-dimensional Spectroscopy
KW  - Electron Flux
KW  - Theoretical Chemistry
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161512
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kalleda, Nataraja Swamy
T1  - Spatiotemporal analysis of immune cell recruitment and Neutrophil defence functions in \(Aspergillus\) \(fumigatus\) lung infections
T1  - Zeitliche und örtliche Analyse der Immunzellrekrutierung und der durch Neutrophile Granulozyten vermittelten Abwehr
gegen \(Aspergillus\) \(fumigatus\) Infektionen der Lunge
N2  - Humans are continuously exposed to airborne spores of the saprophytic fungus Aspergillus fumigatus. In healthy individuals, local pulmonary host defence mechanisms can efficiently eliminate the fungus without any overt symptoms. In contrast, A. fumigatus causes devastating infections in immunocompromised patients. However, local host immune responses against A. fumigatus lung infections in immunocompromised conditions have remained largely elusive.
Given the dynamic changes in immune cell subsets within tissues upon immunosuppressive therapy, we dissected the spatiotemporal pulmonary immune response after A. fumigatus infection to reveal basic immunological events that fail to effectively control the invasive fungal disease. In different immunocompromised murine models, myeloid but not lymphoid cells were strongly recruited upon infection. Notably, neutrophils and macrophages were recruited to infected lungs in different immunosuppressed regimens. Other myeloid cells, particularly dendritic cells and monocytes were only recruited in the corticosteroid model after infection. Lymphoid cells, particularly CD4+ or CD8+ T-cells and NK cells were highly reduced upon immunosuppression and were not recruited after A. fumigatus infection. Importantly, adoptive CD11b+ myeloid cell transfer rescued immunosuppressed mice from lethal A. fumigatus infection. These findings illustrate that CD11b+ myeloid cells are critical for anti-A. fumigatus defence under immunocompromised conditions.
Despite improved antifungal agents, invasive A. fumigatus lung infections cause a high rate morbidity and mortality in neutropenic patients. Granulocyte transfusions have been tested as an alternative therapy for the management of high-risk neutropenic patients with invasive A. fumigatus infections. To increase the granulocyte yield for transfusion, donors are treated with corticosteroids. Yet, the efficacy of granulocyte transfusion and the functional defence mechanisms of granulocytes collected from corticosteroid treated donors remain largely elusive.

We aimed to assess the efficacy of granulocyte transfusion and functional defence mechanisms of corticosteroid treated granulocytes using mouse models.
In this thesis, we show that transfusion of granulocytes from corticosteroid treated mice did not protect cyclophosphamide immunosuppressed mice against lethal A. fumigatus infection in contrast to granulocytes from untreated mice. Upon infection, increased levels of inflammatory cytokines helped to recruit granulocytes to the lungs without any recruitment defects in corticosteroid treated and infected mice or in cyclophosphamide immunosuppressed and infected mice that have received the granulocytes from corticosteroid treated mice. However, corticosteroid treated human or mouse neutrophils failed to form neutrophil extracellular traps (NETs) in in vitro and in vivo conditions. Further, corticosteroid treated granulocytes exhibited impaired ROS production against A. fumigatus. Notably, corticosteroids impaired the β-glucan receptor Dectin-1 (CLEC7A) on mouse and human granulocytes to efficiently recognize and phagocytize A. fumigatus, which markedly impaired fungal killing. We conclude that corticosteroid treatment of granulocyte donors for increasing neutrophil yields or patients with ongoing corticosteroid treatment could result in deleterious effects on granulocyte antifungal functions, thereby limiting the benefit of granulocyte transfusion therapies against invasive fungal infections.
N2  - Der Mensch kommt über die Atemluft in regelmäßigem Kontakt mit Sporen des saprophyitschen Pilzes Aspergillus fumigatus. Glücklicherweise eliminieren die lokalen Abwehrmechanismen der Lunge den Pilz in gesunden Individuen sehr effektiv und ohne offenkundige Symptome. In immunkomprimierten Patienten hingegen verursacht A. fumigatus verheerende Infektionen. Allerdings ist die lokale Immunreaktion gegen A.fumigatus-vermittelte Infektionen der Lunge unter immunsuppressiven 
Bedingungen immer noch  nicht ausreichend definiert.

In Anbetracht der dynamischen Veränderungen an Immunzellunterpopulationen im Gewebe nach 
immunsuppressiver Therapie haben wir die zeitliche und örtliche pulmonale Immunreaktion nach A. 
fumigatus infektion untersucht, um die grundlegenden immunologischen Geschehnisse aufzudecken, die 
in dieser Situation zur unzureichenden Kontrolle des Pilzes führen. In anderen immunsupprimierten 
Mausmodellen fand eine starke Rekrutierung myeloider Zellen nach Infektion statt. In besonderem 
Maße wurden nach der Infektion Neutrophile und Makrophagen in die Lunge immunsupprimierter Mäuse 
rekrutiert. Andere myeloide Zellen, insbesondere dendritische Zellen und Monozyten, wurden nur im 
Corticosteroid-Modell nach Infektion rekrutiert. Lymphoide Zellen, insbesondere CD4+ oder CD8+ 
Zellen und NK Zellen, waren nach Immunsuppression stark reduziert und wurden nach Infektion mit A. 
fumigatus nicht rekrutiert. Adoptiver Zelltransfer von CD11b+ myeloiden Zellen stellte die Abwehr 
immunsupprimierter Mäuse gegen A. fumigatus wieder her, was die wesentliche Bedeutung dieser Zellen 
in der Immunabwehr unterstreicht. Diese Erkenntnisse verdeutlichen, dass CD11b+ myeloide Zellen unter immunkomprimierten Bedingungen entscheidend für die Abwehr gegen A-fumigatus sind. ...
KW  - Aspergillus fumigatus
KW  - Neutrophils
KW  - Spatiotemporal analysis
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150931
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pennington, Laura Sophie
T1  - The role of Cadherin-13 in serotonergic neurons during different murine developmental stages
T1  - Die Rolle von Cadherin-13 in serotonergen Neuronen während verschiedener Entwicklungsstadien in der Maus
N2  - Abstract
Background: Attention-deficit/ hyperactivity disorder (ADHD) ranges among the most common neurodevelopmental disorders worldwide with a prevalence of 3-12% in childhood and 1-5% for adults. Over the last decade extensive genetic research has been conducted in order to determine its causative genetic factors. None of the so far identified susceptibility genes, however, could explain the estimated ADHD heritability of 76%. In this thesis one of the most promising candidates -Cadherin 13 (Cdh13) - was examined in terms of its influence on the central serotonergic (5-HT) system. In addition to that, the Cdh13 protein distribution pattern was analysed over time.
Methods: The developing serotonergic system was compared over three embryonic and postnatal stages (E13.5, E17.5 and P7) in different Cdh13 genotypes (WT, HZ and KO) using immunohistochemistry and various double staining protocols.
Results: The raphe nuclei of the 5-HT system develop in spite of Cdh13 absence and show a comparable mature constellation. The cells in the KO, however, are slightly more scattered than in the WT. Furthermore the dynamics of their formation is altered, with a transient delay in migration at E13.5. In early developmental stages the total amount of serotonergic cells is reduced in KO and HZ, though their proportional distribution to the raphe nuclei stays constant. Strikingly, at P7 the absolute numbers are comparable again.
Concerning the Cdh13 protein, it shows high concentrations on fibres running through hindbrain and midbrain areas at E13.5. This, however, changes over time, and it becomes more evenly spread until P7. Furthermore, its presence in serotonergic cells could be visualised using confocal microscopy. Since the described pattern is only in parts congruent to the localisation of serotonergic neurons, it is most likely that Cdh13 is present in other developing neurotransmitter systems, such as the dopaminergic one, as well.
Conclusion: It could be proven that Cdh13 is expressed in serotonergic cells and that its knockout does affect the developing serotonergic system to some degree. Its absence, however, only slightly and transiently affects the measured parameters of serotonergic system development, indicating a possible compensation of CDH13 function by other molecules in the case of Cdh13 deficiency. In addition further indicators could be found for an influence of Cdh13 on outgrowth and path finding of neuronal processes.
N2  - Zusammenfassung
Hintergrund: Das Aufmerksamkeits-Defizit/ Hyperaktivitäts-Syndrom (ADHS) gehört zu den häufigsten psychiatrischen Erkrankungen weltweit und betrifft 3- 12% aller Kinder und 1-5% der Erwachsenen. In den letzten Jahren wurde eine große Anzahl verschiedener genetischer Studien durchgeführt, um die zugrunde liegenden genetischen Ursachen genauer zu bestimmen. Von den vielen hundert bis dato gefundenen Kandidatengenen erreichte jedoch keines eine ausreichende statistische Signifikanz. Diese Arbeit befasst sich mit Cadherin 13, einem der vielversprechendsten Kandidatengene, und untersucht einen möglichen Zusammenhang mit der Entwicklung des serotonergen Systems. Zusätzlich wird das Cdh13 Verteilungsmuster im ZNS über die Zeit analysiert.
Methoden: Es wurden embryonale und postnatale Entwicklungsstadien des serotonergen Systems (E13.5, E17.5 und P7) in drei Cdh13 Genotypen mit (WT, HZ, KO) verglichen. Dabei kamen Methoden der Immunhistochemie und diverse Doppelfärbungsprotokolle zum Einsatz.
Ergebnisse: Die Raphe Kerne des serotonergen Systems entwickeln sich trotz fehlendem Cdh13 und zeigen im ausgereiften Zustand eine ähnliche Morphologie in allen Genotypen. Allerdings liegen die Neurone der Raphe Kerne im KO etwas weiter verstreut. Zudem hat es den Anschein als wäre die Dynamik ihrer Entwicklung beeinträchtigt. So liegt beispielsweise um E13.5 der KO im Vergleich zum WT vorübergehend etwas zurück. Außerdem weisen die frühen Entwicklungsstadien im KO und HZ deutlich reduzierte Zellzahlen auf, wobei deren anteilmäßige Verteilung zu den einzelnen Raphe Kernen zwischen den Genotypen unverändert ist. Überraschenderweise finden sich in P7 wieder vergleichbare Zellzahlen.
Was die Verteilung von Cdh13 betrifft, so liegt es ab E13.5 vor allem auf Fasern von Hirnstamm und Mittelhirn in hohen Konzentrationen vor. Im Laufe der Entwicklung verliert Cdh13 diese begrenzte Lokalisation und zeigt sich homogen in weiten Teilen des ZNS verteilt. Da sein Verteilungsmuster nur teilweise Ähnlichkeiten mit dem 5-HT System aufweist, muss davon ausgegangen werden, dass es noch in anderen Neurotransmittersystemen wie etwa dem dopaminergen System eine Rolle spielt.
Schlussfolgerung: Es ist gezeigt worden, dass Cdh13 in serotonergen Zellen exprimiert wird und seine Abwesenheit Einfluss auf die Entwicklung des serotonergen Systems nimmt. Angesichts seiner geringen Auswirkungen lässt sich allerdings vermuten, dass sein Fehlen teilweise von anderen Molekülen kompensiert wird. Darüber hinaus sind weitere Hinweise darauf gefunden worden, dass Cdh13 eine Rolle bei der Lenkung auswachsender neuronaler Fortsätze spielt.
KW  - Cadherine
KW  - Serotonerge Nervenzelle
KW  - Maus
KW  - Epigenetik
KW  - Cadherin 13
KW  - Raphe Kerne
KW  - ADHS
KW  - Neurodevelopment
KW  - Genetics
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161331
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dietz, Daniel
T1  - Essays on Human Resource Management in view of training, retention and compensation
T1  - Studien zum Personalmanagement in Bezug auf Weiterbildung, Verbleib im Unternehmen und Vergütung
N2  - The analysis of how a general change, an economic shock and a modified institutional framework condition affect the HRM process, provide the motivation for the present dissertation. Thereby, the dissertation concentrates on certain areas of the HRM process, namely compensation, further training and retention, as well as changes and challenges that have been subject to a high degree of public interest in recent years. It consists of three essays, all self-contained and independently readable. 
The first essay investigates whether it is possible to keep employees in the establishment by offering further training measures. Therefore, this essay uses a comparison group approach and compares only training participants with those employees who had been selected by the employer to participate in training but had to cancel it for exogenous reasons. From a methodological point of view, by means of Fixed Effects and Diff GMM estimations, the essay also controls for time-variant and invariant unobserved heterogeneity as well as endogeneity of training participation. By simultaneously considering the components from the human capital theory as well as the monopsony theory, the essay shows that portability of general human capital contents and visibility of training, induced by training certificates, independently reduce the retention effect of training. The negative effect is much stronger if training is certified by external institutions and therefore credible. In addition, the effects of visibility and portability are distinct and thus also reduce the retention effect of training separately. However, the total effect of portable, visible and credible training on retention is still positive. Therefore, further training appears to be an effective measure to keep the qualified employees in the establishment.
Second, the attention is on a short-term unpredictable economic shock: Essay 2 analyses whether and to what extent the Great Recession in 2008 and 2009 has had an impact on the individual training behaviour in establishments. From a theoretical point of view, the effects of the crisis on establishments' training activities are ambiguous. On the one hand, the reduced opportunity costs of training argue more in favour of an increase in further training. On the other hand, economic theory suggests decreasing training activities in the crisis because of reduced financial resources, uncertain future prospects, and, therefore, unclear returns on training. Using Difference-in-Differences analyses, this essay avoids endogeneity problems caused by unobservable third factors. The Great Recession in 2008 and 2009 can be seen as an exogenous and time-limited shock: this quasi-experimental setting helps to reveal the causal impact of the crisis on the training intensity and the number of training measures. Results indicate that there is a direct effect of the crisis on individual training activities in 2009 and 2010. This effect is stronger for unskilled employees than for employees with higher skill levels. Furthermore, the negative effect sets in with a time lag and lasts until the year 2010 (although there is already an economic upswing). Numerous analyses are used to check additional heterogeneities in training activities for other employee groups. 
Among others, particularly the area of executive compensation was affected by the economic crisis and the ensuing regulations in institutional framework conditions. The third essay of this dissertation deals with the question whether these changes had an impact on the compensation level and structure of executive board members. The focus is on the extent to which executive compensation is converging within and between different exchange segments in Germany. Based on a sample of CEOs and non-CEOs of German DAX and MDAX establishments, the evolution of executive compensation levels and structures (i.e., fractions of base pay, short- and long-term incentives) are examined during the period from 2006 until 2012. The results of descriptive as well as multivariate Fixed Effects analyses indicate isomorphism of both, pay levels and pay structures within (intra-segment-convergence) and between (inter-segment convergence) stock exchange segments especially for CEOs. However, for the other members of the management board (non-CEOs), there is only a convergence of the compensation structure within the segments. The results do not indicate either intra- or inter-segment convergence of salary levels. 
Altogether, the three essays of this dissertation provide a selection of the current changes and challenges that HRM has to deal with. From a methodological perspective, all three essays use different applied econometric estimation strategies. In order to eliminate estimation problems caused by time-invariant and variant unobserved heterogeneity and endogeneity, Fixed Effects, Diff GMM as well as Difference-in-Differences approaches are applied. In addition, sample selection, research design as well as identification strategy attempts to avoid estimation bias. The first two essays are based on a linked-employer-employee panel data set and adopt a personnel economic perspective. The third essay uses establishment-level data and is based on institutional theory. The first essay was written in cooperation with Thomas Zwick and the third essay was written in cooperation with Nathalie Haidegger-Rieß and Robert Wagner.
N2  - Das Personalmanagement hat sich in den letzten Jahrzehnten von einer administrativen Funktion im Unternehmen hin zu einem ganzheitlich und strategisch ausgerichteten Prozess entwickelt. Dieser ist vor allem durch verschiedene Veränderungen und Herausforderungen induziert – beispielsweise den demographischen Wandel, die Globalisierung oder den Prozess der Individualisierung. Neben diesen generellen Trends haben in den letzten Jahren aber auch wirtschaftliche Schwankungen und Schocks sowie sich ändernde institutionelle bzw. rechtliche Rahmenbedingungen auf den gesamten Personalprozess Einfluss genommen. Die vorliegende Dissertation greift nach einer kurzen Einleitung drei Bereiche des Personalprozesses – Weiterbildung, Mitarbeiterbindung und Entlohnung – auf und untersucht, welche Auswirkungen kurz- und langfristige Veränderungen auf diese haben. 
Der drohende Fachkräftemangel macht es für Unternehmen umso wichtiger, verfügbare Personalressourcen langfristig an das Unternehmen zu binden. Der erste Aufsatz dieser Dissertation analysiert, inwiefern sich das Angebot von Weiterbildungsmaßnahmen auf den Verbleib von Mitarbeitern im Unternehmen auswirkt. Auf Basis der Humankapital- sowie Monopson-Theorie werden Hypothesen gebildet, die die Bindungswirkung von Trainingsmaßnahmen im Hinblick auf deren Übertragbarkeit, Sichtbarkeit und Glaubwürdigkeit unterscheiden. Mit Hilfe verknüpfter Betriebs- und Personendaten können umfangreiche Aspekte der Mitarbeiterbindung berücksichtigt werden. Das verwendete Forschungsdesign sowie die eingesetzten Schätztechniken ermöglichen zudem, für den Selektionseffekt von Weiterbildung sowie unbeobachtete Heterogenität zu kontrollieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Teilnahme an Weiterbildungsmaßnahmen den Verbleib von Mitarbeitern im Unternehmen erhöht. Dieser positive Effekt sinkt jedoch, wenn die Trainingsinhalte allgemeines Humankapital fördern – und somit gut auf andere Unternehmen übertragbar sind – sowie durch Weiterbildungszertifikate eine erhöhte Sichtbarkeit der Trainingsinhalte vorliegt. Der negative Effekt auf die Bindungswirkung verstärkt sich, wenn das Training von einer externen, unabhängigen Institution durchgeführt und das Zertifikat dieser Maßnahme von dieser Institution ausgestellt wird. 
Neben langfristigen Herausforderungen ist das Personalmanagement außerdem mit kurzfristigen und unvorhersehbaren Veränderungen konfrontiert, beispielsweise durch wirtschaftliche Schocks. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, ob Unternehmen auch in solchen Zeiten Maßnahmen zur Mitarbeiterbindung einsetzen und wie sie dabei vorgehen. Der zweite Aufsatz in dieser Dissertation analysiert ebenfalls auf Basis der verknüpften Betriebs- und Personendaten, ob und inwieweit sich die Wirtschaftskrise der Jahre 2008 und 2009 auf das Weiterbildungsverhalten bestimmter Mitarbeitergruppen in Unternehmen ausgewirkt hat. Auf Basis eines quasi-experimentellen Forschungsdesigns (Diff-in-Diff) wird dabei der kausale Effekt dieses exogenen wirtschaftlichen Schocks auf die individuelle Weiterbildungsteilnahme eruiert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Krise negativ auf die Weiterbildungsteilnahme auswirkt. Dieser Effekt ist bei ungelernten Mitarbeitern stärker ausgeprägt, als bei Mitarbeitern mit höherem Qualifikationsniveau. Der negative Effekt auf die Weiterbildung setzt mit zeitlicher Verzögerung im Jahr 2009 ein und dauert schließlich bis zum Jahr 2010, obwohl es zu diesem Zeitpunkt bereits einen wirtschaftlichen Aufschwung gibt. 
Darüber hinaus widmet sich diese Dissertation den Veränderungen innerhalb der rechtlichen und institutionellen Rahmenbedingungen des Personalmanagements. Diese waren in den letzten Jahren vor allem im Bereich der Vorstandsvergütung in Aktienunternehmen vorzufinden. Der dritte Aufsatz untersucht, inwiefern es in einem Umfeld, geprägt durch Veränderungen, zu einer Annäherung der Vorstandsvergütung innerhalb und zwischen unterschiedlichen Börsensegmenten (DAX und MDAX) kommt. Basierend auf der Annahme eines von der Institutionentheorie proklamierten isomorphen Organisationswandels werden Hypothesen hergeleitet, die mit Hilfe von deskriptiven und multivariaten Analysen überprüft werden. Die unter Einsatz eines umfangreichen Datensatzes zur Vorstandsvergütung gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass sich die Gehaltsniveaus und -strukturen sowohl innerhalb als auch zwischen Börsensegmenten annähern. Diese Intra- und Inter-Segment-Konvergenzen werden vor allem bei der Vergütung von Vorstandsvorsitzenden deutlich. Bei der Entlohnung der anderen Mitglieder des Vorstands zeigt sich eine Angleichung der Gehaltsstruktur lediglich innerhalb der Segmente. 
Insgesamt betrachtet diese Dissertation mit den drei vorgestellten Aufsätzen unterschiedliche Aspekte des Personalmanagements und analysiert, inwiefern verschiedene Personalprozesse auf die institutionellen und allgemeinen Veränderungen reagieren. Während die ersten beiden Aufsätze eher eine personalökonomische Perspektive einnehmen, bezieht sich das dritte Papier auf einen institutionentheoretischen Ansatz. Die einzelnen Aufsätze sind in sich abgeschlossen und können unabhängig voneinander gelesen werden. Der erste Aufsatz ist in Zusammenarbeit mit Thomas Zwick und der dritte Aufsatz durch eine Kooperation mit Nathalie Haidegger-Rieß sowie Robert Wagner entstanden.
KW  - Human Resource Management <Humanvermögen> <Personalentwicklung>
KW  - Employment
KW  - Labor Mobility
KW  - Executive Compensation
KW  - Training
KW  - Finanzkrise
KW  - Vergütung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161969
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TY  - THES
A1  - Hochleitner, Gernot
T1  - Advancing melt electrospinning writing for fabrication of biomimetic structures
T1  - Entwicklung des Melt Electrospinning Writing zur Erzeugung biomimetischer Strukturen
N2  - In order to mimic the extracellular matrix for tissue engineering, recent research approaches often involve 3D printing or electrospinning of fibres to scaffolds as cell carrier material. Within this thesis, a micron fibre printing process, called melt electrospinning writing (MEW), combining both additive manufacturing and electrospinning, has been investigated and improved. Thus, a unique device was developed for accurate process control and manufacturing of high quality constructs. Thereby, different studies could be conducted in order to understand the electrohydrodynamic printing behaviour of different medically relevant thermoplastics as well as to characterise the influence of MEW on the resulting scaffold performance.
For reproducible scaffold printing, a commonly occurring processing instability was investigated and defined as pulsing, or in extreme cases as long beading. Here, processing analysis could be performed with the aim to overcome those instabilities and prevent the resulting manufacturing issues. Two different biocompatible polymers were utilised for this study: poly(ε-caprolactone) (PCL) as the only material available for MEW until then and poly(2-ethyl-2-oxazoline) for the first time. A hypothesis including the dependency of pulsing regarding involved mass flows regulated by the feeding pressure and the electrical field strength could be presented. Further, a guide via fibre diameter quantification was established to assess and accomplish high quality printing of scaffolds for subsequent research tasks.
By following a combined approach including small sized spinnerets, small flow rates and high field strengths, PCL fibres with submicron-sized fibre diameters (fØ = 817 ± 165 nm) were deposited to defined scaffolds. The resulting material characteristics could be investigated regarding molecular orientation and morphological aspects. Thereby, an alignment and isotropic crystallinity was observed that can be attributed to the distinct acceleration of the solidifying jet in the electrical field and by the collector uptake. Resulting submicron fibres formed accurate but mechanically sensitive structures requiring further preparation for a suitable use in cell biology. To overcome this handling issue, a coating procedure, by using hydrophilic and cross-linkable star-shaped molecules for preparing fibre adhesive but cell repellent collector surfaces, was used.
Printing PCL fibre patterns below the critical translation speed (CTS) revealed the opportunity to manufacture sinusoidal shaped fibres analogously to those observed using purely viscous fluids falling on a moving belt. No significant influence of the high voltage field during MEW processing could be observed on the buckling phenomenon. A study on the sinusoidal geometry revealed increasing peak-to-peak values and decreasing wavelengths as a function of decreasing collector speeds sc between CTS > sc ≥ 2/3 CTS independent of feeding pressures. Resulting scaffolds printed at 100 %, 90 %, 80 % and 70 % of CTS exhibited significantly different tensile properties, foremost regarding Young’s moduli (E = 42 ± 7 MPa to 173 ± 22 MPa at 1 – 3 % strain). As known from literature, a changed morphology and mechanical environment can impact cell performance substantially leading to a new opportunity of tailoring TE scaffolds.
Further, poly(L-lactide-co-ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) as well as poly(ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) (PCLAC) copolymers could be used for MEW printing. Those exhibit the opportunity for UV-initiated radical cross-linking in a post-processing step leading to significantly increased mechanical characteristics. Here, single fibres of the polymer composed of 90 mol.% CL and 10 mol.% AC showed a considerable maximum tensile strength of σmax = 53 ± 16 MPa. Furthermore, sinusoidal meanders made of PCLAC yielded a specific tensile stress-strain characteristic mimicking the qualitative behaviour of tendons or ligaments. Cell viability by L929 murine fibroblasts and live/dead staining with human mesenchymal stem cells revealed a promising biomaterial behaviour pointing out MEW printed PCLAC scaffolds as promising choice for medical repair of load-bearing soft tissue.
Indeed, one apparent drawback, the small throughput similar to other AM methods, may still prevent MEW’s industrial application yet. However, ongoing research focusses on enlargement of manufacturing speed with the clear perspective of relevant improvement. Thereby, the utilisation of large spinneret sizes may enable printing of high volume rates, while downsizing the resulting fibre diameter via electrical field and mechanical stretching by the collector uptake. Using this approach, limitations of FDM by small nozzle sizes could be overcome. Thinking visionary, such printing devices could be placed in hospitals for patient-specific printing-on-demand therapies one day. Taking the evolved high deposition precision combined with the unique small fibre diameter sizes into account, technical processing of high performance membranes, filters or functional surface finishes also stands to reason.
N2  - Um biomimetische extrazelluläre Matrices für das Tissue Engineering herzustellen, bedienen sich aktuelle Forschungsansätze oftmals der Produktion von Faser-Konstrukten durch additive Fertigung oder Elektrospinn-Verfahren. Das sogenannte Melt Electrospinning Writing (MEW) kombiniert Vorteile beider Techniken und weist dadurch ein hohes Applikationspotential auf. Daher bestand das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Weiterentwicklung und Erforschung des MEW. Für diesen Zweck wurde eine neuartige Forschungsanlage konzipiert und gebaut, welche mit einzigartiger Verfahrenspräzision und Prozesskontrolle die Fertigung von hochqualitativen Konstrukten ermöglichte. Auf Basis dessen konnten die durchgeführten Studien das Verständnis des elektrohydrodynamischen Druckvorgangs und der untersuchten Prozessparameter vertiefen und letztendlich zur Ausweitung des Verfahrens auf neue medizinisch relevante Thermoplaste beitragen.
Um eine reproduzierbare Herstellung von Scaffolds zu ermöglichen, wurde eine häufig auftretende Prozessinstabilität erforscht und als pulsing, oder in stark ausgeprägten Fällen als long beading, klassifiziert. Durch Prozessanalyse konnte zudem eine Methode zur Vermeidung dieser Instabilität entwickelt werden. Dafür wurden zwei unterschiedliche biokompatible Polymere verwendet: Poly(ε-Caprolacton) (PCL) als bis dahin einziger verfügbarer MEW Werkstoff, sowie erstmalig Poly(2-Ethyl-2-Oxazolin). Die aufgestellte Hypothese umfasst eine universelle Abhängigkeit der pulsing Instabilität zu involvierten Massenströmen, welche durch Anpassung des angelegten Prozessdruckes und der elektrischen Feldstärke reguliert werden kann. Um ein optimales Prozessergebnis für nachfolgende Forschungsarbeiten zu erzielen, wurde zusätzlich ein Leitfaden zur quantitativen Bewertung des Grades der Instabilität bereitgestellt.
Durch Kombination kleiner Spinndüsen, kleiner Schmelze-Flussraten und hoher elektrischen Feldstärken, konnten erstmalig PCL Fasern mit sub-mikron Durchmessern (fØ = 817 ± 165 nm) zu präzisen Scaffolds verarbeitet werden. Diese wurden anschließend durch materialwissenschaftliche Analytik charakterisiert. Dabei wurde eine molekulare Vorzugsorientierung und isotrope Kristallausrichtung entlang der Faser beobachtet, welche durch den hohen Verstreckungsgrad des erstarrenden Polymerstrahls erklärt werden konnte. Resultierende sub-mikron Fasern konnten zwar für einen akkuraten Druckvorgang verwendet werden, jedoch erwiesen sich die Strukturen als instabil und daher nicht geeignet für die Handhabung bei Zellkulturstudien. Aus diesem Grund wurde ein Beschichtungsansatz mittels hydrophilen und vernetzbaren Sternmolekülen für Substratflächen herangezogen. Während solche modifizierten Oberflächen bekanntermaßen Zelladhäsion verhindern, konnten gedruckte sub-mikron Scaffolds auf der Oberfläche haften und so für biologische Studien verwendet werden.
Durch das gezielte Ablegen von Fasern unterhalb der kritischen Translationsgeschwindigkeit (CTS) des Kollektors, konnten sinusförmige Faserstrukturen erzeugt werden. Analog zu rein viskosen Fluiden, welche durch ein bewegliches Band aufgesammelt werden, schien dieser Vorgang dem sogenannten buckling zu unterliegen und daher phänomenologisch nicht oder nur geringfügig vom elektrischen Feld abhängig zu sein. Zudem konnte eine durchgeführte Studie die direkte Abhängigkeit der Fasergeometrie mit der Kollektorbewegung belegen. Unabhängig vom Prozessdruck, führte eine verminderte Kollektorgeschwindigkeit sc in den Grenzen CTS > sc ≥ 2/3 CTS zu erhöhten Amplituden bzw. Spitze-zu-Spitze Werten und verkürzten Wellenlängen. Durch das kontrollierte Ablegen der Fasern bei Geschwindigkeiten von 100 %, 90 % 80 % und 70 % CTS konnten zudem Scaffolds mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Speziell der Zugmodul wurde dadurch etwa um eine halbe Größenordnung moduliert (Es = 42 ± 7 MPa bis 173 ± 22 MPa bei 1 – 3 % Dehnung). Dies ist in Kombination mit der Strukturierung für maßgeschneiderte TE Scaffolds von großem Interesse, da zelluläre Systeme sensibel auf ihre Umgebung reagieren können. 
Des Weiteren wurden Poly(L-Lactid-co-ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) und Poly(ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) (PCLAC) Copolymere hinsichtlich deren MEW Verarbeitbarkeit untersucht. Solche Kunststoffe können nach dem Druckvorgang mit UV-Strahlung radikalisch vernetzt werden und dadurch deutlich erhöhte mechanische Eigenschaften ausbilden. Für Fasern aus 90 mol.% CL und 10 mol.% AC wurden beispielsweise maximale Zugfestigkeiten von σmax = 53 ± 16 MPa ermittelt. MEW gedruckte sinusförmige Faserstrukturen aus PCLAC wiesen darüber hinaus ein biomimetisches Spannungs-Dehnung-Verhalten auf, vergleichbar zu Sehnen- und Ligamentgewebe. Eine Untersuchung der Zellviabilität von L929 murinen Fibroblasten im Eluattest, sowie eine lebend/tot-Färbung von humanen mesenchymalen Stammzellen auf den Scaffolds, ergab vielversprechende Resultate und damit ein relevantes Anwendungspotential solcher Strukturen als Implantat.
Neben genannten Vorteilen, weist MEW als Verfahren bislang allerdings geringe Produktionsgeschwindigkeiten auf. Diese sind daher in den Fokus aktueller Forschungsvorhaben gerückt. Einen Ansatz hierfür bieten Spinndüsen mit hohem Innendurchmesser und erhöhter Austragsrate, wobei die optimierte elektrische Feldstärke, sowie ein Verstrecken durch die Kollektorbewegung, zu den erwünschten dünnen Fasern führen können. Dadurch kann die abwärtslimitierte Düsengröße des FDM Verfahrens überwunden werden. Visionär gedacht, könnte eine solche Anlage direkt in Krankenhäusern zur Fertigung von patienten- und defektspezifischen Implantaten eingesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Präzision, zusammen mit dem Drucken von Mikro-Fasern, einen technischen Einsatz zur Herstellung von Membranen, Filtern oder funktionalen Oberflächenbeschichtungen.
KW  - scaffold
KW  - polymer
KW  - 3D printing
KW  - additive manufacturing
KW  - melt electrospinning
KW  - melt electrowriting
KW  - tissue engineering
KW  - polymer processing
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162197
ER  - 
TY  - THES
A1  - Stegner, David
T1  - Novel Aspects of Platelet Signaling and of the Pathogenesis of Immune Thrombocytopenia
T1  - Neue Aspekte in Signalwegen von Blutplättchen und in der Pathogenese der Immunthrombozytopenie
N2  - This work summarizes the results of studies on three major aspects of platelet signaling and of the pathogenesis of immune thrombocytopenia. Therefore, this thesis is divided into three parts. i) Platelet activation and subsequent thrombus formation at sites of vascular injury is crucial for normal hemostasis, but it can also trigger myocardial infarction and stroke. The initial capture of flowing platelets to the injured vessel wall is mediated by the interaction of the glycoprotein (GP) Ib-V-IX complex with von Willebrand factor (vWF) immobilized on the exposed subendothelial extracellular matrix (ECM). The central importance of GPIb for platelet adhesion is well established, whereas GPV is generally considered to be of minor relevance for platelet physiology and thrombus formation. This study intended to clarify the relevance of this receptor during thrombus formation using Gp5-/- mice and mice with different double-deficiencies in GPV and in other platelet receptors. It was found that GPV and the collagen receptor integrin a2b1 have partially redundant functions in collagentriggered platelet aggregation. Further, it was revealed that GPV limits thrombus formation and impairs hemostasis in vivo. The data presented here demonstrate that the protective effect of GPVI-deficiency (another platelet collagen receptor) in arterial thrombosis and ischemic stroke depends on the expression of GPV. Moreover, it was demonstrated that lack of GPV restores the hemostatic function of mice lacking both GPVI and a2b1 or mice lacking GPVI and the C-type lectin receptor 2 (CLEC-2). Conclusively, GPV-depletion or blockade might have the potential to treat hemorrhagic disease states. ii) Platelets contain the two phospholipase (PL) D isoforms, PLD1 and PLD2, both of which presumably become activated upon platelet stimulation. However, the function of PLD in the process of platelet activation and aggregation has not been definitively explored. Thus, PLD-deficient mice were analyzed. Mice lacking PLD1 or PLD2 were viable, fertile and had normal platelet counts. PLD1 was found to be responsible for the inducible PLD-activity in platelets and to contribute to efficient integrin activation under static conditions. Moreover, flow adhesion experiments revealed that PLD1 is essential for efficient GPIb-mediated integrin activation. Consequently, Pld1-/- mice were protected from arterial thrombosis and ischemic brain infarction without affecting tail bleeding times. Hence, inhibition of PLD1 might be a novel approach for antithrombotic therapy. iii) Cellular activation of platelets or immune cells results in increased cytosolic calcium (Ca2+) levels. Store-operated calcium entry (SOCE) via the STIM1-Orai1 axis is the main route of Ca2+ entry downstream of immunoreceptor tyrosine-based activating motif (ITAM) receptor stimulation in mast cells and T cells. However, the requirement of Ca2+-mobilization in Fcg receptor (FcgR)-signaling and the relevance of STIM2 for T cell SOCE have been unclear. To address these questions, genetically modified mice lacking central molecules of the SOCE machinery were analyzed. Ca2+-measurements revealed that both STIM isoforms contribute to Ca2+-mobilization downstream of T cell receptor activation. Additionally, it was found that FcgR stimulation results in SOCE and is mediated by STIM1 and probably Orai1. Animal models of immune thrombocytopenia (ITP) revealed that SOCE is essential for platelet clearance and that both STIM isoforms contribute to the pathology of ITP. Moreover, in this work it was also demonstrated that STIM1 and Orai1 are essential in IgG-mediated systemic anaphylaxis. STIM2 contributes to IgG-mediated, but not to IgE-mediated anaphylaxis. The data indicate that interference with SOCE might become a new strategy to prevent or treat IgG-dependent autoimmune diseases.
N2  - Diese Arbeit fasst Untersuchungen von drei wesentlichen Aspekten der Signalwege von Blutplättchen und der Pathogenese der Immunthrombozytopenie zusammen. Daher ist diese Doktorarbeit in drei Teile unterteilt. i) Die Aktivierung von Blutplättchen und die anschließende Thrombusbildung in Folge vaskulärer Verletzungen sind für die normale Hämostase elementar, sie können aber auch Herzinfarkt oder Schlaganfall verursachen. Die anfängliche Adhäsion zirkulierender Blutplättchen an der verletzten Gefäßwand wird durch die Wechselwirkung des Glykoprotein (GP) Ib-V-IX Komplexes mit dem auf der freigelegten subendothelialen Matrix immobilisierten von Willebrand Faktor (vWF) vermittelt. Die zentrale Bedeutung von GPIb für die Adhäsion von Blutplättchen ist lange bekannt, wohingegen GPV allgemein als unbedeutend für die Physiologie von Blutplättchen oder die Thrombusbildung angesehen wird. Das Ziel dieser Arbeit war, die Bedeutung dieses Rezeptors für die Thrombusbildung zu überprüfen. Hierfür wurden GPV-defiziente Mäuse und mehrere Mauslinien, denen neben GPV ein weiterer Plättchenrezeptor fehlte, analysiert. Es wurde festgestellt, dass GPV und der Kollagenrezeptor Integrin a2b1 teilweise redundante Funktionen in der Kollagenvermittelten Plättchenaggregation haben. Des Weiteren wurde gezeigt, dass GPV die Thrombusbildung begrenzt sowie die Wundstillung reguliert. Die hier gezeigten Daten belegen, dass GPV überraschenderweise für den Schutz vor arterieller Thrombose oder ischämischem Schlaganfall, der aus dem Fehlen des wichtigsten Kollagenrezeptors GPVI resultiert, benötigt wird. Außerdem wurde gezeigt, dass die Abwesenheit von GPV die Hämostase in Mäusen, denen GPVI und a2b1 oder GPVI und CLEC-2 (von C-type lectin receptor 2) fehlt, wieder herstellt. Folglich, könnte die pharmakologische Herabregulierung der GPV-Expression oder die Blockade des Rezeptors eine neue Behandlungsmöglichkeit von hämorrhagischen Krankheitszuständen darstellen. ii) Blutplättchen exprimieren die beiden Phospholipase (PL) D Isoformen PLD1 und PLD2, die vermutlich beide im Zuge der Blutplättchenstimulation aktiviert werden. Allerdings wurde die Rolle von PLD in der Thrombozytenaktivierung und -aggregation noch nicht abschließend untersucht. Daher wurden PLD-defiziente Mäuse analysiert. Mäuse, denen entweder PLD1 oder PLD2 fehlt, sind lebensfähig, fertil und haben normale Thrombozytenzahlen. Es zeigte sich, dass PLD1 für den induzierbaren Anteil der PLD-Aktivität in Blutplättchen verantwortlich und an der Integrinaktivierung unter statischen Bedingungen beteiligt ist. Des Weiteren ergaben Adhäsionsexperimente unter Flussbedingungen, dass PLD1 für die GPIb-vermittelte Integrinaktivierung von zentraler Bedeutung ist. Folglich sind Mäuse mit einer genetischen Ablation von PLD1 vor arterieller Thrombusbildung und ischämischem Schlaganfall geschützt. Da die Blutungszeiten dieser Tiere nicht verlängert waren, könnte die Inhibition von PLD1 einen anti-thrombotischen Therapieansatz darstellen. iii) Die zelluläre Aktivierung von Thrombozyten oder Immunzellen geht mit einem Anstieg der zytosolischen Kalziumkonzentration einher. Der sogenannte Speicher-vermittelte Kalziumeinstrom (store-operated calcium entry, SOCE) über die STIM1-Orai1-Achse ist der wichtigste Kalziumeinstrommechanismus in Folge der Stimulation von Rezeptoren mit einem immunoreceptor tyrosine-based activating motif (ITAM) in Mastzellen und T-Zellen. Allerdings ist die Notwendigkeit eines Kalziumeinstroms in Fcg Rezeptor (FcgR)-vermittelten Signalprozessen sowie die Relevanz von STIM2 hierbei noch unklar. Daher wurden gentechnisch veränderte Mäuse, denen zentrale Moleküle des SOCE-Apparats fehlen, untersucht. Kalziummessungen zeigten, dass beide STIM-Isoformen an der Kalziummobilisierung in Folge der T-Zellrezeptorstimulation beteiligt sind. Außerdem wurde gezeigt, dass die Stimulation von FcgRs zu SOCE führt, der von STIM1 und vermutlich auch von Orai1 vermittelt wird. Die Daten aus dem Immunthrombozytopenie (ITP) Tiermodell belegen, dass SOCE für die Zerstörung von Plättchen essentiell ist. Weiterhin sprechen die hiervorliegenden Ergebnisse für eine Rolle beider STIM Isoformen in der Pathologie der ITP. Außerdem konnte in dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass STIM1 und Orai1 entscheidende Faktoren für IgG-vermittelte systemische Anaphylaxie sind. STIM2 ist ebenfalls an der IgG-vermittelten, nicht jedoch an der IgE-vermittelten Anaphylaxie beteiligt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Eingriffe in den SOCE eine neue Strategie in der Behandlung von IgG-abhängigen immunologischen Erkrankungen sein könnten.
KW  - Thrombozyt
KW  - Phospholipase D
KW  - Calcium
KW  - Immunthrombozytopenie
KW  - Glycoprotein GPV
KW  - platelet
KW  - Immune Thrombocytopenia
KW  - phospholipase D
KW  - glycoprotein GPV
KW  - store-operated calcium entry
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-87980
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Werner, Rudolf A.
A1  - Chen, Xinyu
A1  - Hirano, Mitsuru
A1  - Nose, Naoko
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Javadi, Mehrbod S.
A1  - Higuchi, Takahiro
T1  - The Impact of Ageing on [\(^{11}\)C]meta-Hydroxyephedrine Uptake in the Rat Heart
T2  - Journal of Nuclear Medicine
N2  - No abstract available.
KW  - Positronen-Emissions-Tomografie
KW  - moycardial sympathetic innervation
KW  - Positronen-Emissions-Tomografie
KW  - positron emission tomography
KW  - PET
KW  - 11C-HED
KW  - hydroxyephedrine
KW  - ageing
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162228
UR  - http://jnm.snmjournals.org/content/59/supplement_1/100.abstract
SN  - 0161-5505
VL  - 59
IS  - Supplement No 1
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Werner, Rudolf A.
A1  - Marcus, Charles
A1  - Sheikhbahaei, Sara
A1  - Higuchi, Takahiro
A1  - Solnes, Lilja B.
A1  - Rowe, Steven P.
A1  - Buck, Andreas K.
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Javadi, Mehrbod S.
T1  - The Impact of Ageing on Dopamine Transporter Imaging
T2  - Journal of Nuclear Medicine
N2  - No abstract available.
KW  - Parkinson-Krankheit
KW  - Parkinson
KW  - Parkinson Disease
KW  - DaTscan
KW  - Ioflupane
KW  - SPECT
KW  - molecular imaging
KW  - ageing
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162213
UR  - http://jnm.snmjournals.org/content/59/supplement_1/1646.abstract
SN  - 0161-5505
N1  - This research was originally published in JNM. Rudolf A. Werner, Charles Marcus, Sara Sheikhbahaei, Takahiro Higuchi, Lilja B. Solnes, Steven P. Rowe, Andreas K. Buck, Constantin Lapa, Mehrbod S. Javadi. The Impact of Ageing on Dopamine Transporter Imaging. J Nucl Med. May 1, 2018; vol. 59 no. supplement 1:1646. © SNMMI.
VL  - 59
IS  - Supplement No 1
SP  - 1646
ER  - 
TY  - CHAP
A1  - Werner, Rudolf A.
A1  - Marcus, Charles
A1  - Sheikhbahaei, Sara
A1  - Higuchi, Takahiro
A1  - Solnes, Lilja B.
A1  - Rowe, Steven P.
A1  - Buck, Andreas K.
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Javadi, Mehrbod S.
T1  - Diagnostic Accuracy of Visual Assessment of an Initial DaT-Scan in Comparison to a Fully Automatic Semiquantitative Method
T2  - Journal of Nuclear Medicine
N2  - No abstract available.
KW  - Parkinson-Krankheit
KW  - SPECT
KW  - Parkinson
KW  - Parkinson Disease
KW  - DaTscan
KW  - Ioflupane
KW  - molecular imaging
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162208
UR  - http://jnm.snmjournals.org/content/59/supplement_1/626.abstract
SN  - 0161-5505
N1  - This research was originally published in JNM. Rudolf A. Werner, Charles Marcus, Sara Sheikhbahaei, Takahiro Higuchi, Lilja B. Solnes, Steven P. Rowe, Andreas K. Buck, Constantin Lapa, Mehrbod S. Javadi. Diagnostic Accuracy of Visual Assessment of an Initial DaT-Scan in Comparison to a Fully Automatic Semiquantitative Method. J Nucl Med. May 1, 2018; vol. 59 no. supplement 1:626. © SNMMI.
VL  - 59
IS  - Supplement No. 1
SP  - 626
ER  - 
TY  - THES
A1  - Baier, Pablo A.
T1  - Simulator for Minimally Invasive Vascular Interventions: Hardware and Software
T1  - VR-Simulation für das Training von Herzkathetereingriffen: Hard- und Softwarelösung
N2  - A complete simulation system is proposed that can be used as an educational tool by physicians in training basic skills of Minimally Invasive Vascular Interventions. In the first part, a surface model is developed to assemble arteries having a planar segmentation. It is based on Sweep Surfaces and can be extended to T- and Y-like bifurcations. A continuous force vector field is described, representing the interaction between the catheter and the surface. The computation time of the force field is almost unaffected when the resolution of the artery is increased.
The mechanical properties of arteries play an essential role in the study of the circulatory system dynamics, which has been becoming increasingly important in the treatment of cardiovascular diseases. In Virtual Reality Simulators, it is crucial to have a tissue model that responds in real time. In this work, the arteries are discretized by a two dimensional mesh and the nodes are connected by three kinds of linear springs. Three tissue layers (Intima, Media, Adventitia) are considered and, starting from the stretch-energy density, some of the elasticity tensor components are calculated. The physical model linearizes and homogenizes the material response, but it still contemplates the geometric nonlinearity. In general, if the arterial stretch varies by 1% or less, then the agreement between the linear and nonlinear models is trustworthy.
In the last part, the physical model of the wire proposed by Konings is improved. As a result, a simpler and more stable method is obtained to calculate the equilibrium configuration of the wire. In addition, a geometrical method is developed to perform relaxations. It is particularly useful when the wire is hindered in the physical method because of the boundary conditions. The physical and the geometrical methods are merged, resulting in efficient relaxations. Tests show that the shape of the virtual wire agrees with the experiment. The proposed algorithm allows real-time executions and the hardware to assemble the simulator has a low cost.
N2  - Es wird ein vollständiges Simulationssystem entwickelt, das von Ärzten als Lehrmittel zur Ausbildung grundlegender Fertigkeiten bei Herzkathetereingriffen eingesetzt werden kann. Im ersten Teil wird ein Oberflächenmodell zur Erstellung von Arterien mit planarer Segmentierung entwickelt. Im zweiten Teil werden die Arterien durch ein zweidimensionales Netz diskretisiert, die Knoten werden durch drei Arten linearer Federn verbunden und ausgehend von einer Dehnungsenergie-Dichte-Funktion werden einige Komponenten des Elastizitätstensors berechnet. Im letzten Teil wird das von anderen Autoren vorgeschlagene physikalische Modell des Drahtes verbessert und eine neue geometrische Methode entwickelt. Der vorgeschlagene Algorithmus ermöglicht Echtzeit-Ausführungen. Die Hardware des Simulators hat geringe Herstellungskosten.
T3  - Forschungsberichte in der Robotik = Research Notes in Robotics - 15 
KW  - Computersimulation
KW  - Simulator
KW  - Arterie
KW  - Elastizitätstensor
KW  - Herzkatheter
KW  - Minimally invasive vascular intervention
KW  - Wire relaxation
KW  - Artery
KW  - Elasticity tensor
KW  - Stiffness
KW  - educational tool
KW  - Elastizitätstensor
KW  - Herzkathetereingriff
KW  - Software
KW  - Hardware
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161190
SN  - 978-3-945459-22-5
ER  - 
TY  - THES
A1  - Alvarez Loeblich, Paul Sebastian
T1  - Not Here, Not Now!  – Situational Appropriateness, Negative Affect and the Experience of (Remote) Embarrassment. A Process Model.
T1  - Nicht hier, nicht jetzt! – Situationelle Angemessenheit, negativer Affekt und die Erfahrung von (Fern-) Peinlichkeit. Ein Prozessmodell.
N2  - Fremdschämen or Fremdscham, a negative emotion which arises while observing someone behave inappropriately, comes to fame after the turn of the millennium in german speaking countries. There, they name it literally „other‘s shame“ and it becomes obvious that this emotion happens most commonly while watching TV: reality shows, talent shows and bad comedies. The word even makes it to the dictionaries starting 2009, as its use increases unstoppably in everyday language, starting to get used in more and more situations, seemingly as a synonym of embarrassing or shameful. Still, a look in the emotional research on the subject returns exactly zero results as of 2011, leaving open the question as of what this emotion might be, and what it is not. The present wort aims at explaining not only the phenomenon of Fremdschämen, but also the Emotion behind it - Embarrassment -, at a process level.
N2  - Bisher blieb die wahrscheinlich universelle Emotion Peinlichkeit unzureichend erforscht. Grundsätzlich beschränkt sich die Forschung zum Thema auf heuristische Erklärungsansätze und die Empirie auf lustige Methoden, diese Emotion zu erzeugen.
Die Prozesse hinter der Entstehung der Emotion sind bis dato weitestgehend vernachlässigt worden und haben kaum Berücksichtigung in der Forschung gefunden.
Zudem gerieten in den letzten Jahren die meisten existierenden Erklärungsansätze unter Druck, als die ersten Fragen zum Thema Fremdscham bzw. Fremdschämen in einen wissenschaftlichen Rahmen gestellt wurden. Denn die offensichtliche phänomenologische Ähnlichkeit von Peinlichkeit und Fremdschämen kann von keinem der bisherigen Erklärungsansätze widerspruchsfrei durchleuchtet werden.
Dies liegt unter anderen Dingen auch darin begründet, dass selbst die Emotion Peinlichkeit kaum auf Prozessebene erforscht wurde.
In dieser Arbeit wird daher ein neues Verständnis der Emotion Peinlichkeit angestrebt. Eines, bei dem Fremdscham Berücksichtigung findet und das dieses Phänomen ohne Denkakrobatik befriedigend erklären kann.
Ein Prozessmodell für die Entstehung von Peinlichkeit, das ebenso Fremdscham miteinschließt, wird vorgestellt.
KW  - Sozialpsychologie
KW  - Peinlichkeit
KW  - Zwei-Prozess-Modell
KW  - Affekt
KW  - Fremdschämen
KW  - Fremdscham
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161354
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scheuermeyer, Philipp
T1  - Macroeconomic Consequences of Income Inequality: Evidence from Panel Data Econometrics
T1  - Makroökonomische Folgen der Einkommensungleichheit: Erkenntnisse aus der Panel-Daten Ökonometrie
N2  - Within three self-contained chapters, this dissertation provides new insights into the macroeconomic consequences of income inequality from a global perspective. Following an introduction, which summarizes the main findings and offers a brief overview of trends in income distribution, Chapter 2 evaluates the relationship between the labor share of income and the evolution of aggregate demand. Chapter 3 analyzes the link between income inequality and aggregate saving; and Chapter 4 directly estimates the effect of inequality and public redistribution on economic growth.
N2  - Seit den 1980er Jahren ist es in den meisten hochentwickelten Volkswirtschaften, aber auch in vielen Entwicklungs- und Schwellenländern, zu einem ausgeprägten Anstieg der Einkommensungleichheit gekommen. Die vorliegende Dissertation untersucht die makroökonomischen Auswirkungen dieser Entwicklung anhand von Methoden der Panel-Daten Ökonometrie. Die Arbeit baut dabei auf drei eigenständigen Studien auf, die verschiedene Effekte einer sich verändernden Einkommensverteilung beleuchten. Im Mittelpunkt steht insbesondere die Frage, ob eine zunehmende Ungleichheit nachhaltiges Wachstum verhindert.
KW  - Panelanalyse
KW  - Einkommensverteilung
KW  - Panel-Data Econometrics
KW  - Ökonometrisches Modell
KW  - Makroökonomie
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161452
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gador, Eva
T1  - Strategies to improve the biological performance of protein therapeutics
T1  - Strategien zur Verbesserung der biologischen Wirkung von Proteintherapeutika
N2  - During the last decades the number of biologics increased dramatically and several biopharmaceutical drugs such as peptides, therapeutic proteins, hormones, enzymes, vaccines, monoclonal antibodies and antibody-drug conjugates conquered the market. Moreover, administration and local delivery of growth factors has gained substantial importance in the field of tissue engineering. Despite progress that has been made over the last decades formulation and delivery of therapeutic proteins is still a challenge. Thus, we worked on formulation and delivery strategies of therapeutic proteins to improve their biological performance.
Phase I of this work deals with protein stability with the main focus on a liquid protein formulation of the dimeric fusion protein PR-15, a lesion specific platelet adhesion inhibitor. In order to develop an adequate formulation ensuring the stability and bioactivity of PR-15 during storage at 4 °C, a pH screening, a forced degradation and a Design of Experiments (DoE) was performed. First the stability and bioactivity of PR-15 in 50 mM histidine buffer in relation to pH was evaluated in a short-term storage stability study at 25 °C and 40 °C for 4 and 8 weeks using different analytical methods. Additionally, potential degradation pathways of PR-15 were investigated under stressed conditions such as heat treatment, acidic or basic pH, freeze-thaw cycles, light exposure, induced oxidation and induced deamidation during the forced degradation study. Moreover, we were able to identify the main degradation product of PR-15 by performing LC/ESI-MS analysis. Further optimization of the injectable PR 15 formulation concerning pH, the choice of buffer and the addition of excipients was studied in the following DoE and finally an optimal PR-15 formulation was found. 
The growth factors BMP-2, IGF-I and TGF-β3 were selected for the differentiation of stem cells for tissue engineering of cartilage and bone in order to prepare multifunctionalized osteochondral implants for the regeneration of cartilage defects. 
Silk fibroin (SF) was chosen as biomaterial because of its biocompatibility, mechanical properties and its opportunity for biofunctionalization. Ideal geometry of SF scaffolds with optimal porosity was found in order to generate both tissues on one scaffold. 
The growth factors BMP-2 and IGF-I were modified to allow spatially restricted covalent immobilization on the generated porous SF scaffolds. In order to perform site-directed covalent coupling by the usage of click chemistry on two opposite sides of the scaffold, we genetically engineered BMP-2 (not shown in this work; performed by Barbara Tabisz) and IGF-I for the introduction of alkyne or azide bearing artificial amino acids. TGF β3 was immobilized to beads through common EDC/NHS chemistry requiring no modification and distributed in the pores of the entire scaffold.
For this reason protein modification, protein engineering, protein immobilization and bioconjugation are investigated in phase II. Beside the synthesis the focus was on the characterization of such modified proteins and its conjugates. The field of protein engineering offers a wide range of possibilities to modify existing proteins or to design new proteins with prolonged serum half-life, increased conformational stability or improved release rates according to their clinical use. 
Site-directed click chemistry and non-site-directed EDC/NHS chemistry were used for bioconjugation and protein immobilization with the aim to underline the preferences of site-directed coupling.
We chose three strategies for the incorporation of alkyne or azide functionality for the performance of click reaction into the protein of interest: diazonium coupling reaction, PEGylation and genetic engineering. Azido groups were successfully introduced into SF by implementation of diazonium coupling and alkyne, amino or acid functionality was incorporated into FGF-2 as model protein by means of thiol PEGylation. The proper folding of FGF-2 after PEGylation was assessed by fluorescence spectroscopy, WST-1 proliferation assay ensured moderate bioactivity and the purity of PEGylated FGF-2 samples was monitored with RP-HPLC. Moreover, the modification of native FGF-2 with 10 kDa PEG chains resulted in enhanced thermal stability.
Additionally, we genetically engineered one IGF-I mutant by incorporating the unnatural amino acid propargyl-L-lysine (plk) at position 65 into the IGF-I amino acid sequence and were able to express hardly verifiable amounts of plk-IGF-I. Consequently, plk-IGF-I expression has to be further optimized in future studies in order to generate plk-IGF-I with higher yields.
Bioconjugation of PEGylated FGF-2 with functionalized silk was performed in solution and was successful for click as well as EDC/NHS chemistry. However, substantial amounts of unreacted PEG-FGF-2 were adsorbed to SF and could not be removed from the reaction mixture making it impossible to expose the advantages of click chemistry in relation to EDC/NHS chemistry. The immobilization of PEG-FGF-2 to microspheres was a trial to increase product yield and to remove unreacted PEG-FGF-2 from reaction mixture. Bound PEG-FGF-2 was visualized by fluorescence imaging or flow cytometry and bioactivity was assessed by analysis of the proliferation of NIH 3T3 cells. However, immobilization on beads raised the same issue as in solution: adsorption caused by electrostatic interactions of positively charged FGF-2 and negatively charged SF or beads. Finally, we were not able to prove superiority of site-directed click chemistry over non-site-directed EDC/NHS.
The skills and knowledge in protein immobilization as well as protein characterization acquired during phase II helped us in phase III to engineer cartilage tissue in biofunctionalized SF scaffolds. 
The approach of covalent immobilization of the required growth factors is relevant because of their short in vivo half-lives and aimed at controlling their bioavailability. So TGF-β3 was covalently coupled by means of EDC/NHS chemistry to biocompatible and biostable PMMA beads. Herein, we directly compared bioactivity of covalently coupled and adsorbed TGF-β3. During the so-called luciferase assay bioactivity of covalent coupled as well as adsorbed TGF-β3 on PMMA beads was ensured. In order to investigate the real influence of EDC/NHS chemistry on TGF-β3’s bioactivity, the amount of immobilized TGF-β3 on PMMA beads was determined. Therefore, an ELISA method was established. The assessment of total amount of TGF-β3 immobilized on the PMMA beads allowed as to calculate coupling efficiency. A significantly higher coupling efficiency was determined for the coupling of TGF-β3 via EDC/NHS chemistry compared to the reaction without coupling reagents indicating a small amount of adsorbed TGF-β3. These results provide opportunity to determine the consequence of coupling by means of EDC/NHS chemistry for TGF β3 bioactivity. At first sight, no statistically significant difference between covalent immobilized and adsorbed TGF-β3 was observed regarding relative luciferase activities. But during comparison of total and active amount of TGF-β3 on PMMA beads detected by ELISA or luciferase assay, respectively, a decrease of TGF-β3’s bioactivity became apparent. Nevertheless, immobilized TGF β3 was further investigated in combination with SF scaffolds in order to drive BMSCs to the chondrogenic lineage. According to the results obtained through histological and immunohistochemical studies, biochemical assays as well as qRT-PCR of gene expression from BMSCs after 21 days in culture immobilized TGF-β3 was able to engineer cartilage tissue. These findings support the thesis that local presentation of TGF β3 is superior towards exogenous TGF β3 for the development of hyaline cartilage. Furthermore, we conclude that covalent immobilized TGF β3 is not only superior towards exogenously supplemented TGF-β3 but also superior towards adsorbed TGF-β3 for articular hyaline cartilage tissue engineering. Diffusion processes were inhibited through covalent immobilization of TGF-β3 to PMMA beads and thereby a stable and consistent TGF-β3 concentration was maintained in the target area.
With the knowledge acquired during phase II and III as well as during the studies of Barbara Tabisz concerning the expression and purification of plk-BMP-2 we made considerable progress towards the formation of multifunctionalized osteochondral implants for the regeneration of cartilage defects. However, further studies are required for the translation of these insights into the development of multifunctionalized osteochondral SF scaffolds.
N2  - In den letzten Jahrzehnten stieg die Zahl der Biologika dramatisch an und mehrere biopharmazeutische Arzneimittel wie Peptide, therapeutische Proteine, Hormone, Enzyme, Impfstoffe, monoklonale Antikörper und Antikörper-Wirkstoff-Konjugate eroberten den Markt. Darüber hinaus hat die Applikation und lokale Verabreichung von Wachstumsfaktoren im Bereich des Tissue Engineerings eine wesentliche Bedeutung erlangt. Trotz der in den letzten Jahrzehnten erzielten Fortschritte ist die Formulierung und Verabreichung therapeutischer Proteine noch immer eine Herausforderung. Daher haben wir uns in dieser Arbeit mit der Formulierung und Verabreichung therapeutischer Proteine beschäftigt und Strategien entwickelt, um deren biologische Wirkung zu verbessern.
In Phase I dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Stabilität des dimeren Fusionsproteins PR 15, einem Inhibitor der Adhäsion von Plättchen an arterielle Gefäßläsionen. Um eine geeignete flüssige Formulierung zu entwickeln, welche die Stabilität und Bioaktivität von PR-15 während der Lagerung bei 4 °C sicherstellt, wurde ein pH Screening, eine Forced Degradation Studie und ein Design of Experiments (DoE) durchgeführt. Zuerst wurde die Stabilität und Bioaktivität von PR-15 bei verschiedenen pH Werten in 50 mM Histidinpuffer in einer Kurzzeitstabilitätsstudie bei 25 °C und 40 °C nach 4 und 8 Wochen mit Hilfe verschiedener analytischer Methoden beobachtet. Des Weiteren wurden mögliche Abbauwege von PR-15 unter Stressbedingungen wie erhöhter Temperatur, saurem oder basischem pH-Wert, Einfrier-Auftau-Zyklen, Lichteinwirkung, induzierter Oxidation sowie induzierter Deamidierung während der Forced Degradation Studie untersucht. Darüber hinaus konnten wir das Hauptabbauprodukt von PR-15 durch LC/ESI-MS Analysen identifizieren. Im folgenden DoE wurde die injizierbare PR-15 Formulierung weiter optimiert und bezüglich pH, der Wahl des Puffers sowie der Zugabe von Hilfsstoffen analysiert, bis letztendlich eine optimale PR 15-Formulierung gefunden wurde.
Die Wachstumsfaktoren BMP-2, IGF-I und TGF-β3 wurden zur Differenzierung von Stammzellen für das Tissue Engineering von Knochen und Knorpel ausgewählt, um multifunktionalisierte osteochondrale Implantate zur Regeneration von Knorpeldefekten herzustellen. Seidenfibroin (SF) wurde aufgrund seiner Biokompatibilität, seiner mechanischen Eigenschaften und seiner Möglichkeiten zur Biofunktionalisierung als Biomaterial gewählt. Zuerst wurden SF-Scaffolds mit idealer Geometrie und optimaler Porosität erzeugt, um sowohl Knochen also auch Knorpel auf einem Scaffold herzustellen. Um eine räumlich begrenzte kovalente Immobilisierung der Wachstumsfaktoren BMP-2 und IGF-I auf den porösen SF-Scaffolds zu ermöglichen, wurden diese mit unnatürlichen Aminosäuren genetisch modifiziert. Das Einführen von Alkin- bzw. Azidresten in die Aminosäuresequenz von BMP-2 (in dieser Arbeit nicht gezeigt; von Barbara Tabisz durchgeführt) und IGF-I erlaubt unter Verwendung der Click-Chemie eine ortsgerichtete kovalente Kopplung der Wachstumsfaktoren an zwei gegenüberliegenden Seiten der Scaffolds. TGF-β3 wurde durch gewöhnliche EDC/NHS-Chemie, welche keine Modifikation erforderte, kovalent an Mikrosphären immobilisiert und in den Poren des gesamten SF-Scaffolds verteilt.
Daher beschäftigen wir uns in Phase II mit der Modifikation von Proteinen, dem Protein Engineering, der Immobilisation von Proteinen und mit Biokonjugation. Neben der Synthese lag der Fokus auf der Charakterisierung modifizierter Proteine und deren Konjugaten. Das Gebiet des Protein Engineerings bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten, bestehende Proteine zu modifizieren oder neue Proteine mit verlängerter Serumhalbwertszeit, erhöhter konformativer Stabilität oder verbesserten Freisetzungsraten entsprechend der klinischen Anwendung zu entwickeln.
Die ortsspezifische Click-Chemie und die nicht-ortsspezifische EDC/NHS-Chemie wurden für die Biokonjugation und die Immobilisierung von Proteinen verwendet mit dem Ziel, die Vorzüge der ortsgerichteten Kopplung hervorzuheben. Für den Einbau der für die Durchführung der Click-Reaktion erforderlichen Alkin- bzw. Azidfunktionalität in das betreffende Protein wurden drei Strategien ausgewählt: die Azokupplung, die PEGylierung und die gentechnische Modifizierung. Azidgruppen wurden mittels Azokupplung erfolgreich in SF eingebaut und die Alkin-, Amino- oder Säurefunktionalität wurde mittels PEGylierung der Cysteine in das Modellprotein FGF-2 integriert. Die korrekte Faltung von FGF-2 nach erfolgreicher PEGylierung wurde durch Fluoreszenzspektroskopie bestätigt, im WST-1 Proliferationsassay wurde eine angemessene Bioaktivität festgestellt und die Reinheit von PEGylierten FGF-2 wurde mittels RP-HPLC analysiert. Darüber hinaus führte die Modifikation von nativem FGF-2 mit 10 kDa PEG-Ketten zu einer erhöhten thermischen Stabilität. 
Des Weiteren wurde ein IGF-I-Mutant gentechnisch hergestellt, indem die unnatürliche Aminosäure Propargyl-L-Lysin (Plk) an Position 65 in die IGF-I-Sequenz eingebaut wurde. Da letztendlich lediglich kaum nachweisbare Mengen an Plk-IGF-I exprimiert werden konnten, muss die Plk-IGF-I-Expression in anschließenden Studien weiter optimiert werden, um Plk-IGF-I mit höheren Ausbeuten erzeugen zu können. 
Die Biokonjugation von PEGyliertem FGF-2 und funktionalisierter Seide wurde sowohl mittels Click- als auch mittels EDC/NHS-Chemie erfolgreich durchgeführt. Allerdings wurden erhebliche Mengen PEG-FGF-2 lediglich an SF adsorbiert und nicht kovalent gekoppelt und konnten schlussendlich nicht aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden. Die anschließende Immobilisierung von PEG-FGF-2 an Mikrosphären, war ein Versuch die Ausbeute der Reaktion zu erhöhen und adsorbiertes PEG-FGF-2 leichter zu entfernen. Immobilisiertes PEG-FGF-2 wurde mittels Fluoreszenzmikroskopie und/oder Durchflusszytometrie nachgewiesen und die Bioaktivität wurde durch die Analyse der Proliferation von NIH-3T3-Zellen ermittelt. Die Immobilisierung auf Mikrosphären führte jedoch zu demselben Problem wie in Lösung: Adsorption von positiv geladenem FGF-2 an negativ geladenes SF bzw. negativ geladenen Mikrosphären durch elektrostatische Wechselwirkungen. Schließlich waren wir nicht in der Lage, die Überlegenheit der ortsgerichteten Click-Chemie gegenüber der nicht-ortsgerichteten EDC/ NHS-Chemie zu beweisen. 
Die während Phase II erworbenen Fähigkeiten und Kenntnisse im Bereich der Immobilisierung und Charakterisierung von Proteinen halfen uns in Phase III Knorpelgewebe in biofunktionalisierten SF-Scaffolds zu erzeugen. Der Ansatz der kovalenten Immobilisierung, der für das Tissue Engineering von Knorpel erforderlichen Wachstumsfaktoren, ist aufgrund ihrer kurzen in vivo Halbwertszeiten von Bedeutung und zielt darauf ab, ihre Bioverfügbarkeit zu kontrollieren. So wurde TGF-β3 mittels EDC/NHS-Chemie kovalent an biokompatible und biostabile PMMA-Mikrosphären gekoppelt. Mit Hilfe des sogenannten Luciferase-Assays wurden die Bioaktivitäten von kovalent gekoppeltem sowie von adsorbiertem TGF-β3 auf PMMA-Mikrosphären ermittelt. Um die Kopplungseffizienz zu berechnen und den tatsächlichen Einfluss der EDC/NHS-Chemie auf die Bioaktivität von TGF-β3 zu untersuchen, wurde die Menge an immobilisiertem TGF-β3 auf PMMA-Mikrosphären mittels ELISA bestimmt. Für die Kopplung von TGF-β3 mittels EDC/NHS-Chemie wurde eine signifikant höhere Kopplungseffizienz im Vergleich zu der Reaktion ohne Kopplungsreagenzien, welche eine geringe Menge an adsorbiertem TGF-β3 zeigte, bestimmt. Bei alleiniger Betrachtung der Ergebnisse des Luciferase-Assays, bei welchem kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen kovalent immobilisiertem und adsorbiertem TGF-β3 bezüglich der relativen Luciferase-Aktivität beobachtet wurde, scheint es als hätte die EDC/NHS-Kopplung keinen Einfluss auf die Bioaktivität von TGF β3. Beim Vergleich der mittels ELISA bestimmten TGF β3 Gesamtmenge und der mittels Luciferase-Assay bestimmten Menge an aktivem TGF-β3 auf den PMMA-Mikrosphären, wurde jedoch ein Verlust der Bioaktivität von TGF-β3 durch die EDC/NHS-Kopplung deutlich. Ungeachtet dessen, wurde immobilisiertes TGF-β3 genutzt, um Knorpelgewebe in SF-Scaffolds aus BMSCs zu generieren. Nach den Ergebnissen der histologischen und immunhistochemischen Untersuchungen, der biochemischen Assays sowie der qRT-PCR der Genexpression von BMSCs nach 21 Tagen in Kultur, gelang es uns unter Verwendung von immobilisiertem TGF-β3 Knorpelgewebe aufzubauen. Diese Ergebnisse unterstützen die These, dass die lokale Präsentation von TGF-β3 gegenüber exogen zugegebenem TGF-β3 für die Entwicklung von hyalinem Knorpel überlegen ist. Außerdem schließen wir daraus, dass kovalent immobilisiertes TGF-β3 nicht nur gegenüber exogen zugegebenem TGF-β3 für die Entwicklung von hyalinem Knorpelgewebe überlegen ist, sondern auch gegenüber adsorbiertem TGF-β3. Diffusionsprozesse konnten durch kovalente Immobilisierung von TGF-β3 an PMMA-Mikrosphären verhindert werden und damit eine stabile und gleichmäßige TGF β3-Konzentration am Wirkort aufrechterhalten werden.
Mit den in Phase II und III gewonnenen Erkenntnissen und den Untersuchungen von Barbara Tabisz zur Expression und Aufreinigung von plk-BMP-2 haben wir erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung multifunktionaler osteochondraler Implantate zur Regeneration von Knorpeldefekten gemacht. Für die Umsetzung dieser Erkenntnisse zur Herstellung multifunktionaler osteochondraler SF-Scaffolds sind jedoch weitere Studien erforderlich.
KW  - biologics
KW  - protein therapeutics
KW  - TGF-β3
KW  - IGF-I
KW  - FGF-2
KW  - injectable protein formulation
KW  - protein modification
KW  - bioconjugation
KW  - click chemistry
KW  - EDC-NHS chemistry
KW  - osteochondral implant
KW  - cartilage tissue engineering
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161798
ER  - 
TY  - THES
A1  - Günther, Katharina
T1  - Generation of early human neuroepithelial progenitors from primary cells for biomedical applications
T1  - Generierung früher humaner neuroepithelialer Vorläufer aus primären Zellen für biomedizinische Anwendungen
N2  - Patient-specific induced pluripotent stem cells (iPSCs) emerged as a promising cell source for disease modeling and drug screening as well as a virtually unlimited source for restorative therapy. The thesis deals with three major topics to help realizing biomedical applications with neural stem cells. 

To enable the generation of transgene-free iPSCs, alternatives to retroviral reprogramming were developed. Hence, the adaptation and evaluation of reprogramming using excisable lentiviral constructs, Sendai virus (SeV) and synthetic mRNA-based methods was assessed in the first part of this thesis. hiPSCs exhibit the pluripotency markers OCT4, SSEA-4, TRA1-60 which were confirmed by immunofluorescence and flow cytometry. Besides, the potential to differentiate in cell types of all three germ layers was detected, confirming pluripotent identity of proliferating colonies resulting from various reprogramming strategies. However, major differences such as high efficiency with SeV in contrast to a relatively low efficiency with mRNA in regard to passage number and the phenotype of starting fibroblasts were observed. Furthermore, a prolonged clone- and passage-dependent residual presence of viral RNA genes was identified in SeV-iPSCs for up to 23 passages using RT-PCR underlining the importance of careful monitoring of clone selection. In contrast, viral-free reprogramming by synthetic mRNA represents a fully non-integrative approach but requires further refinement to be efficiently applicable to all fibroblasts. 

The second part of this thesis deals with the establishment of a rapid monolayer approach to differentiate neural progenitor cells from iPSCs. To achieve this, a two-step protocol was developed allowing first the formation of a stable, primitive NPC line within 7 days which was expanded for 2-3 passages. In a second step, a subsequent adaptation to conditions yielding neural rosette-like NPCs followed. Both neural lines were demonstrated to be expandable, cryopreservable and negative for the pluripotency marker OCT4. Furthermore, a neural precursor identity including SOX1, SOX2, PAX6, Nestin was confirmed by immunofluorescence and quantitative RT-PCR. Moreover, the differentiation resulted in TUJ1-positive neurons and GFAP-positive astrocytes. Nonetheless, the outcome of glial differentiation from primitive NSCs remained low, whereas FGF/EGF-NPCs were efficiently differentiated into GFAP-positive astrocytes which were implicated in a cellular model of the blood brain barrier.

The third and major objective of this study was to generate human early neural progenitor cells from fetal brain tissue with a wide neural differentiation capacity. Therefore, a defined medium composition including small molecules and growth factors capable of modulation of crucial signaling pathways orchestrating early human development such as SHH and FGF was assessed. Indeed, specific culture conditions containing TGFβ inhibitor SB431542, SHH agonist Purmorphamine, GSK3β inhibitor CHIR99021 and basic FGF, but no EGF enabled robust formation of early neuroepithelial progenitor (eNEP) colonies displaying a homogeneous morphology and a high proliferation rate. Moreover, primary eNEPs exhibit a relatively high clonogenicity of more than 23 % and can be monoclonally expanded for more than 45 passages carrying a normal karyotype. Characterization by immunofluorescence, flow cytometry and quantitative RT-PCR revealed a distinct NPC profile including SOX1, PAX6, Nestin and SOX2 and Prominin. Furthermore, primary eNEPs show NOTCH and HES5 activation in combination with non-polarized morphology, indicative of an early neuroepithelial identity. Microarray analysis unraveled SOX11, BRN2 and other HES-genes as characteristic upregulated genes. Interestingly, eNEPs were detected to display ventral midbrain/hindbrain regional identity. The validation of yielded cell types upon differentiation indicates a strong neurogenic potential with more than 90 % of TUJ1-positive neurons. Moreover, astrocytes marked by GFAP and putative myelin structures indicating oligodendrocytes were identified. Electrophysiological recordings revealed functionally active neurons and immunofluorescence indicate GABAergic, glutamatergic, dopaminergic and serotonergic subtypes. Additionally, putative physiological synapse formation was observed by the presence of Synapsin and PSD-95 as well as by ultrastructural examination. Notably, rare neurons stained positive for the peripheral neuronal marker Peripherin suggesting the potential of eNEPS to give rise to cells of neural tube and neural crest origin. By the application of specific differentiation protocols an increase of TH-positive neurons or neural crest-derivatives such as putative A- and C-sensory neurons and mesenchymal cells was identified. Taken together, primary eNEPs might help to elucidate mechanisms of early human neurodevelopment and will serve as a novel source for cell replacement and further biomedical applications.
N2  - Patientenspezifische induziert pluripotente Zellen (iPSZ) haben sich als eine vielversprechende Möglichkeit erwiesen Zellen zu gewinnen, die für Krankheitsmodellierung, Arzneimitteltests und Zellersatztherapie in Frage kommen. In dieser Arbeit wurden drei wichtige Fragestellungen adressiert, die für potenzielle biomedizinische Anwendungen von neuralen Stammzellen von großem Interesse sind.

Um die Generierung von transgenfreien iPSZ zu ermöglichen, wurden Alternativen zur retroviralen Reprogrammierung entwickelt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden Reprogrammierungsmethoden, die auf deletierbaren, lentiviralen Konstrukten oder nichtintegrativen Verfahren wie Sendaivirus (SeV)-Transduktion und Transfektion synthetischer mRNA basieren, adaptiert und evaluiert. Die daraus resultierenden iPSZ exprimieren die Pluripotenzmarker OCT4, SSEA-4 und TRA1-60. Weiterhin wurde das Potenzial in Zelltypen aller drei Keimblätter zu differenzieren nachgewiesen. Dadurch konnte die pluripotente Identität der proliferativen Kolonien bestätigt werden. Beim Vergleich der angewandten Methoden fielen, bezüglich der generierten iPSZ-Linien, sowohl qualitative als auch quantitative Unterschiede auf. Bei der Verwendung von SeV-Partikeln wurde eine hohe Reprogrammierungseffizienz festgestellt. Bei der Transfektion von mRNAs hingegen war die Reprogrammierungseffizienz deutlich niedriger. Diese war darüber hinaus abhängig von der Passage und dem Genotyp der Ausgangsfibroblasten. Des Weiteren konnte eine klon- und passagenabhängige Präsenz viraler Gene in SeV-iPSZ bis zu 23 Passagen lang beobachtet werden, während bei der mRNA-Transfektion keine Spuren der genetischen Manipulation zurückblieben. Dies verdeutlicht die Bedeutung einer sorgfältigen Qualitätskontrolle bei der Klonselektion im Falle der SeV-iPSZ. Im Gegensatz dazu stellt die Reprogrammierung durch Transfektion synthetischer mRNAs eine völlig nicht-integrative Strategie dar, erfordert allerdings weitere Verfeinerung um das Verfahren effizient und vor allem für alle Fibroblastenpräparationen anwendbar zu machen.

Der zweite Teil der Arbeit behandelt die Etablierung eines schnellen, adhärenten Protokolls, um neurale Vorläuferpopulation aus iPSZ zu differenzieren. Um dies zu erreichen, wurde ein zweiphasiges Protokoll entwickelt, welches zunächst die Generierung einer primitiven neuralen Vorläuferzellpopulation innerhalb von 7 Tagen erlaubt. In einem zweiten Schritt erfolgte die Adaptierung an Kulturbedingungen, die eine neurale, rosettenähnliche Zellpopulation induzieren. Beide neuralen Zellpopulationen konnten weiter expandiert und eingefroren werden und waren negativ für den Pluripotenz-assoziierten Transkriptionsfaktor OCT4. Darüber hinaus konnte die neurale Vorläuferidentität mittels positiver Expression von SOX1, SOX2, PAX6 und Nestin bestätigt werden. Eine weitere Differenzierung dieser Zellen resultierte in TUJ1-positiven Neuronen und GFAP-positiven Astrozyten, die die Verwendung der Zellpopulation beispielsweise in einem zellulären Modell der Blut-Hirn-Schranke erlaubten.

Das Hauptprojekt dieser Dissertation war es, frühe humane neurale Vorläuferzellen aus fetalem Hirngewebe zu isolieren und in Kultur zu stabilisieren. Diese Population sollte eine breite Differenzierungskapazität aufweisen. Zu diesem Zweck wurde eine chemisch definierte Medienzusammensetzung gewählt, die zusätzlich pharmakologisch wirksame Verbindungen und Wachstumsfaktoren beinhaltet. Hierdurch konnten Signaltransduktionswege wie zum Beispiel der Sonic-Hedgehog- (SHH) oder FGF-Signalweg, die bei der frühen neuralen Entwicklung eine bedeutende Rolle spielen, moduliert werden. In der Tat ermöglichten spezifische Kultivierungsbedingungen, die den TGFβ-Inhibitor SB431542, den SHH-Agonisten Purmorphamin, den GSK3β-Inhibitor CHIR99021 und basisches FGF, jedoch kein EGF enthielten, die robuste Bildung einer früheren neuroepithelialen Vorläuferpopulation (eNEP). Die so stabilisierten Kolonien wiesen eine homogene Morphologie und eine hohe Proliferationsrate auf. Außerdem zeigten sie eine hohe Klonogenitätsrate von 23%, die es ermöglichte monoklonale Zelllinien zu isolieren und für mehr als 45 Passagen zu expandieren. Dabei blieb ein normaler Karyotyp erhalten. Die Zellen zeigten ein eindeutiges neurales Profil, gekennzeichnet durch SOX1, PAX6, Nestin, SOX2 und Prominin-Expression. Weiterhin wiesen eNEPs NOTCH und HES5-Aktivierung in Kombination mit nicht-polarisierter Morphologie auf, was auf eine frühe neuropitheliale Identität hinweist. Eine Microarray-Analyse demonstrierte weiterhin SOX11, BRN2 und einige HES-Gene als charakteristisch hochregulierte Gene. Interessanterweise zeigen eNEPs eine regionale Identität, die auf eine Mittelhirn/Hinterhirn-Regionalisierung hinweist. Die Validierung ungerichtet ausdifferenzierter Zelltypen offenbarte mit einem Kulturanteil von 90% TUJ1-positiven Neuronen ein stark neurogenes Potenzial. Zusätzlich konnten GFAPpositive Astrozyten sowie mögliche Myelinstrukturen, die auf Oligodendrozyten hinweisen, nachgewiesen werden. Elektrophysiologische Aufzeichnungen deuten auf funktionell aktive Neurone hin und Immunofluoreszenzfärbungen zeigten GABAerge, glutamaterge, dopaminerge und serotonerge neuronale Subtypen. Außerdem wurden mittels Immunfluoreszenzanalyse Synapsin- und PSD-95- positive synaptische Strukturen nachgewiesen. Ultrastrukturelle Analysen mittels Transmissionselektronenmikroskopie bestätigten das Ergebnis. Hervorzuheben ist, dass einige Neurone positiv für den peripheren Neuronenmarker Peripherin gefärbt wurden, was darauf hinweist, dass eNEPs das Potenzial besitzen, in Zellen der Neuralleiste zu differenzieren. Durch die Verwendung von spezifischen Differenzierungsprotokollen konnte das Vorkommen TH-positiver und auch möglicher A- und C-sensorischer Fasern, sowie mesenchymaler Zellen nachgewiesen werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass primäre eNEPs dazu beitragen könnten, die frühe humane Gehirnentwicklung zu verstehen. Darüber hinaus stellen eNEPs eine potentielle zelluläre Quelle für Zellersatztherapien und weitere biomedizinische Anwendungen dar.
KW  - progenitors
KW  - stem cells
KW  - biomedicine
KW  - human primary cells
KW  - biomedical applications
KW  - neuroepithelial progenitors
KW  - neuroepitheliale Vorläufer
KW  - early neural precursors
KW  - frühe neurale Vorläufer
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150348
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schwenk, Nicola
T1  - Seeing the Light: Synthesis of Luminescent Rhodacyclopentadienes and Investigations of their Optical Properties and Catalytic Activity
T1  - Licht sehen: Synthese lumineszierender Rhodacyclopentadiene und Untersuchung ihrer optischen Eigenschaften und katalytischen Aktivität
N2  - Luminescent organotransition metal complexes are of much current interest. As the large spin-orbit coupling of 2nd and 3rd row transition metals usually leads to rapid intersystem crossing from S1 to T1, which enables phosphorescence, there is a special interest in using triplet-emitting materials in organic or organometallic light emitting diodes (OLEDs). Marder et al. have found that, reductive coupling of both para-R-substituted diarylbutadiynes and diaryldodecatetraynes on Rh(PMe3)4X leads to quantitative yields of bis(arylethynyl)-rhodacyclopentadienes with complete regiospecificity (R = BMes2, H, Me, OMe, SMe, CF3, CN, CO2Me, NMe2, NO2, C≡C-TMS and X = -C≡C-TMS, -C≡C-C6H4-4-NMe2, -C≡C-C≡C-C6H4-4-NPh2, Me, Cl).47,49  Unexpectedly, these compounds show intense fluorescence rather than phosphorescence (ɸf = 0.33-0.69, t = 1.2 3.0 ns). The substituent R has a significant influence on the photophysical properties, as absorption and emission are both bathochromically shifted compared to R = H, especially for R = π-acceptor. 
To clarify the mechanism of the formation of the rhodacyclopentadienes, and to investigate further their unique photophysical properties, a series of novel, luminescent rhodacyclopentadienes with dithiocarbamate as a bidentate ligand at the rhodium centre has been synthesised and characterised (R = NO2, CO2Me, Me, NMe2, SMe, Ar = C6F4-4-OMe). The rhodacyclopentadienes have been formed via reductive coupling of diaryl undecatetraynes with [Rh(k2-S,S`-S2CNEt2)(PMe3)2]. The structures of a series of such compounds were solved by single crystal X-ray diffraction and are discussed in this work. The compounds were fully characterised via NMR, UV/Vis and photoluminescence spectroscopy as well as by elemental analysis, high-resolution mass spectrometry (HRMS) and X-ray diffraction.
When heating the reactions, another isomer is formed to a certain extent. The so-called dibenzorhodacyclopentadienes already appeared during earlier studies of Marder et al., when acetylacetonate (acac) was employed as the bidentate ligand at the Rh-centre. They are probably formed via a [4+2] cycloaddition reaction and C-H activation, followed by a β-H shift.
Use of the perfluorinated phenyl moiety Ar = C6F4-4-OMe provided a total new insight into the mechanism of formation of the rhodacyclopentadiene isomers and other reactions. Besides the formation of the expected rhodacyclopentadiene, a bimetallic compound was generated, isolated and characterised via X-ray crystallography and NMR spectroscopy, elemental analysis and high resolution mass spectrometry.
For further comparison, analogous reactions with [Rh(k2 S,S` S2CNEt2)(PPh3)2] and a variety of diaryl undecatetraynes (R = NO2 CO2Me, Me, NMe2, SMe, Ar = C6F4-4-OMe) were carried out. They also yield the expected rhodacyclopentadienes, but quickly react with a second or even third equivalent of the tetraynes to form, catalytically, alkyne cyclotrimerisation products, namely substituted benzene derivatives (dimers and trimers), which are highly luminescent. The rhodacyclopentadienes (R = NO2, CO2Me, Me, SMe, Ar = C6F4-4-OMe) are stable and were isolated. The structures of a series of these compounds were obtained via single crystal X-ray crystallography and the compounds were fully characterised via NMR, UV/Vis and photoluminescence spectroscopy as well as by elemental analysis and HRMS.
Another attempt to clarify the mechanism of formation of the rhodacyclopentadienes involved reacting a variety of diaryl 1,3-butadiynes (R = CO2Me, Me, NMe2, naphthyl) with [Rh(k2 S,S` S2CNEt2)(PMe3)2]. The reactions stop at an intermediate step, yielding a 1:1 trans π-complex, confirmed by single crystal X-ray diffraction and NMR spectroscopy. Only after several weeks, or under forcing conditions (µw / 80 °C, 75 h), the formation of another major product occurs, having bound a second diaryl 1,3-butadiyne. Based on earlier results of Murata, the product is identified as an unusual [3+2] cycloaddition product, ϭ-bound to the rhodium centre.
N2  - Lumineszierende Übergangsmetallkomplexe sind aktuell sehr gefragt. Da die starke Spin-Bahn-Kopplung von Übergangsmetallen der zweiten und dritten Reihe zu einem schnellen Inter-System-Crossing führt, und damit zu Phosphoreszenz, gilt der Verwendung Triplett-emittierender Materialien in organischen und organometallischen Licht emittierenden Dioden (OLEDs) besonders großes Interesse. Marder et al. fanden heraus, dass die reduktive Kupplung von para R-substituierten Diarylbutadiinen und Diaryldodecatetraynen an Rh(PMe3)4X zu quantitativen Ausbeuten von Bis(Arylethinyl)-Rhodacyclopentadienen führt (R = BMes2, H, Me, OMe, SMe, CF3, CN, CO2Me, NMe2, NO2, C≡C-TMS and X = -C≡C-TMS, -C≡C-C6H4-4-NMe2, -C≡C-C≡C-C6H4-4-NPh2, Me, Cl), wobei sich nur ein Regioisomer bildet. Überaschenderweise zeigen diese Verbindungen intensive Fluoreszenz an Stelle von Phosphoreszenz (ɸf = 0.33-0.69, t = 1.2 3.0 ns). Der Substituent R hat großen Einfluss auf die Lumineszenz Eigenschaften. Die Absorption sowie Emission sind im Vergleich zu R = H jeweils bathochrom verschoben, wobei der Effekt im Fall von R = π-Akzeptor stärker ausgeprägt ist.

Um den Bildungsmechanismus der Rhodacyclopentadiene aufzuklären und ihre einzigartigen Lumineszenz Eigenschaften intensiver zu untersuchen, wurde eine Reihe von neuen, lumineszierenden Rhodacyclopentadienen mit dem bidentaten Liganden Dithiocarbamat am Rhodium-Zentrum dargestellt und charakterisiert (R = NO2, CO2Me, Me, NMe2, SMe, Ar = C6F4-4-OMe). Die Rhodacyclopentadiene entstanden durch reduktive Kupplung von Diarylundecatetrainen mit [Rh(k2-S,S`-S2CNEt2)(PMe3)2]. Die Strukturen einiger solcher Verbindungen wurden mit Hilfe von Röntgenstrukturanalyse gelöst und werden in der vorliegenden Arbeit diskutiert. Die Verbindungen wurden mit Hilfe von NMR, optischer Spektroskopie, sowie Elementaranalyse, hochauflösender Massenspektrometrie (HRMS) und Röntgenstrukturanalyse vollcharakterisiert.

Wurden die Reaktionen erhitzt, bildete sich zu einem gewissen Anteil ein anderes Isomer. Das sogenannte Dibenzorhodacyclopentadien tauchte bereits während früherer Untersuchungen von Marder et al. auf, wobei Acetylacetonat (acac) als bidentater Ligand am Rh-Zentrum eingesetzt wurde. Diese werden möglicherweise durch eine [4+2] Zykloaddition und eine C-H Aktivierung, gefolgt von einem β-H Shift gebildet.
Reaktionen die mit dem perfluorierten Phenylrest Ar = C6F4-4-OMe durchgeführt wurden, ermöglichten völlig neue Einblicke in den Bildungsmechanismus der Isomere der Rhodacyclopentadiene und anderer Reaktionen. Neben der Bildung des erwarteten Rhodacyclopentadiens, entstand eine bimetallische Verbindung, welche isoliert und mittels Röntgenstrukturanalyse, NMR-Spektroskopie, Elementaranalyse und HRMS charakterisiert wurde.
Um weitere Vergleiche anzustellen, wurde analoge Reaktionen mit einer Reihe von Diarylundecatetrainen (R = NO2 CO2Me, Me, NMe2, SMe, Ar = C6F4-4-OMe) und [Rh(k2 S,S` S2CNEt2)(PPh3)2]  durchgeführt. Diese führen ebenfalls zu den erwarteten Rhodacyclopentadienen, jedoch erfolgt schnelle Reaktion mit einem zweiten oder sogar dritten Äquivalent Tetrain um katalytisch Alkin-Trimerisierungsprodukte zu bilden, bei denen es sich um substituierte Benzolderivate (Dimere und Trimere) handelt. Diese sind stark lumineszierend. Die Rhodacyclopentadiene sind stabil und konnten isoliert werden. Von einigen Verbindungen konnten Röntgenstrukturanalysen durchgeführt werden. Alle isolierten Verbindungen wurden mittels NMR und optischer Spektroskopie, sowie Elementaranalyse und HRMS charakterisiert.
Ein weiterer Ansatz um den Bildungsmechanismus der Rhodacyclopentadiene aufzuklären beinhaltete die Reaktion einer Reihe von Diarylbutadiinen (R = CO2Me, Me, NMe2, naphthyl) mit [Rh(k2 S,S` S2CNEt2)(PMe3)2]. Die Reaktionen stoppen an der Stelle eines Zwischenproduktes, bei dem es sich um einen 1:1 trans π-Komplex handelt, der mittels Röntgenstrukturanalyse und NMR Spektroskopie bestätigt werden konnte. Erst nach einigen Wochen oder unter harschen Reaktionsbedingungen (µw / 80 °C, 75 h), konnte die Bildung eines weiteren Produktes beobachten werden, an welches ein zweites Diarylbutadiin gebunden ist. Ausgehend von früheren Ergebnissen von Murata, wurde das Produkt als ein [3+2]-Zykloadditionsprodukt identifiziert.
KW  - Rhodium
KW  - Fluoreszenz
KW  - Rhodacyclopentadiene
KW  - Cyclotrimerisation
KW  - Fluorescence
KW  - Organometallic chemistry
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149550
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TY  - THES
A1  - Schücker, Katharina
T1  - The molecular architecture of the meiotic chromosome axis as revealed by super-resolution microscopy
T1  - Die molekulare Architektur der meiotischen Chromosomenachse dargestellt mit hochauflösender Mikroskopie
N2  - During meiosis proteins of the chromosome axis are important for monitoring chromatin structure and condensation, for pairing and segregation of chromosomes, as well as for accurate recombination. They include HORMA-domain proteins, proteins of the DNA repair system, synaptonemal complex (SC) proteins, condensins and cohesins. To understand more about their function in shaping the meiotic chromosome it is crucial to establish a defined model of their molecular architecture. Up to now their molecular organization was analysed using conventional methods, like confocal scanning microscopy (CLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Unfortunately, these techniques are limited either by their resolution power or their localization accuracy. In conclusion, a lot of data on the molecular organization of chromosome axis proteins stays elusive. For this thesis the molecular structure of the murine synaptonemal complex (SC) and the localization of its proteins as well as of three cohesins was analysed with isotropic resolution, providing new insights into their architecture and topography on a nanoscale level. This was done using immunofluorescence labelling in combination with super-resolution microscopy, line profiles and average position determination. The results show that the murine SC has a width of 221.6 nm ± 6.1 nm including a central region (CR) of 148.2 nm ± 2.6 nm. In the CR a multi-layered organization of the central element (CE) proteins was verified by measuring their strand diameters and strand distances and additionally by imaging potential anchoring sites of SYCP1 (synaptonemal complex protein 1) to the lateral elements (LEs). We were able to show that the two LEs proteins SYCP2 and SYCP3 do co-localize alongside their axis and that there is no significant preferential localization towards the inner LE axis of SYCP2. 
The presented results also predict an orderly organization of murine cohesin complexes (CCs) alongside the chromosome axis in germ cells and support the hypothesis that cohesins in the CR of the SC function independent of CCs.
In the end new information on the molecular organization of two main components of the murine chromosome axis were retrieved with nanometer precision and previously unknown details of their molecular architecture and topography were unravelled.
N2  - Innerhalb der Meiose sind Proteine der Chromosomenachse wichtig für das Monitoring der Chromatinstruktur und dessen Kondensation, sowie für die Paarung und Trennung der Chromosomen und für eine fehlerfreie Rekombination. Zu diesen Proteinen zählen HORMA-domain Proteine, Proteine des DNA-Reparatur-Systems und des synaptonemalen Komplexes, sowie Kohäsine und Kondesine. Um mehr über ihre Rolle in der Formgebung meiotischer Chromosomen zu erfahren, ist es unabdingbar ein genau definiertes Modell über ihre molekulare Architektur zu erstellen. Bis jetzt wurde ihre molekulare Organisation mit konventionellen Methoden wie dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) und dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht. Beide Techniken sind jedoch entweder in ihrer Auflösung oder ihrer Lokalisationsgenauigkeit beschränkt, wodurch viele Daten zur molekularen Organisation der Chromosomenachse noch nicht erfasst werden konnten. Die vorliegende Arbeit untersucht mit isotropischer Auflösung die molekulare Struktur des synaptonemalen Komplexes (SC) der Maus und die Lokalisation seiner Proteine, sowie die Lokalisation von drei Kohäsinen, was neue Einsichten in deren Architektur und Topographie auf der nanomolekularen Ebene erbrachte. Dies gelang durch die Verwendung von Immunfluoreszenzmarkierungen in Kombination mit hochauflösender Mikroskopie, Linienprofilen und durchschnittlicher Positionsbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass der murine SC eine Weite von 221,6 nm ± 6,1 nm besitzt, inklusive einer 148,2 nm ± 2,6 nm weiten zentralen Region (CR). Innerhalb der CR konnte eine mehrschichtige Anordnung der Proteine des zentralen Elements (CE) bestätigt werden. Dies gelang indem ihre Strangdurchmesser und –abstände gemessen worden sind und zusätzlich potentielle Bindestellen von SYCP1 (synaptonemal complex protein 1) an den lateral Elementen des SCs (LEs) abgebildet werden konnten. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die beiden LE Proteine, SYCP2 und SYCP3, kolokalisieren. Dabei zeigte SYCP2 keine präferentielle Lokalisation im inneren Bereich der LE. 
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten auf eine organisierte Anordnung der murinen Kohäsin Komplexe (CCs) entlang der Chromosomenachse in Keimzellen hin und unterstützen die Hypothese, dass Kohäsine innerhalb der CR des SC eine Funktion unabhängig der von CCs haben. 
Schlussendlich konnten neue Informationen zur molekularen Anordnung von zwei wichtigen Komponenten der murinen Chromosomenachse mit einer Präzision im Nanometerbereich gewonnen werden und bisher nicht bekannte Details ihrer molekularen Architektur und Topographie aufgedeckt werden.
KW  - Meiose
KW  - Super-resolution microscopy
KW  - Meiosis
KW  - Synaptonemal complex
KW  - Cohesin complex
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-144199
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TY  - THES
A1  - Coban, Mustafa
T1  - Contributions to the Empirics of Immigration, Redistribution and Social Mobility
T1  - Beiträge zur Empirie der Einwanderung, der Umverteilung und der sozialen Mobilität
N2  - In recent decades the international migration has increased worldwide. The influx of people from different cultures and ethnic groups poses new challenges to the labor market and the welfare state of the host countries and causes changes in the social fabric. In general, immigration benefits the economy of the host country. However, these gains from immigration are unevenly distributed among the native population. Natives who are in direct competition with the new workers expect wage losses and a higher probability of getting unemployed, whereas remaining natives foresee either no feedback effects or even wage gains. On the other hand, the tax and transfer system benefits disproportionally from an influx of highly skilled immigrants. Examinations of 20 European countries in 2010 show that a higher proportion of low-skilled immigrants in the immediate neighborhood of the natives increases the difference in the demand for redistribution between high-skilled and low-skilled natives. Thus, high-skilled natives are more opposed to an expansion of the governmental redistribution. On the one hand, a higher proportion of low-skilled immigrants generates a higher fiscal burden on the welfare state. On the other hand, high-skilled natives' wages increase due to an influx of low-skilled immigrants, since relative supply of high-skilled labor increases.

In addition to the economic impact of immigration, the inflow of new citizens is accompanied by natives' fear of changes in the social environment as well as in symbolic values, such as cultural identity or natives' set of values. The latter might generate negative attitudes towards immigrants and increase the demand for a more restrictive immigration policy. On the other hand, more interethnic contact due to a higher ethnic diversity could reduce natives' information gaps, prejudices and stereotypes. This, in turn, could enhance more tolerance and solidarity towards immigrants among natives. Examinations of 18 European countries in 2014 show that more interethnic contact during everyday life reduces both the natives' social distance from immigrants and their fear of social upheaval by the presence of immigrants. However, natives' social distance from immigrants has no effect on their preference for redistribution, but their perceived threat to the national culture and social life by the presence of immigrants has a significantly negative impact on their demand for redistribution. Thus, natives’ concern about the preservation of symbolic norms and values affects the solidarity channel of their redistribution preference.

An individual's upward mobility over time or in relation to his or her parents determines his or her attitude towards the welfare state as well as the transfer of his or her opinions to his or her own children. With regard to intergenerational income mobility, Germany shows a value in the international midfield; higher than the United States (lower mobility) and lower than the Scandinavian countries (higher mobility). For example, if a father's lifetime income increases by 10 percent, his son's lifetime income increases by 4.9 percent in the United States and by 3.1 percent in Germany. Additionally, in Germany, fathers' lifetime income tends to show a higher impact on their sons' income if their incomes are higher. In the United States, fathers' lifetime incomes have a stronger influence on their sons' income at the lower and the upper end of the income distribution compared to the middle. 

Taking a closer look at the intragenerational wage mobility and wage inequality in Germany, the development at the current edge is rather sobering. Since 2000 there is a steady decline in wage mobility. Furthermore, wage mobility in the services sector has been significantly lower than in the manufacturing sector since the beginning of the 2000s. This result is mainly driven by the decrease of wage mobility in the health care and social services sector. Moreover, a worker's unemployment spells and occupation have become more important in the meantime. Since 2006 the increase in the German wage inequality has markedly slowed down and wage growth between 2006 and 2013 has been even polarized, i.e. wages at the lower and at the upper end of the wage distribution have increased more than wages in the middle. However, this development can be partly attributed to the computerization and automation of the production processes. Although, there was substitution of manual routine tasks between 2001 and 2013, cognitive routine tasks are still more pronounced in the middle and at the upper end of the wage distribution. Furthermore, the latter experienced an increase in wage mobility since 2000. On the other hand, manual non-routine tasks are localized disproportionally in the middle and at the lower end of the wage distribution. Thus, the wage gains of these occupations at the lower end were compensated for by the wage losses in the middle.
N2  - Die internationale Migration hat in den letzten Jahrzehnten weltweit zugenommen. Der Zufluss an Menschen aus anderen Kulturen und Ethnien stellt neue Herausforderungen für den Arbeitsmarkt und den Sozialstaat dar und bewirkt Veränderungen im bestehenden sozialen Gefüge. Für die Wirtschaft des Einwanderungslandes gehen mit der Immigration Wohlfahrtssteigerungen einher, wenn auch diese nicht gleichmäßig über die Einheimischen hinweg verteilt werden. Einheimische, die im direkten Wettbewerb zu den neuen Arbeitnehmern stehen, werden Lohnabschläge und den Verlust des Arbeitsplatzes erwarten, während die Übrigen entweder mit keinen Rückwirkungen oder sogar mit Lohnsteigerungen rechnen. Der Sozialstaat hingegen profitiert, wenn hauptsächlich hochqualifizierte Arbeitnehmer einwandern. Die Untersuchungen für 20 europäische Länder in 2010 zeigen auf, dass der Unterschied in der Nachfrage nach Umverteilung zwischen hoch- und geringqualifizierten Einheimischen größer wird, je größer der Anteil an geringqualifizierten Einwanderern in der unmittelbaren Nachbarschaft ausfällt. Hochqualifizierte Einheimische opponieren stärker gegen eine Ausweitung des Sozialstaats, da zum einen der höhere Anteil an geringqualifizierten Immigranten den Wohlfahrtsstaat stärker belastet und zum anderen die Löhne der Hochqualifizierten aufgrund eines geringeren relativen Arbeitsangebots steigen.

Neben den ökonomischen Konsequenzen der Einwanderung, geht mit dem Zufluss an neuen Bürgern auch die Angst vor Umwälzungen in der sozialen Umgebung und vor der Verwässerung bisher geltender Normen- und Wertevorstellungen einher. Letztere können eine Ablehnung von Immigranten seitens der Einheimischen nach sich ziehen und die Forderung nach einer restriktiven Einwanderungspolitik stärken. Andererseits kann der vermehrte Kontakt zu Mitgliedern anderer Ethnien dazu beitragen Informationslücken und Ressentiments abzubauen und im Gegenzug die Toleranz und Solidarität gegenüber Minderheiten stärken. Die Untersuchungen für 18 europäische Länder in 2014 zeigen auf, dass vermehrter interethnischer Kontakt im Alltag sowohl die soziale Distanz der Einheimischen zu Immigranten als auch ihre Ängste vor gesellschaftlichen Umwälzungen senkt. Allerdings schlägt sich die Größe der sozialen Distanz der Einheimischen nicht in ihrer Nachfrage nach Umverteilung nieder, sondern die abstrakten Ängste vor dem Verlust der nationalen Kultur und der Verschlechterung des sozialen Zusammenlebens senken die Präferenz für Umverteilung der Einheimischen. 

Die Aufstiegschancen eines Bürgers über die Zeit hinweg oder im Vergleich zu den eigenen Eltern bestimmen mitunter seine Einstellung gegenüber dem Sozialstaat sowie die Weitergabe seiner Ansichten an die eigenen Kinder. Bezüglich der intergenerativen Einkommensmobilität befindet sich Deutschland im internationalen Mittelfeld; vor den Vereinigten Staaten (geringere Mobilität) und hinter den skandinavischen Ländern (höhere Mobilität). Fällt beispielsweise das Lebenseinkommen eines Vaters um 10 Prozent höher aus, so ist das Lebenseinkommen seines Sohnes in den Vereinigten Staaten um 4,9 Prozent und in Deutschland um 3,1 Prozent höher. Außerdem zeigt sich in Deutschland tendenziell ein zunehmender Einfluss des väterlichen Einkommens je höher das Einkommen des Sohnes ausfällt. In den Vereinigten Staaten ist der Einfluss des väterlichen Einkommens für Söhne mit geringem und hohem Einkommen höher als für Söhne mit einem mittleren Einkommen. 

Richtet man den Fokus auf die intragenerative Lohnmobilität und die Lohnungleichheit sind die Entwicklungen am aktuellen Rand eher ernüchternd.  Indes wird seit 2000 ein steter Rückgang der Lohnmobilität beobachtet. Auffällig ist, dass seit Beginn der 2000er Jahre die Lohnmobilität im Dienstleistungssektor signifikant kleiner als im Verarbeitenden Gewerbe ausfällt. Dieses Ergebnis ist hauptsächlich von einer sinkenden Lohnmobilität im Gesundheits- und Sozialwesen getrieben. Des Weiteren haben die Dauer der Arbeitslosigkeit und der ausgeübte Beruf eines Arbeitnehmers an Bedeutung gewonnen. Seit 2006 hat der Anstieg der Lohnungleichheit an Geschwindigkeit verloren und das Lohnwachstum zwischen 2006 und 2013 ist sogar polarisiert, d.h. die Löhne der Arbeitnehmer am unteren und am oberen Ende der Lohnverteilung sind relativ zu den Löhnen in der Mitte stärker angestiegen. Diese Entwicklung ist jedoch nur teilweise auf die Computerisierung und die Automatisierung der Produktionsprozesse zurückzuführen. Zwar erfolgte zwischen 2001 und 2013 eine Verdrängung manueller Routinetätigkeiten, aber kognitive Routinetätigkeiten befinden sich weiterhin verstärkt am oberen Ende der Lohnverteilung und erfuhren sogar Zugewinne in ihrer Lohnmobilität. Manuelle nicht-routinemäßige Berufe wiederum befinden sich überproportional häufig am unteren Ende und in der Mitte der Lohnverteilung, so dass die Lohngewinne dieser Berufe am unteren Ende der Lohnverteilung durch die Lohneinbußen in der Mitte kompensiert wurden.
KW  - Einwanderung
KW  - Umverteilung
KW  - Soziale Mobilität
KW  - Umverteilungspräferenz
KW  - Einstellung gegenüber Immigranten
KW  - Intergenerative Einkommensmobilität
KW  - Intragenerative Lohnmobilität
KW  - Preference for redistribution
KW  - Attitudes towards immigrants
KW  - Intergenerational income mobility
KW  - Intragenerational wage mobility
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148934
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schenk [née Wolf], Mariela
T1  - Timing of wild bee emergence: mechanisms and fitness consequences
T1  - Zeitliche Abstimmung des Bienenschlupfes: Mechanismen und Fitnesskonsequenzen
N2  - Solitary bees in seasonal environments have to align their life-cycles with favorable environmental conditions and resources. Therefore, a proper timing of their seasonal activity is highly fitness relevant. Most species in temperate environments use temperature as a trigger for the timing of their seasonal activity. Hence, global warming can disrupt mutualistic interactions between solitary bees and plants if increasing temperatures differently change the timing of interaction partners. The objective of this dissertation was to investigate the mechanisms of timing in spring-emerging solitary bees as well as the resulting fitness consequences if temporal mismatches with their host plants should occur. In my experiments, I focused on spring-emerging solitary bees of the genus Osmia and thereby mainly on O. cornuta and O. bicornis (in one study which is presented in Chapter IV, I additionally investigated a third species: O. brevicornis). 
Chapter II presents a study in which I investigated different triggers solitary bees are using to time their emergence in spring. In a climate chamber experiment I investigated the relationship between overwintering temperature, body size, body weight and emergence date. In addition, I developed a simple mechanistic model that allowed me to unite my different observations in a consistent framework. In combination with the empirical data, the model strongly suggests that solitary bees follow a strategic approach and emerge at a date that is most profitable for their individual fitness expectations. I have shown that this date is on the one hand temperature dependent as warmer overwintering temperatures increase the weight loss of bees during hibernation, which then advances their optimal emergence date to an earlier time point (due to an earlier benefit from the emergence event). On the other hand I have also shown that the optimal emergence date depends on the individual body size (or body weight) as bees adjust their emergence date accordingly. My data show that it is not enough to solely investigate temperature effects on the timing of bee emergence, but that we should also consider individual body conditions of solitary bees to understand the timing of bee emergence. 
In Chapter III, I present a study in which I investigated how exactly temperature determines the emergence date of solitary bees. Therefore, I tested several variants degree-day models to relate temperature time series to emergence data. The basic functioning of such degree-day models is that bees are said to finally emerge when a critical amount of degree-days is accumulated. I showed that bees accumulate degree-days only above a critical temperature value (~4°C in O. cornuta and ~7°C in O. bicornis) and only after the exceedance of a critical calendar date (~10th of March in O. cornuta and ~28th of March in O. bicornis). Such a critical calendar date, before which degree-days are not accumulated irrespective of the actual temperature, is in general less commonly used and, so far, it has only been included twice in a phenology model predicting bee emergence. Furthermore, I used this model to retrospectively predict the emergence dates of bees by applying the model to long-term temperature data which have been recorded by the regional climate station in Würzburg. By doing so, the model estimated that over the last 63 years, bees emerged approximately 4 days earlier. 
In Chapter IV, I present a study in which I investigated how temporal mismatches in bee-plant interactions affect the fitness of solitary bees. Therefore, I performed an experiment with large flight cages serving as mesocosms. Inside these mesocosms, I manipulated the supply of blossoms to synchronize or desynchronize bee-plant interactions. In sum, I showed that even short temporal mismatches of three and six days in bee-plant interactions (with solitary bee emergence before flower occurrence) can cause severe fitness losses in solitary bees. Nonetheless, I detected different strategies by solitary bees to counteract impacts on their fitness after temporal mismatches. However, since these strategies may result in secondary fitness costs by a changed sex ratio or increased parasitism, I concluded that compensation strategies do not fully mitigate fitness losses of bees after short temporal mismatches with their food plants. In the event of further climate warming, fitness losses after temporal mismatches may not only exacerbate bee declines but may also reduce pollination services for later-flowering species and affect populations of animal-pollinated plants. 
In conclusion, I showed that spring-emerging solitary bees are susceptible to climate change as in response to warmer temperatures bees advance their phenology and show a decreased fitness state. As spring-emerging solitary bees not only consider overwintering temperature but also their individual body condition for adjusting emergence dates, this may explain differing responses to climate warming within and among bee populations which may also have consequences for bee-plant interactions and the persistence of bee populations under further climate warming. If in response to climate warming plants do not shift their phenologies according to the bees, bees may experience temporal mismatches with their host plants. As bees failed to show a single compensation strategy that was entirely successful in mitigating fitness consequences after temporal mismatches with their food plants, the resulting fitness consequences for spring-emerging solitary bees would be severe. Furthermore, I showed that spring-emerging solitary bees use a critical calendar date before which they generally do not commence the summation of degree-days irrespective of the actual temperature. I therefore suggest that further studies should also include the parameter of a critical calendar date into degree-day model predictions to increase the accuracy of model predictions for emergence dates in solitary bees. Although our retrospective prediction about the advance in bee emergence corresponds to the results of several studies on phenological trends of different plant species, we suggest that more research has to be done to assess the impacts of climate warming on the synchronization in bee-plant interactions more accurately.
N2  - Solitäre Bienen aus gemäßigten Breiten müssen ihre Lebenszyklen vorteilhaften Umweltbedingungen und –ressourcen angleichen. Deshalb ist ein gutes Timing ihrer saisonalen Tätigkeit von höchster Relevanz. Die meisten Arten aus gemäßigten Breiten nutzen Temperatur als Trigger um ihre saisonale Aktivität zeitlich abzustimmen. Aus diesem Grund kann der Klimawandel die mutualistischen Interaktionen zwischen Bienen- und Pflanzenarten stören, falls steigende Temperaturen das Timing der Interaktionspartner unterschiedlich verändern. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Timing-Mechanismen von Frühlingsbienenarten zu untersuchen, sowie die resultierenden Fitnessfolgen, falls zeitliche Fehlabstimmungen zu ihren Wirtspflanzen eintreten sollten. In meinen Experimenten konzentrierte ich mich auf Frühlingsbienenarten der Gattung Osmia (Mauerbienen) und dabei vor allem auf zwei spezielle Arten, nämlich  O. cornuta und O. bicornis (in meiner Studie, die ich im Kapitel IV meiner Doktorarbeit präsentiere, untersuchte ich zusätzlich noch eine dritte Bienenart: O. brevicornis).
Kapitel II präsentiert eine Studie, in der ich verschiedene Trigger untersuchte, die solitäre Bienen nutzen um ihren Schlupfzeitpunkt im Frühjahr festzulegen. Dazu untersuchte ich in einem Klimakammerexperiment den Zusammenhang zwischen Überwinterungstemperaturen, Körpergröße, Körpergewicht und Schlupftag. Zusätzlich entwickelte ich ein einfaches mechanistisches Modell, welches mir ermöglichte, meine verschiedenen Ergebnisse in einem einheitlichen Rahmen zusammenzufügen. In Kombination mit den empirischen Daten deutet das Modell stark darauf hin, dass Bienen einen strategischen Ansatz verfolgen und genau an dem Tag schlüpfen, der für ihre individuelle Fitnesserwartung am sinnvollsten ist. Ich konnte zeigen, dass dieser gewählte Schlupftag einerseits temperaturabhängig ist, da wärmere Temperaturen den Gewichtverlust der Bienen während der Überwinterung steigern, was wiederum den optimalen Schlupftag auf einem früheren Zeitpunkt verschiebt, andererseits konnte ich ebenfalls zeigen, dass der optimale Schlupfzeitpunkt von der individuellen Körpergröße bzw. dem Körpergewicht der Biene abhängt, da diese ihren Schlupftag danach abstimmen. Meine Daten zeigen, dass es nicht reicht alleinig Temperatureffekte auf das Timing der solitären Bienen zu untersuchen, sondern dass wir ebenfalls die Körperkonditionen der Bienen beachten sollten, um die zeitliche Abstimmung des Bienenschlupfes besser verstehen zu können.
In Kapitel III präsentiere ich eine Studie, in der ich den Temperatureinfluss auf den Schlupftermin solitärer Bienen detailreicher untersuchte. Dazu habe ich verschiedene Varianten von Temperatursummen-Modellen getestet, um Temperaturzeitreihen auf Schlupftermine zu beziehen. Die grundlegende Funktionsweise solcher Temperatursummen-Modelle ist, dass der Bienenschlupf auf den Tag prognostiziert wird an dem die Bienen eine bestimmte Menge an Temperatursummen aufsummiert haben. Ich konnte zeigen, dass Bienen Temperatursummen erst ab bestimmten Temperaturen bilden (ab circa 4°C bei O. cornuta und circa 7°C bei O. bicornis) und erst nach Erreichen eines bestimmten Kalendertages (circa 10.März bei O. cornuta und circa 28.März bei O. bicornis). Solch ein bestimmter Kalendertag, vor dessen Erreichen und unabhängig von der aktuellen Temperatur keine Temperatursummen gebildet werden, wird grundsätzlich recht selten verwendet und in Phänologie-Modellen zur Vorhersage des Bienenschlupfes, bis heute auch nur zwei Mal. Zusätzlich benutzte ich mein Modell, um rückwirkend den Bienenschlupf über die letzten Jahrzehnte vorherzusagen. Dazu wandte ich das Modell auf Langzeit-Temperaturdaten an, die von der regionalen Wetterstation in Würzburg aufgezeichnet wurden. Das Modell prognostizierte rückwirkend, dass im Verlauf der letzten 63 Jahre die Bienen ungefähr 4 Tage früher schlüpfen.
In Kapitel IV präsentiere ich eine Studie, in der ich untersuchte, inwieweit zeitliche Fehlabstimmungen in Bienen-Pflanzen-Interaktionen die Fitness der solitären Bienen beeinflussen. Dazu führte ich ein Experiment mit großen Flugkäfigen durch, die als Mesokosmos dienten. Innerhalb jedes dieser Mesokosmen manipulierte ich das Angebot an Blüten um Bienen-Pflanzen-Interaktionen wahlweise zu synchronisieren oder zu desynchronisieren. Zusammengefasst konnte ich dabei aufzeigen, dass sogar kurze zeitliche Fehlabstimmungen von drei oder sechs Tagen bereits genügen (Bienen schlüpften zeitlich vor dem Erscheinen der Pflanzen) um bei den Bienen fatale Fitnessfolgen zu verursachen. Nichtsdestotrotz konnte ich bei den Bienen verschiedene Strategien erkennen, mit denen sie Auswirkungen auf ihre Fitness nach zeitlichen Fehlabstimmungen entgegenwirken wollten. Allerdings könnten diese Strategien zu sekundären Fitnessverlusten folgen da sie zu einem veränderten Geschlechterverhältnis oder einem stärkeren Prasitierungsgrad führen. Deshalb konnte ich zusammenfassend feststellen, dass nach zeitlichen Fehlabstimmungen zu den entsprechenden Wirtspflanzen, die Kompensationsstrategien der Bienen nicht ausreichen, um Fitnessverlusste zu minimieren. Im Falle des weiter voranschreitenden Klimawandel könnten die Fitnessverluste der Bienen nicht nur das momentane Bienensterben weiter verschärfen, sondern auch ihren Bestäubungsdienst an später blühenden Arten minimieren und dadurch Populationen von tierbestäubten Pflanzen beeinträchtigen.
Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass Frühlingsbienenarten anfällig für Klimawandel sind, da sie nach warmen Überwinterungstemperaturen früher schlüpfen und einen geringeren Fitnesszustand aufweisen. Da Frühlingsbienenarten bei der zeitlichen Abstimmung ihres Schlupftages nicht nur Überwinterungstemperaturen, sondern auch ihren individuellen Fitnesszustand beachten, könnte dies unterschiedliche Reaktionen innerhalb oder zwischen Bienenpopulationen auf den Klimawandel erklären. Dies könnte ebenfalls Folgen für Bienen-Pflanzen Interaktionen haben und das weitere Bestehen von Bienenpopulationen gefährden. Falls, durch den Klimawandel bedingt, Pflanzenarten ihre Phänologie nicht in Einklang mit der Phänologie der Bienen verschieben, dann könnten Bienen zeitliche Fehlabstimmungen mit ihren Wirtspflanzen erleben. Da Bienen keine einzige Kompensationsmaßnahme aufzeigen, die erfolgreich Fitnessverlusten entgegenwirken konnte, wären in einem solchen Fall die Folgen für Frühlingsbienenarten fatal. Darüber hinaus konnte ich feststellen, dass Frühlingsbienen einen bestimmten Starttag im Jahr beachten, vor dessen Erreichen sie keine Temperatursummen bilden, unabhängig von der aktuellen Temperatur. Ich schlage deshalb vor, dass weitere Studien ebenfalls einen solchen Starttag in Temperatursummen-Modelle einbauen sollten, um die Genauigkeit zur Berechnung des Bienenschlupfes weiter zu verbessern. Obwohl meine retrospektive Vorhersage zum verfrühten Bienenschlupf ziemlich genau den Ergebnissen von verschiedenen Studien zu den phänologischen Verschiebungen von Pflanzenarten entspricht, schlagen wir vor, dass zusätzliche Untersuchungen konzipiert werden müssen um präzisere Aussagen über die Folgen des Klimawandels auf die Synchronisation der Bienen-Pflanzen-Interaktionen liefern zu können.
KW  - wild bees
KW  - timing
KW  - fitness
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161565
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mildner, Stephanie
T1  - Temporal organization in \(Camponotus\) \(ants\):  endogenous clocks and zeitgebers responsible for synchronization of task-related circadian rhythms in foragers and nurses
T1  - Zeitliche Organisation bei Camponotus-Ameisen:  innere Uhren und die verantwortlichen Zeitgeber für die Synchronisation von Aufgaben-bezogenen circadianen Rhythmen von Fourageuren und Brutpflegerinnen
N2  - The rotation of the earth around its axis causes recurring and predictable changes in the environment. To anticipate those changes and adapt their physiology and behavior accordingly, most organisms possess an endogenous clock. The presence of such a clock has been demonstrated for several ant species including Camponotus ants, but its involvement in the scheduling of daily activities within and outside the ant nest is fairly unknown. Timing of individual behaviors and synchronization among individuals is needed to generate a coordinated collective response and to maintain colony function. The aim of this thesis was to investigate the presence of a circadian clock in different worker castes, and to determine the daily timing of their behavioral tasks within the colonies of two nectar-collecting Camponotus species.
In chapter I, I describe the general temporal organization of work throughout the worker life in the species Camponotus rufipes. Continuous tracking of behavioral activity of individually- marked workers for up to 11 weeks in subcolonies revealed an age-dependent division of labor between interior and exterior workers. After eclosion, the fairly immobile young ants were frequently nurtured by older nurses, yet they started nursing the brood themselves within the first 48 hours of their life. Only 60% of workers switched to foraging at an age range of one to two weeks, likely because of the reduced needs within the small scale of the subcolonies. Not only the transition rates varied between subcolonies, but also the time courses of the task sequences between workers did, emphasizing the timed allocation of workers to different tasks in response to colony needs. 
Most of the observed foragers were present outside the nest only during the night, indicating a distinct timing of this behavioral activity on a daily level as well. As food availability, humidity and temperature levels were kept constant throughout the day, the preference for nocturnal activity seems to be endogenous and characteristic for C. rufipes. The subsequent monitoring of locomotor activity of workers taken from the subcolonies revealed the presence of a functional endogenous clock already in one-day old ants. As some nurses displayed activity rhythms in phase with the foraging rhythm, a synchronization of these in-nest workers by social interactions with exterior workers can be hypothesized.
Do both castes use their endogenous clock to schedule their daily activities within the colony? In chapter II, I analyzed behavioral activity of C. rufipes foragers and nurses within the social context continuously for 24 hours. As time-restricted access to food sources may be one factor affecting daily activities of ants under natural conditions, I confronted subcolonies with either daily pulses of food availability or ad libitum feeding. Under nighttime and ad libitum feeding, behavioral activity of foragers outside the nest was predominantly nocturnal, confirming the results from the simple counting of exterior workers done in chapter I. Foragers switched to diurnality during daytime feeding, demonstrating the flexible and adaptive timing of a daily behavior. Because they synchronized their activity with the short times of food availability, these workers showed high levels of inactivity. Nurses, in contrast, were active all around the clock independent of the feeding regime, spending their active time largely with feeding and licking the brood. After the feeding pulses, however, a short bout of activity was observed in nurses. During this time period, both castes increasingly interacted via trophallaxis within the nest. With this form of social zeitgeber, exterior workers were able to entrain in-nest workers, a phenomenon observed already in chapter I. Under the subsequent monitoring of locomotor activity under LD conditions the rhythmic workers of both castes were uniformly nocturnal independent of the feeding regime. This endogenous activity pattern displayed by both worker castes in isolation was modified in the social context in adaption to task demands.
Chapter III focuses on the potential factors causing the observed plasticity of daily rhythms in the social context in the ant C. rufipes. As presence of brood and conspecifics are likely indicators of the social context, I tested the effect of these factors on the endogenous rhythms of otherwise isolated individuals. Even in foragers, the contact to brood triggered an arrhythmic activity pattern resembling the arrhythmic behavioral activity pattern seen in nurses within the social context. As indicated in chapter I and II, social interaction could be one crucial factor for the synchronization of in nest activities. When separate groups were entrained to phase-shifted light-dark-cycles and monitored afterwards under constant conditions in pairwise contact through a mesh partitioning, both individuals shifted parts of their activity towards the activity period of the conspecific. Both social cues modulated the endogenous rhythms of workers and contribute to the context dependent plasticity in ant colonies.
Although most nursing activities are executed arrhythmically throughout the day (chapter II), previous studies reported rhythmic translocation events of the brood in Camponotus nurses. As this behavior favors brood development, the timing of the translocations within the dark nest seems to be crucial. In chapter IV, I tracked translocation activity of all nurses within subcolonies of C. mus. Under the confirmed synchronized conditions of a LD-cycle, the daily pattern of brood relocation was based on the rhythmic, alternating activity of subpopulations with preferred translocation direction either to the warm or to the cold part of the temperature gradient at certain times of the day. Although the social interaction after pulse feeding had noticeable effects on the in-nest activity in C. rufipes (chapter I and II), it was not sufficient to synchronize the brood translocation rhythm of C. mus under constant darkness (e.g. when other zeitgebers were absent). The free-running translocation activity in some nurses demonstrated nevertheless the involvement of an endogenous clock in this behavior, which could be entrained under natural conditions by other potential non-photic zeitgebers like temperature and humidity cycles.
Daily cycling of temperature and humidity could not only be relevant for in-nest activities, but also for the foraging activity outside the nest. Chapter V focuses on the monitoring of field foraging rhythms in the sympatric species C. mus and C. rufipes in relation to abiotic factors. Although both species had comparable critical thermal limits in the laboratory, foragers in C. mus were strictly diurnal and therefore foraged under higher temperatures than the predominant nocturnal foragers in C. rufipes. Marking experiments in C. rufipes colonies with higher levels of diurnal activity revealed the presence of temporally specialized forager subpopulations. These results suggest the presence of temporal niches not only between the two Camponotus species, but as well between workers within colonies of the same species. 
In conclusion, the temporal organization in colonies of Camponotus ants involves not only the scheduling of tasks performed throughout the worker life, but also the precise timing of daily activities. The necessary endogenous clock is already functioning in all workers after eclosion. Whereas the light-dark cycle and food availability seem to be the prominent zeitgebers for foragers, nurses may rely more on non-photic zeitgeber like social interaction, temperature and humidity cycles.
N2  - Die Drehung der Erde um ihre eigene Achse erzeugt wiederkehrende und vorhersehbare Umweltschwankungen. Um diese Schwankungen zu antizipieren und Physiologie sowie Verhalten entsprechend anzupassen, besitzen fast alle Organismen eine innere Uhr. Bei einigen Ameisenarten, Camponotus Ameisen eingenommen, wurde die Präsenz einer inneren Uhr bereits bestätigt. Wie diese Uhr allerdings zur zeitlichen Abstimmung der Tagesaktivitäten innerhalb und außerhalb des Ameisennestes genutzt wird, war bis jetzt weitestgehend unbekannt. Für die Koordination einer kollektiven Verhaltensantwort und die Aufrechterhaltung der Kolonie ist dabei nicht nur die zeitliche Steuerung vom Verhalten Einzelner notwendig, sondern auch eine Synchronisation zwischen den Arbeiterinnen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die mögliche Präsenz einer inneren Uhr in verschiedenen Arbeiterkasten zu untersuchen, und die zeitliche Koordination von Tagesaktivitäten dieser Kasten innerhalb der Kolonien zweier Camponotus Ameisenarten zu bestimmen.
In Kapitel I beschreibe ich die grundlegende zeitliche Organisation der Arbeitsteilung im Laufe des Arbeiterinnenlebens in der Art Camponotus rufipes. Mithilfe einer lückenlosen Verfolgung der Tagesaktivitäten von individuell markierten Tieren in Subkolonien über bis zu 11 Wochen konnte eine altersabhängige Arbeitsteilung zwischen Innen- und Außendienstarbeiterinnen nachgewiesen werden. Nach dem Schlüpfen wurden die eher unbeweglichen jungen Ameisen oft durch ältere Brutpflegerinnen versorgt, engagierten sich dann aber schon innerhalb der ersten 48 Stunden ihres Lebens selbst in der Brutpflege. Wahrscheinlich wegen der verminderten Notwendigkeit zur ausgedehnten Futtersuche innerhalb der kleinen Versuchskolonien wechselten nur 60% der Innendienstarbeiterinnen nach ein bis zwei Wochen zum Fouragieren außerhalb der Kolonie. Nicht nur variierte der Prozentsatz des Verhaltensübergangs von Brutpflegerin zur Sammlerin zwischen den Subkolonien, sondern auch innerhalb der Subkolonien unterschieden sich Arbeiterinnen im Zeitverlauf der Aufgabenfolge. Diese Ergebnisse betonen die gezielte, zeitliche Zuweisung von Arbeiterinnen zu einer bestimmten Arbeiterkaste je nach Bedarf der Kolonie. 
In diesem Experiment waren die Sammlerinnen vorwiegend nur während der Nachtphase außerhalb der Kolonie aktiv, was wiederum eine genaue zeitliche Koordination des Sammelverhaltens auf Tagesbasis zeigt. Da die Futterverfügbarkeit sowie Temperatur- und Luftfeuchte über den Tag hinweg konstant gehalten wurden, scheint die bevorzugte Nachtaktivität endogen und charakteristisch für C. rufipes zu sein. Durch das anschließende Monitoring der Lokomotoraktivität von Arbeiterinnen aus diesen Subkolonien konnte gezeigt werden, dass schon einen Tag alte Ameisen eine funktionierende innere Uhr besitzen. Der Aktivitätsrhythmus mancher Brutpflegerinnen war dabei in Phase mit dem Sammelrhythmus der Kolonie, weswegen man von einer Synchronisation dieser Inndienstarbeiterinnen durch soziale Interaktion mit Außendienstarbeiterinnen ausgehen kann.
Doch nutzen beide Kasten ihre innere Uhr auch, um ihre Tagesaktivitäten innerhalb der Kolonie zeitlich abzustimmen? In Kapitel II habe ich die Verhaltensaktivität von C. rufipes Futtersammlerinnen und Brutpflegerinnen in ihrem sozialen Umfeld kontinuierlich für 24 Stunden verfolgt. Da der beschränkte Zugriff zu Futterquellen einer der Faktoren sein könnte, der die Tagesaktivitäten von Ameisen in der Natur beeinflusst, wurden Subkolonien entweder nur pulsartig oder ad libitum gefüttert. Während der Nacht- und ad libitum Fütterung waren Sammlerinnen vorwiegend nachtaktiv, was die Ergebnisse der simplen Zählung von Außendiensttieren in Kapitel I bestätigt. Während der Tagesfütterung wurden die Sammlerinnen tagaktiv, was die flexible und adaptive zeitliche Anpassung dieses täglichen Verhaltens veranschaulicht. Unabhängig von der Fütterungszeit waren Brutpflegerinnen rund um die Uhr aktiv, wobei sie die größte Zeit mit Fütterung und Säuberung der Brut verbrachten. Jedoch konnte kurz nach den Fütterungspulsen ein kurzer Aktivitätsanstieg verzeichnet werden, welcher auf die erhöhte Interaktion durch Trophallaxis mit den Sammlerinnen zurückzuführen ist. Wie bereits schon in Kapitel I angedeutet, können Außendiensttiere mithilfe dieses sozialen Zeitgebers Arbeiterinnen im Nest synchronisieren. Im anschließenden Monitoring der Lokomotoraktivität unter Licht-Dunkel-Bedingungen waren alle rhythmischen Arbeiterinnen einheitlich nachtaktiv, unabhängig von der vorausgegangen Fütterungszeit. Damit werden die endogenen Aktivitätsmuster, die beide Kasten in Isolation zeigen, im sozialen Kontext in Anpassung an die speziellen Anforderungen an die Kasten modifiziert.
Schwerpunkt des Kapitels III ist die Untersuchung der potentiellen Faktoren, die die gezeigte Plastizität der Tagesrhythmen bei Ameisen der Art C. rufipes bedingen. Da unter anderem das Vorhandensein von Brut und Artgenossinnen sozialen Kontext signalisieren können, wurde der Effekt dieser Faktoren auf die endogenen Rhythmen von ansonsten isolierten Individuen untersucht. Selbst in Sammlerinnen verursachte der Kontakt zu Brut ein arrhythmisches Aktivitätsmuster, welches dem Verhaltensmuster von Brutpflegerinnen innerhalb der Kolonie gleicht. Wie schon in Kapitel I und II deutlich wurde, könnten soziale Interaktionen einen wesentlichen Beitrag zur Synchronisation der Nestaktivitäten leisten. Dazu wurden Gruppen getrennt voneinander mit phasenverschobenen Licht-Dunkel-Zyklen entraint, und Tiere anschließend in paarweisem Kontakt durch ein Netzgitter aufgezeichnet. Beide Individuen verschoben einen Teil ihrer Aktivität in die Aktivitätsperiode des Partners. Damit modulierten beide getesteten sozialen Faktoren die endogenen Rhythmen der Arbeiterinnen, was letztendlich zur kontextabhängigen Plastizität der Rhythmen in Ameisenkolonien beiträgt.
Obwohl Brutpflegerinnen die meisten Verhaltensweisen arrhythmisch während des ganzen Tages ausüben (Kapitel II), zeigten vorangegangene Studien rhythmische Brutverlagerungen bei Brutpflegerinnen der Camponotus-Arten. Da dieses Verhalten die Brutentwicklung fördert, scheint das Timing der Verlagerungen innerhalb des ansonsten dunklen Nestes essentiell zu sein. In Kapitel IV verfolgte ich die Verlagerungsaktivität von allen Brutpflegerinnen in Subkolonien der Art C. mus. Unter den gesichert synchronisierten Bedingungen eines LD-Zykluses basierte das Brutverlagerungsmuster auf der rhythmischen, abwechselnden Aktivität von zwei Subpopulationen mit bevorzugter Verlagerungsrichtung in entweder den warmen oder kalten Bereich des Temperaturgradienten zu bestimmten Tageszeiten. Obwohl die soziale Interaktion nach Pulsfütterung einen deutlichen Einfluss auf die Nestaktivität bei C. rufipes hatte (Kapitel I und II), reichte diese Interaktion nicht aus um den Brutverlagerungsrhythmus bei C. mus innerhalb des dunklen Nests (d.h. unter Abwesenheit sonstiger Zeitgeber) zu synchronisieren. Nichtsdestotrotz zeigte der Freilauf der Brutverlagerungsrhythmen in einigen Brutpflegerinnen die Beteiligung einer inneren Uhr, welche durch anderweitige nicht-photische Zeitgeber wie Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen synchronisiert werden könnte.
Tageszyklen in Temperatur und Feuchtigkeit könnten nicht nur relevant sein für Aktivitäten innerhalb des Nests, sondern auch für die Fouragieraktivität außerhalb des Nests. In Kapitel V wurden Fouragierrhythmen im Freiland bei den sympatrisch vorkommenden Ameisenarten C. mus und C. rufipes in Abhängigkeit von abiotischen Faktoren betrachtet. Obwohl die beiden Arten unter Laborbedingungen ähnliche kritische Temperaturgrenzen aufzeigten, waren die Fourageure der Art C. mus strikt tagaktiv und sammelten deswegen unter höheren Temperaturen Futter als die vorwiegend nachtaktiven Fourageure der Art C. rufipes. Bei C. rufipes Kolonien mit erhöhter Tagaktivität wiesen Markierexperimente das Vorkommen von zeitlich spezialisierten Fourageur-Subpopulationen nach. Damit deuten die Ergebnisse nicht nur das Vorkommen von unterschiedlichen zeitlichen Nischen innerhalb der beiden Camponotus-Arten an, sondern auch zwischen Arbeiterinnen von Kolonien derselben Art. 
Zusammenfassend gesehen umspannt die zeitliche Organisation in Kolonien der Camponotus-Ameisen nicht nur die zeitliche Planung der Aufgaben, die über das Arbeiterinnenleben hinweg ausgeführt werden, sondern auch das genaue Terminierung von Tagesaktivitäten. Bereits nach dem Schlüpfen besitzen allen Arbeiterinnen eine funktionsfähige und für die zeitliche Organisation notwendige innere Uhr. Während der Licht-Dunkel-Zyklus und Futterverfügbarkeit die bedeutenden Zeitgeber für Fourageure zu sein scheinen, könnten Brutpflegerinnen eher auf nicht-photische Zeitgeber wie soziale Interaktion, Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen angewiesen sein.
KW  - circadian clocks
KW  - behavioral rhythms
KW  - Camponotus
KW  - zeitgeber
KW  - division of labor
KW  - temporal organization
KW  - zeitliche Organisation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149382
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kopf, Juliane
T1  - Emotion processing and working memory deficits in Bipolar Disorder: interactions and changes from acute to remitted state
T1  - Emotionsverarbeitung und Arbeitsgedächtnisdefizite in der bipolaren Störung: Interaktionen und Veränderungen im Verlauf der Erkrankung
N2  - BD is a severe and highly prevalent psychiatric illness characterized by oscillating mood episodes, where patients express either depressed mood, anhedonia, decreased activation along with concentration difficulties and sleep disturbances, or elevated mood with hyperactivity and loss of inhibitions. Between mood episodes, patients return to a relatively normal state of functioning without mood symptoms. Previous research on underlying neuronal mechanisms has led to a model of neuronal dysfunction in BD which states that BD arises from disruption in early development within brain networks that modulate emotional behavior. These abnormalities in the structure and function of key emotional control networks then lead to decreased connectivity among ventral prefrontal networks and limbic brain regions. This in turn creates a loss of emotional homeostasis, putting bipolar patients at risk for developing extreme mood states and switching among mood states. Two core components for BD have been identified, a hyperactive emotion processing system and a hypoactive cognitive functions system. It is controversial whether these deficits are still detectable in euthymia, so it is unclear if hyper- and hypoactivations represent state or trait-like characteristics. The aim of this study was to research both core components of BD with a paradigm eliciting differential activations in both cognitive and emotion processing networks. For this, an emotional word working memory paradigm was constructed to test for differences between manic, depressive, and remitted patients as well as a healthy control group. Differences were assessed in behavior, brain activation (as a correlate for the hypoactive cognitive functions system), measured with near-infrared spectroscopy (fNIRS), and electrophysiological changes in the late positive potential (as a correlate for the hyperactive emotion processing system), an event-related potential (ERP) measured with electroencephalography. 47 patients in the acutely ill phase and 45 healthy controls were measured. Of the 47 patients, 18 returned to the clinic for a second testing while in remission for at least 3 months. Acutely ill patients were classified into 4 groups according to their disorder status: a mildly depressed group, a depressed group, a manic group, and a mixed group along DSM-IV criteria. Analyses were calculated for 3 load conditions (1-back, 2-back and 3-back) and 3 valence conditions (negative, neutral, positive) for behavioral measures reaction time and omission errors, for brain activation and event related potential changes.
Results indicate that ill patients differed from controls in their behavioral performance, but the difference in performance was modulated by the mood state they were in. Depressed patients showed the most severe differences in all behavioral measures, while manic and mixed patients differed from controls only upon different valence conditions. Brain activation changes were most pronounced in mildly depressed and manic patients, depressed patients and mixed patients did not differ as much from controls. ERP changes showed a significant difference only between mixed patients and controls, where mixed patients had an overall much higher ERP amplitude. When remitted patients were compared to controls, no differences in behavior, brain activation or ERP amplitude could be found. However, the same was true for differences in patients between acutely ill and remitted state. When looking at the overall data, the following conclusion can be drawn: assuming that the brain activation seen in the prefrontal cortex is part of the dorsal cognitive system, then this is the predominantly disturbed system in depressed patients who show only small changes in the ERP. In contrast, the predominantly disturbed system in manic and mixed patients is the ventral emotion processing system, which can be seen in a hyper-activation of ERP related neural correlates in mixed and hypo-activated neural correlates of the LPP in manic patients. When patients are remitted, the cognitive system regains temporary stability, and can be compared to that of healthy controls, while the emotion processing system remains dysfunctional and underlies still detectable performance deficits.
N2  - Die bipolare Störung ist eine schwere und hochprävalente psychiatrische Erkrankung, welche gekennzeichnet ist durch oszillierende Stimmungsepisoden, in denen Patienten entweder unter Anhedonie leiden, über Aktivitätsverlust und Konzentrationsstörungen klagen und Schlafstörungen haben, oder in deutlich aufgehellter Stimmung sind, hyperaktiv werden und soziale Hemmungen verlieren. Zwischen diesen Stimmungs-extremen durchlaufen die Patienten Phasen mit Stimmungsnormalisierung, oft ohne weitere schwere kognitive Defizite. Bisherige Studien über die zugrundeliegenden neuronalen Mechanismen haben ein Model hervorgebracht, welches von einer Störung der frühen Entwicklung in Hirnregionen, die emotionales Verhalten regulieren, ausgeht. Diese Anomalitäten in Struktur und Funktion von Kernkomponenten der Emotionskontrolle führen dann zu einem Verlust der Konnektivität in ventralen präfrontalen und limbischen Netzwerken. Dieser Verlust wiederum verursacht einen Verlust an emotionaler Homöostase, welches die Patienten dem Risiko aussetzt, extreme Stimmungsschwankungen zu erfahren. Zwei Kernkomponenten der bipolaren Störung wurden aufgrund dieses Modells definiert: ein hyperaktives Emotionsverarbeitungssystem, und ein hypoaktives kognitives Funktionssystem. Es ist bis jetzt nicht klar, in welcher Art und Weise diese emotionalen und kognitiven Dysfunktionen auch im euthymen Zustand weiterbestehen.
Das Ziel dieser Studie war es, die beiden Kernkomponenten der Dysfunktion in der bipolaren Störung mit einem Paradigma zu untersuchen, welche beide Komponenten erfasst. Es wurde dazu ein emotionales Arbeitsgedächtnis Paradigma entwickelt, um Unterschiede zwischen akut kranken Patienten, gesunden Kontrollen und denselben Patienten im remittierten Zustand zu erfassen. Die Unterschiede sollten als Unterschiede der Reaktionszeit und Auslassungsfehler im Verhalten erfasst werden, ebenso als Unterschiede der Hirnaktivierung, gemessen mit funktionaler Nah-Infrarot Spektroskopie, und als Unterschiede in einem neurophysiologischen Korrelat, des „Late Positive Potential“ (LPP) betrachtet werden. 47 Patienten wurden rekrutiert, und eingeteilt nach dem Pol ihrer aktuellen Stimmungsepisode in schwer depressive Patienten, Patienten mit einer mittleren Depression, manische Patienten und Patienten im Mischzustand. Von den 47 akut kranken Patienten konnten 18 im remittierten Zustand wiederum gemessen werden. Anschließend wurden Gruppenunterschiede in 3 kognitiven Variablen (1-back, 2-back und 3-back) und 3 emotionalen Variablen (positiv, neutral, negativ) für Verhalten, Hirnaktivierung und Amplitudenänderung in der LPP berechnet. 
Die Ergebnisse zeigen dass akut kranke Patienten sich in ihrem Verhalten von Kontrollen unterscheiden, jedoch wurden diese Unterschiede von der Art der aktuellen Stimmungsepisode moduliert. Schwer depressive Patienten zeigten die deutlichsten Unterschiede, während manische Patienten und Patienten im Mischzustand nur in den emotionalen Variablen Unterschiede zeigten. Die Hirnaktivierungsunterschiede waren am deutlichsten zwischen Patienten mit einer mittelschweren Depression und manischen Patienten, bei schwer depressiven Patienten und Patienten im Mischzustand waren diese Unterschiede deutlich schwächer ausgeprägt. Die LPP Analysen zeigten deutliche Unterschiede nur zwischen Patienten mit Mischbild und Kontrollen, die Patienten hatten hierbei eine deutlich erhöhte LPP Amplitude. Die Untersuchung der Unterschiede zwischen remittierten Patienten und Kontrollen ergab keine signifikanten Ergebnisse, ebenso die Analysen der Unterschiede zwischen akut kranken und remittierten Patienten. Alle Ergebnisse zusammengenommen, ergibt sich folgendes Bild: Wenn die Hirnaktivierung als Korrelat eines gestörten kognitiven Systems gesehen werden kann, und die LPP als Korrelat eines gestörten Emotionsverarbeitungssystems, dann könnte für Patienten mit einer mittleren oder schweren Depression das kognitive System das Hauptproblem darstellen, während für manische Patienten und Patienten im Mischzustand das Emotionsverarbeitungssystem das dominante Problem darstellt. Wenn die Patienten dann remittieren, erhält das kognitive System eine vorübergehende Stabilität zurück, das Emotionsverarbeitungssystem jedoch bleibt dysfunktional, und ist verantwortlich für die bestehenden emotionalen und kognitiven Defizite.
KW  - Manisch-depressive Krankheit
KW  - Arbeitsgedächtnis
KW  - Gefühl
KW  - Bipolar Disorder
KW  - working memory
KW  - emotion processing
KW  - near-infrared spectroscopy
KW  - electroencephalogram
KW  - Emotion
KW  - NIR-Spektroskopie
KW  - Elektroencephalogramm
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-97752
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bartossek, Thomas
T1  - Structural and functional analysis of the trypanosomal variant surface glycoprotein using x-ray scattering techniques and fluorescence microscopy
T1  - Strukturelle und funktionale Analyse des variablen Oberflächenproteins von Trypanosoma brucei mithilfe vön Röntgenstreutechniken und Fluoreszenzmikroskopie
N2  - Trypanosoma brucei is an obligate parasite and causative agent of severe diseases affecting humans and livestock. The protist lives extracellularly in the bloodstream of the mammalian host, where it is prone to attacks by the host immune system. As a sophisticated means of defence against the immune response, the parasite’s surface is coated in a dense layer of the variant surface glycoprotein (VSG), that reduces identification of invariant epitopes on the cell surface by the immune system to levels that prevent host immunity. The VSG has to form a coat that is both dense and mobile, to shield invariant surface proteins from detection and to allow quick recycling of the protective coat during immune evasion. This coat effectively protects the parasite from the harsh environment that is the mammalian bloodstream and leads to a persistent parasitemia if the infection remains untreated. The available treatment against African Trypanosomiasis involves the use of drugs that are themselves severely toxic and that can lead to the death of the patient. Most of the drugs used as treatment were developed in the early-to-mid 20th century, and while developments continue, they still represent the best medical means to fight the parasite. The discovery of a fluorescent VSG gave rise to speculations about a potential interaction between the VSG coat and components of the surrounding medium, that could also lead to a new approach in the treatment of African Trypanosomiasis that involves the VSG coat. The initially observed fluorescence signal was specific for a combination of a VSG called VSG’Y’ and the triphenylmethane (TPM) dye phenol red. Exchanging this TPM to a bromo-derivative led to the observation of another fluorescence effect termed trypanicidal effect which killed the parasite independent of the expressed VSG and suggests a structurally conserved feature between VSGs that could function as a specific drug target against T. b. brucei. The work of this thesis aims to identify the mechanisms that govern the unique VSG’Y’ fluorescence and the trypanocidal effect. Fluorescence experiments and protein mutagenesis of VSG’Y’ as well as crystallographic trials with a range of different VSGs were utilized in the endeavour to identify the binding mechanisms between TPM compounds and VSGs, to find potentially conserved structural features between VSGs and to identify the working mechanisms of VSG fluorescence and the trypanocidal effect. These trials have the potential to lead to the formulation of highly specific drugs that
target the parasites VSG coat.
During the crystallographic trials of this thesis, the complete structure of a VSG was solved experimentally for the first time. This complete structure is a key component in furthering the understanding of the mechanisms governing VSG coat formation. X-ray scattering techniques, involving x-ray crystallography and small angle x-ray scattering were applied to elucidate the first complete VSG structures, which reveal high flexibility of the protein and supplies insight into the importance of this flexibility in the formation of a densely packed but highly mobile surface coat.
N2  - Trypanosoma brucei ist ein eukaryotischer Parasit welcher bei Menschen und Nutztieren schwere Krankheiten auslöst. Der Protist lebt extrazellulär im Blutstrom seines Säugetier-Wirtes, in welchem er unter konstantem Angriff durch das Wirts-Immunsystem steht. Als ausgeklügelte Methode zur Umgehung der Immunantwort besitzt der Parasit einen dichten Oberflächenmantel des variablen Oberflächen-Glycoproteins (VSG), welcher die Identifikation invariabler Oberflächenproteine durch das Immunsystem erschwert und Wirts-Immunität gegen den Parasiten verhindert. Der gebildete VSG-Mantel muss gleichzeitig eine hohe Dichte besitzt, um invariable Oberflächenproteine vor Immundetektion zu beschützen, und eine hohe Mobilität aufweisen, um ein schnelles Recycling des
Schutzmantels während Immunantworten zu gewährleisten. Dieser Mantel schützt den Parasiten effektiv vor dem Wirts-Immunsystem und führt bei fehlender Behandlung des Patienten zur persistenten Parasitemie durch Trypanosoma brucei. Die verfügbaren Behandlung gegen die Afrikanische Trypanosomiasis beinhaltet die Benutzung von Medikamenten welche ihrerseits z.T. stark toxisch sind und den Tod des Patienten verursachen können. Ein Großteil der verfügbaren Medikamente wurden zu Beginn des letzten Jahrhunderts entwickelt und stellen trotz anhaltenden Entwicklungen noch immer die beste Lösung im Kampf gegen den Parasiten dar. 
Die Entdeckung eines fluoreszierenden VSGs deutete auf eine Interaktionen zwischen dem VSG Mantel und Bestandteilen des umgebenden Medium hin, welche die Entwicklung von Medikamenten mit dem VSG
Mantel als Drug Target ermöglichen könnte. Das ursprünglich beobachtete Fluoreszenz-Signal war spezifisch für eine Kombination eines VSG namens VSG’Y’ und dem Triphenylmethan (TPM) Phenolrot. Der Austausch von Phenolrot gegen ein Brom-Derivat führte zur Beobachtung eines weiteren Fluoreszenz-Effekts, welcher unabhängig vom exprimierten VSG auftritt und letal für den Parasiten ist. Dieser so genannten Trypanozide Effekt lässt auf konservierte Strukturen schließen, welche von allen VSGs geteilt werden und als hochspezifisches Drug Target gegen T. b. brucei fungieren könnten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Mechanismen zu identifizieren, welche die einzigartige VSG’Y’-Fluoreszenz und den Trypanoziden Effekt auslösen. Fluoreszenz-Experimente
und Protein-Mutagenese von VSG’Y’, sowie röntgenkristallographische Analysen mit mehreren unterschiedlichen VSGs wurden in dem Bestreben durchgeführt, die Bindung zwischen VSGs und TPMs zu charakterisieren, potentiell konservierte Strukturen von VSGs zu finden und die Mechanismen der einzigartigen VSG’Y’-Fluoreszenz und des Trypanoziden Effekts zu identifizieren. Diese Arbeiten haben das Potenzial die Formulierung hochspezifischer Medikamente mit VSGs als Drug Target anzutreiben.
Im Rahmen der kristallographischen Analysen wurden die ersten vollständigen VSG Strukturen ermittelt, welche eine hohe Bedeutung für das Verständnis über die Bildung des VSG-Mantels haben. Die VSG Strukturen wurden u.a. per Röntgenkristallographie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung aufgeschlüsselt und zeigten dass VSGs ein hohes Maß an Flexibilität besitzen. Diese Flexibilität ist wichtig für die Bildung eines dichten und hochmobilen VSG-Mantels.
KW  - Trypanosoma brucei brucei
KW  - Röntgenstrukturanalyse
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - Mutagenese
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Variables Oberflächen Glycoprotein
KW  - VSG
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-144775
ER  - 
TY  - THES
A1  - Munzert, Stefanie Martina
T1  - Coordination of dynamic metallosupramolecular polymers (MEPEs)
T1  - Koordination von dynamischen metallosupramolekularen Polyelektrolyten (MEPE)
N2  - Several transition metal ions, like Fe2+, Co2+, Ni2+, and Zn2+ complex to the ditopic ligand 1,4-bis(2,2’:6’,2’’-terpyridin-4’-yl)benzene. Due to the high association constant, metal ion induced self-assembly of Fe2+, Co2+, and Ni2+ leads to extended, rigid-rod like metallo-supramolecular coordination polyelectrolytes (MEPEs) even in aqueous solution. Here, the kinetics of coordination and the kinetics of growth of MEPEs are presented. The species in solutions are analyzed by stopped-flow fluorescence spectroscopy, light scattering, viscometry and cryogenic transmission electron microscopy. At near-stoichiometric amounts of the reactants, high molar masses are obtained, which follow the order Ni-MEPE ~ Co-MEPE < Fe-MEPE. Furthermore, a way is presented to adjust the average molar mass, chain-length and viscosity of MEPEs using the monotopic chain stopper 4’-(phenyl)-2,2’:6’,2’’-terpyridine.
N2  - Verschiedene Übergangsmetallionen, wie Fe2+, Co2+, Ni2+ und Zn2+ komplexieren an den ditopen Liganden 1,4-Bis(2,2’:6’,2”-terpyridin-4’-yl)benzen. Aufgrund der hohen Bindungskonstanten, führt die metallinduzierte Selbstassemblierung von Fe2+, Co2+ und Ni2+ zu ausgedehnten, stäbchenförmigen metallosupramolekularen Polyelektrolyten (MEPE) in wässriger Lösung. In dieser Arbeit wird die Kinetik der Koordination sowie die Kinetik des Wachstums der MEPE aufgezeigt. Die Spezies in Lösung werden anhand von Stopped-flow-Fluoreszenzspektroskopie, Lichtstreuung, Viskosimetrie und Kryo-Transmittionselektronenmikroskopie analysiert. Bei nahezu stöchiometrischen Mengen der Reaktanden werden hohe molare Massen beobachtet. Dabei gilt: Ni-MEPE ~ Co-MEPE < Fe-MEPE. Außerdem wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem die mittlere Molmasse, Kettenlänge und Viskosität der MEPE durch Nutzung des monotopen Kettenstoppers 4’-(Phenyl)-2,2’:6’,2’’-terpyridin eingestellt werden kann.
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - supramolecular chemistry
KW  - Polymere
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160650
ER  - 
TY  - THES
A1  - Garcia Betancur, Juan Carlos
T1  - Divergence of cell-fates in multicellular aggregates of \(Staphylococcus\) \(aureus\) defines acute and chronic infection cell types
T1  - Divergenz von Zelldifferenzierung in multizellulären Aggregaten von \(Staphylococcus\) \(aureus\) grenzt Zelllinien für akute und chronische Infektionen voneinander ab
N2  - Staphylococcus aureus is a versatile human pathogen that normally develops acute or chronic infections. The broad range of diseases caused by this bacterium facilitates the escape from the host's immune response as well as from target-specific antimicrobial therapies. Nevertheless, the underlying cellular and molecular mechanisms that enable S. aureus to cause these disparate types of infections are largely unknown. In this work, we depicted a novel genetic program involved in the development of cell-fate decision, which promotes the differentiation of the staphylococcal cells into two genetically identical but differently heritable cell lines capable of defining the course of an infection, by simultaneously progressing to (i) a biofilm-associated chronic infection or (ii) a disperse acute bacteremia. Here, S. aureus growing in architecturally complex multicellular communities harbored different cell types that followed an exclusive developmental plan, resulting in a clonal heterogeneous population. We found that these cell types are physiologically specialized and that, this specialization impacts the collective behavior within the multicellular aggregates. Whereas one cell line that we named BRcells, promotes biofilm formation that engenders chronic infections, the second cell line, which we termed DRcells is planktonic and synthetizes virulence factors, such as toxins that can drive acute bacteremia. We identified that the positive feedback loop present in Agr quorum sensing system of S. aureus acts a bimodal switch able to antagonistically control the divergence of these two physiologically distinct, heritable cell lines. Also, we found that this bimodal switch was triggered in response to environmental signals particularly extracellular Mg2+, affecting the size of the subpopulations in specific colonization environments. Specifically, Mg2+-enriched environments enhanced the binding of this cation to the staphylococcal teichoic acids, increasing the rigidity of the cell wall and triggering a genetic program involving the alternative sigma factor σB that downregulated the Agr bimodal switch, favoring the enrichment of the BRcells type. Therefore, colonization environments with different Mg2+ content favored different outcomes in the bimodal system, defining distinct ratio in the BRcells/DRcells subpopulations and the S. aureus outcome in our in vitro model of development of multicellular aggregates and, the infection outcome in an in vivo mice infection model. In this prime human pathogen cell-fate decision-making generates a conserved pattern of heritable, physiological heterogeneity that actively contributes to determine the course of an infection through the emergence and spatio-temporal dynamics of distinct and specialized cell types. In conclusion, this work demonstrates that cell differentiation in pathogenic bacteria is a fundamental phenomenon and its understanding, is central to understand nosocomial infections and to designing new anti-infective strategies
N2  - Staphylococcus aureus ist ein wandlungsfähiges humanes Pathogen, das im Allgemeinen akute oder chronische Infektionen entwickelt. Das breite Spektrum von Krankheiten, die von diesem Bakterium verursacht werden, erleichtert es, sowohl der Immunantwort des Wirts als auch gezielten antimikrobiellen Therapien zu entgehen. Dennoch sind die zellulären und molekularen Mechanismen, die S. aureus die Entwicklung dieser verschiedenartigen Infektionsarten ermöglichen, weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit beschreiben wir ein neues genetisches Programm, das bei der Entwicklung der Zelldifferenzierung beteiligt ist und die Differenzierung der Staphylokokken-Zellen in zwei genetisch identische, aber unterschiedliche, erbliche Zelllinien fördert. Diese können den Verlauf einer Infektion bestimmen, indem sie sich gleichzeitig entwickeln zu (i) einer Biofilm-assoziierten chronischen Infektion oder (ii) einer sich ausbreitenden akuten Bakteriämie. Hier verbirgt S. aureus, der in architektonisch komplexen multizellulären Bakteriengemeinschaften wächst, verschiedene Zelltypen, die einem einzigartigen Entwicklungsplan folgen, resultierend in einer klonal heterogenen Population. Wir haben festgestellt, dass diese Zellzypen physiologisch spezialisiert sind, und dass diese Spezialisierung das kollektive Verhalten innerhalb der multizellulären Aggregate beeinflusst. Während eine Zelllinie, die wir als BRcells benennen, Biofilm-Bildung fördert, was chronische Infektionen erzeugt, ist die zweite Zelllinie, als DRcells bezeichnet, planktonisch und synthetisiert Virulenzfaktoren wie Toxine, die eine akute Bakteriämie verursachen können. Wir haben identifiziert, dass die im Agr Quorum sensing System von S. aureus vorhandene positive Rückkopplung als bimodaler Schalter agiert, der antagonistisch die Divergenz dieser beiden physiologisch unterschiedlichen, vererbbaren Zelllinien kontrolliert. Wir haben auch gefunden, dass dieser bimodale Schalter durch Signale aus der Umgebung ausgelöst wird, insbesondere durch extrazelluläres Mg2+, wodurch die Größe der Subpopulationen in spezifischen Kolonisierungsumgebungen beeinflusst wird. Besonders Mg2+-angereicherte Umgebungen fördern die Bindung dieses Kations mit den Teichonsäuren von Staphylokokken, welche die Steifigkeit der Zellwand erhöhen und ein genetisches Programm initialisieren, welches den alternativen Sigmafaktor σB beinhaltet. Dieser regelt den bimodalen Agr Schalter herunter und begünstigt die Anreicherung des Brcells Zelltyps. Daher begünstigen verschiedene Kolonisierungsumgebungen mit verschiedenem Mg2+ Gehalt unterschiedliche Ergebnisse im bimodalen System, welche sich in individuellen Verhältnissen der Brcells/Drcells Subpopulationen und dem Ergebnis für S. aureus – sowohl in unserem in vitro Modell der Entwicklung multizellulärer Aggregate als auch der Entzündungsentwicklung in einem in vivo Maus-Infektionsmodell. In diesem primären Humanpathogen generiert die Zelldifferenzierung ein bleibendes Muster von vererbbarer, physiologischer Heterogenität, die aktiv dazu beiträgt, den Infektionsverlauf durch das Auftreten und die räumlich-zeitliche Dynamik verschiedener spezialisierter Zelltypen zu bestimmen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Zelldifferenzierung in pathogenen Bakterien ein grundlegendes Phänomen ist. Diese zu erfassen ist zentral für das Verständnis nosokomialer Infektionen und die Konzeption neuer Strategien gegen Infektionen.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Zelldifferenzierung
KW  - Pathogenität
KW  - Biofilm
KW  - Cell differentiation
KW  - Multicellular aggregates
KW  - Biofilms
KW  - Multizellulären Bakteriengemeinschaften
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148059
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Werner, Rudolf
A1  - Schmid, Jan-Stefan
A1  - Higuchi, Takahiro
A1  - Javadi, Mehrbod S.
A1  - Rowe, Steven P.
A1  - Märkl, Bruno
A1  - Aulmann, Christoph
A1  - Fassnacht, Martin
A1  - Kroiß, Matthias
A1  - Reiners, Christoph
A1  - Buck, Andreas
A1  - Kreissl, Michael
A1  - Lapa, Constantin
T1  - Predictive value of \(^{18}\)F-FDG PET in patients with advanced medullary thyroid carcinoma treated with vandetanib
JF  - Journal of Nuclear Medicine
N2  - Introduction: Therapeutic options in advanced medullary thyroid carcinoma (MTC) have markedly improved since the introduction of tyrosine kinase inhibitors (TKI). We
aimed to assess the role of metabolic imaging using 2-deoxy-2-(\(^{18}\)F)fluoro-D-glucose (\(^{18}\)F-FDG) positron emission tomography/computed tomography (PET/CT) shortly before and 3 months after initiation of TKI treatment. 
Methods: Eighteen patients with advanced and progressive MTC scheduled for vandetanib treatment underwent baseline \(^{18}\)F-FDG PET/CT prior to and 3 months after TKI treatment initiation. During follow-up, CT scans were performed every 3 months and analyzed according to Response Evaluation Criteria In Solid Tumors (RECIST). The predictive value for estimating progression-free (PFS) and overall survival (OS) was examined by investigating \(^{18}\)F-FDG mean/maximum standardized uptake values (SUVmean/max) of the metabolically most active lesion as well as by analyzing clinical parameters (tumor marker doubling times {calcitonin, carcinoembryonic antigen (CEA)}, prior therapies, RET (rearranged during transfection) mutational status, and disease type).
Results: Within a median follow-up of 5.2 years, 9 patients experienced disease progression after a median time interval of 2.1y whereas the remainder had ongoing disease control (n=5 partial response and n=4 stable disease). Eight of the 9 patients with progressive disease died from MTC after a median of 3.5y after TKI initiation.
Pre-therapeutic SUVmean >4.0 predicted a significantly shorter PFS (PFS: 1.9y vs. 5.2y; p=0.04). Furthermore, sustained high 18F-FDG uptake at 3 months with a SUVmean>2.8 tended to portend an unfavorable prognosis with a PFS of 1.9y (vs. 3.5y; p=0.3). Prolonged CEA doubling times were significantly correlated with longer PFS (r=0.7) and OS (r=0.76, p<0.01, respectively). None of the other clinical parameters had prognostic significance. 
Conclusions: Pre-therapeutic \(^{18}\)F-FDG PET/CT holds prognostic information in patients with advanced MTC scheduled for treatment with the TKI vandetanib. Low tumor metabolism of SUVmean < 4.0 prior to treatment predicts longer progression-free survival.
KW  - positron emission tomography
KW  - Medullärer Schilddrüsenkrebs
KW  - Positronen-Emissions-Tomografie
KW  - medullary thyroid carcinoma
KW  - tyrosine kinase inhibitor
KW  - vandetanib
KW  - 2- deoxy-2-(18F)fluoro-D-glucose
KW  - 18F-FDG
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161256
SN  - 0161-5505
N1  - This research was originally published in JNM. Rudolf A. Werner, Jan-Stefan Schmid, Takahiro Higuchi, Mehrbod S. Javadi, Steven P. Rowe, Bruno Märkl, Christoph Aulmann, Martin Fassnacht, Matthias Kroiss, Christoph Reiners, Andreas K. Buck, Michael C. Kreissl, Constantin Lapa. Predictive value of 18F-FDG PET in patients with advanced medullary thyroid carcinoma treated with vandetanib. J Nucl Med. May 1, 2018;vol. 59 no. 5: 756-761. © SNMMI.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Werner, Rudolf
A1  - Wakabyashi, Hiroshi
A1  - Chen, Xinyu
A1  - Hirano, Mitsuru
A1  - Shinaji, Tetsuya
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Rowe, Steven
A1  - Javadi, Mehrbod
A1  - Higuchi, Takahiro
T1  - Functional renal imaging with \(^{18}\)F-FDS PET in rat models of renal disorders
JF  - Journal of Nuclear Medicine
N2  - Background: Precise regional quantitative assessment of renal function is limited with conventional \(^{99m}\)Tc-labeled renal radiotracers. A recent study reported that the positron emission tomography (PET) radiotracer 2-deoxy-2-(\(^{18}\)F-fluorosorbitol (\(^{18}\)F-FDS) has ideal pharmacokinetics for functional renal imaging. Furthermore, (\(^{18}\)F-FDS is available via simple reduction from routinely used 2-deoxy-2-(\(^{18}\)F-fluoro-D-glucose ((\(^{18}\)F-FDG). We aimed to further investigate the potential of (\(^{18}\)F-FDS PET as a functional renal imaging agent using rat models of kidney diseases. 
Methods: Two different rat models of renal impairment were investigated: Glycerol induced acute renal failure (ARF) by intramuscular administration of glycerol in hind legs and unilateral ureteral obstruction (UUO) by ligation of the left ureter. 24h after these treatments, dynamic 30 min 18F-FDS PET data were acquired using a dedicated small animal PET system. Urine 18F-FDS radioactivity 30 min after radiotracer injection was measured together with co-injected \(^{99m}\)Tc-diethylenetriaminepentaacetic acid (\(^{99m}\)Tc-DTPA) urine activity. Results: Dynamic PET imaging demonstrated rapid (\(^{18}\)F-FDS accumulation in the renal cortex and rapid radiotracer excretion via kidneys in control healthy rats. On the other hand, significantly delayed renal radiotracer uptake (continuous slow uptake) was observed in ARF rats and UUO-treated kidneys. Measured urine radiotracer concentrations of (\(^{18}\)F-FDS and \(^{99m}\)Tc-DTPA were well correlated (R=0.84, P<0.05). 
Conclusions: (\(^{18}\)F-FDS PET demonstrated favorable kinetics for functional renal imaging in rat models of kidney diseases. Advantages of high spatiotemporal resolution of PET imaging and simple tracer production could potentially complement or replace conventional renal scintigraphy in select cases and significantly improve the diagnostic performance of renal functional imaging.
KW  - unilateral ureteral obstruction
KW  - Nierenfunktionsstörung
KW  - Positronen-Emissions-Tomografie
KW  - 18F-FDS
KW  - 99mTc-DTPA
KW  - PET
KW  - renal failure
KW  - Glomerular filtration
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161279
SN  - 0161-5505
N1  - This research was originally published in JNM. Rudolf A. Werner, Hiroshi Wakabayashi, Xinyu Chen, Mitsuru Hirano, Tetsuya Shinaji, Constantin Lapa, Steven P. Rowe, Mehrbod S. Javadi and Takahiro Higuchi. Functional renal imaging with 18F-FDS PET in rat models of renal disorders. J Nucl Med. May 1, 2018;vol. 59 no. 5: 828-832. © SNMMI.
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schaper, Anna-Katharina
T1  - Conquering China’s Second-Tier Cities:  An Empirical Analysis of the Relationship between a City’s Degree of Internationalization and Foreign Companies’ Market Entry Decisions in China’s Second-Tier Cities
T1  - Eroberung von Chinas aufstrebenden Metropolen: 
Eine empirische Untersuchung der Beziehung zwischen dem Internationalisierungsgrad von Städten und den Markteintrittsentscheidungen ausländischer Unternehmen
N2  - China’s emerging second-tier cities attract more and more foreign companies that are looking for business opportunities. Although much has been written about companies’ internationalization strategies, including companies’ market entry decisions and market entry mode strategies, research on the relationship between a city’s degree of internationalization and foreign companies’ market entry decisions and market entry mode strategies in second-tier cities in China is still relatively scarce. Thus, the central research question of this study is: Why and how does a second-tier city’s degree of internationalization influence foreign companies’ market entry decisions and market entry mode strategies in second-tier China? This study is based on a qualitative research approach; an embedded multiple-case study is applied and interviews with two different target groups are conducted. The first target group consists of foreign companies having established business operations in China’s second-tier cities directly and have had no previous business operations in first-tier cites. The second group is made up of foreign companies that initially operated in first-tier China, and then moved to second-tier cities. The company sample compromises small- and medium-sized foreign companies with various industry backgrounds and market entry modes in Chengdu and Chongqing. Since 2015, Maxxelli has been publishing its China International City Index (CICI) on a yearly basis in which it measures and compares China’s cities’ degree of internationalization. Because Maxxelli revised this year’s CICI methodology comprehensively, this study also aims at feedback to improve the overall CICI. This study concludes that a second-tier city’s degree of internationalization is particularly important to foreign companies having first set up in Chinese first-tier cities. Companies having established themselves in second-tier cities directly, do not pay a lot of direct attention to a city’s degree of internationalization and tend to base their market entry decisions more on business opportunities they identify in a city. In addition, this study argues that in most cases a city’s degree of internationalization does not influence the type of market entry mode companies choose to enter second-tier China.
N2  - Chinas aufstrebende Metropolen rücken aufgrund ihrer Vielzahl an Geschäftsmöglichkeiten immer mehr in den Fokus ausländischer Unternehmen. Die bisherige Forschung über den Internationalisierungsgrad von Chinas aufstrebenden Metropolen und dessen Einfluss auf die Markteintrittsstrategie ausländischer Unternehmen ist sehr limitiert. Aufgrund dessen beschäftigt sich diese Arbeit mit der folgenden Forschungsfrage: „Warum und wie beeinflusst der Internationalisierungsgrad von aufstrebenden chinesischen Metropolen die Markteintrittsentscheidung und Markteintrittsform ausländischer Unternehmen?“. Die Studie basiert auf einem qualitativen Forschungsdesign. In einer ‚embedded multiple-case study‘ wurden Interviews mit klein- und mittelständischen Unternehmen aus unterschiedlichen Industrien geführt. Die interviewten Unternehmen hatten zum einen Geschäftsaktivitäten in traditionellen Metropolen, wie Shanghai und Peking, bevor sie  Aktivitäten in den Städten Chengdu und Chongqing aufnahmen oder betraten zum anderen den chinesischen Markt erstmalig in Chengdu und Chongqing. Die Arbeit befasst sich ebenfalls mit dem von Maxxelli seit 2015 veröffentlichten ‚China International City Index‘.
KW  - China
KW  - entrepreneurship
KW  - second-tier cities
KW  - market entry decisions
KW  - foreign companies
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161329
ER  - 
TY  - THES
A1  - Joschinski, Jens
T1  - Is the phenology of pea aphids (\(Acyrthosiphon\) \(pisum\)) constrained by diurnal rhythms?
T1  - Wird die Phänologie der Erbsenblattlaus (\(Acyrthosiphon\) \(pisum\)) durch Tag-/Nachtrhythmik limitiert?
N2  - The rotation of the earth leads to a cyclic change of night and day. Numerous strategies evolved to cope with diurnal change, as it is generally advantageous to be synchronous to the cyclic change in abiotic conditions. Diurnal rhythms are regulated by the circadian clock, a molecular feedback loop of RNA and protein levels with a period of circa 24 hours. Despite its importance for individuals as well as for species interactions, our knowledge of circadian clocks is mostly confined to few model organisms.
While the structuring of activity is generally adaptive, a rigid temporal organization also has its drawbacks. For example, the specialization to a diurnal pattern limits the breadth of the temporal niche. Organisms that are adapted to a diurnal life style are often poor predators or foragers during night time, constraining the time budget to only diurnal parts of the day/night cycle. 
Climate change causes shifts in phenology (seasonal timing) and northward range expansions, and changes in season or in latitude are associated with novel day length – temperature correlations. Thus, seasonal organisms will have some life history stages exposed to novel day lengths, and I hypothesized that the diurnal niche determines whether the day length changes are beneficial or harmful for the organism. I thus studied the effects of day length on life-history traits in a multi-trophic system consisting of the pea aphid Acyrthosiphon pisum and predatory larvae of Chrysoperla carnea (common green lacewing) and Episyrphus balteatus (marmalade hoverfly). In order to identify the mechanisms for phenological constraints I then focused on diurnal rhythms and the circadian clock of the pea aphid. 
Aphids reacted to shorter days with a reduced fecundity and shorter reproductive period. Short days did however not impact population growth, because the fitness constraints only became apparent late in the individual’s life. In contrast, E. balteatus grew 13% faster in the shorter day treatment and preyed on significantly more aphids, whereas C. carnea grew 13% faster under longer days and the elevation of predation rates was marginally significant. These results show that day length affects vital life-history traits, but that the direction and effect size depends on species. 
I hypothesized that the constraints or fitness benefits are caused by a constricted or expanded time budget, and hence depend on the temporal niche. E. balteatus is indeed night-active and C. carnea appears to be crepuscular, but very little data exists for A. pisum. Hence, I reared the pea aphid on an artificial diet and recorded survival, moulting and honeydew excretion. The activity patterns were clearly rhythmic and molting and honeydew excretion were elevated during day-time. Thus, the diurnal niche could explain the observed, but weak, day length constraints of aphids.
The diurnal niche of some organisms is remarkably flexible, and a flexible diurnal niche may explain why the day length constrains were relatively low in A. pisum. I thus studied its circadian clock, the mechanism that regulates diurnal rhythms. First, I improved an artificial diet for A. pisum, and added the food colorant Brilliant Blue FCF. This food colorant stained gut and honeydew in low concentration without causing mortalities, and thus made honeydew excretion visible under dim red light. I then used the blue diet to raise individual aphids in 16:08 LD and constant darkness (DD), and recorded honeydew excretion and molting under red light every three hours. In addition, we used a novel monitoring setup to track locomotor activity continuously in LD and DD. Both the locomotor rhythm and honeydew excretion of A. pisum appeared to be bimodal, peaking in early morning and in the afternoon in LD. Both metabolic and locomotor rhythm persisted also for some time under constant darkness, indicating that the rhythms are driven by a functional circadian clock. However, the metabolic rhythm damped within three to four days, whereas locomotor rhythmicity persisted with a complex distribution of several free-running periods. These results fit to a damped circadian clock that is driven by multiple oscillator populations, a model that has been proposed to link circadian clocks and photoperiodism, but never empirically tested. 
Overall, my studies integrate constraints in phenological adaptation with a mechanistic explanation. I showed that a shorter day length can constrain some species of a trophic network while being beneficial for others, and linked the differences to the diurnal niche of the species. I further demonstrated that a flexible circadian clock may alleviate the constraints, potentially by increasing the plasticity of the diurnal niche.
N2  - Die Rotation der Erde bedingt den zyklischen Wechsel von Tag und Nacht. Verschiedene Anpassungen an den täglichen Wechsel evolvierten, da es generell von Vorteil ist, mit der abiotischen Umwelt synchron zu sein. Die Tagesrhythmik wird von der circadianen Uhr reguliert, einem molekularen Rückkopplungsmechanismus auf RNA- und Protein- Ebene mit einer Periode von etwa 24 Stunden. Trotz der Bedeutung der circadianen Uhr, sowohl für Individuen als auch für Wechselwirkungen mit anderen Arten, ist unser Wissen auf wenige Modellorganismen beschränkt.
Während die Strukturierung von Aktivitätsmustern im Wesentlichen adaptiv ist, kann eine strenge zeitliche Organisation auch Nachteile mit sich bringen. Zum Beispiel limitiert die Spezialisierung auf ein Aktivitätsmuster die Breite der zeitlichen Nische. So können tagaktive Organismen häufig nur schlecht in Dunkelheit Nahrung finden, so dass das Zeitbudget von der Tageszeit begrenzt wird.
Der Klimawandel führt zu Veränderungen der Phänologie (saisonales Timing) und zur Ausbreitung der Arten Richtung Norden, und Veränderungen in der Phänologie oder im Breitengrad sind mit neuen Korrelationen von Tageslänge und Temperatur verknüpft. Daher werden einige Stadien im Lebenszyklus saisonaler Organismen neuen Tageslängen ausgesetzt. Ich habe die Hypothese aufgestellt, dass die zeitliche Nische bestimmt, ob Veränderungen in der Tageslänge für den Organismus von Vorteil oder von Nachteil sind. Daher untersuchte ich die Effekte von Tageslängen auf den Lebenszyklus von Arten in einem multi-trophischen System, bestehend aus der Erbsenblattlaus, Acyrthosiphon pisum und räuberisch lebenden Larven von Chrysoperla carnea (Gemeine Florfliege) und Episyrphus balteatus (Hainschwebfliege). Um die Mechanismen der Einschränkungen in der Phänologie zu verstehen, untersuchte ich anschließend die Tagesrhythmik und die circadiane Uhr der Erbsenblattlaus.
Die Blattläuse haben auf Kurztagbedingungen mit einer niedrigeren Fruchtbarkeit und kürzerer Reproduktionsspanne reagiert. Kurze Tage haben jedoch nicht das Populationswachstum beeinflusst, da die Leistungseinbußen erst spät im Leben des Individuums in Erscheinung traten. Im Gegensatz zur Erbsenblattlaus entwickelte sich E. balteatus 13 % schneller unter Kurztagbedingungen und erbeutete signifikant mehr Blattläuse, während C. carnea sich 13% schneller unter Langtagbedingungen entwickelte und marginal höhere Prädationsraten erreichte. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass die Tageslänge wichtige Aspekte der Biologie von Organismen beeinflusst, aber dass die Richtung und Bedeutung von Art zu Art unterschiedlich ist.
Ich nahm an, dass die Einschränkungen oder Vorteile durch ein verkleinertes oder vergrößertes Zeitbudget bestimmt werden und daher von der zeitlichen Nische abhängen. E. balteatus ist tatsächlich nachtaktiv, während C. carnea dämmerungsaktiv zu sein scheint. Für A. pisum existieren hingegen nur unzureichende Daten. Daher züchtete ich A. pisum auf künstlichem Futter und nahm Überlebensraten, Häutung und Honigtau-Exkretion auf. Die Aktivitätsmuster waren deutlich rhythmisch, und Häutung und Honigtau-Exkretion waren tagsüber erhöht. Daher kann die Einnischung auf Tagaktivität die beobachteten (aber schwachen) Nachteile kurzer Tage erklären.
Die zeitliche Nische einiger Organismen ist überraschend flexibel, und eine flexible zeitliche Nische könnte erklären warum der Effekt der Tageslänge relativ niedrig in A. pisum war. Daher untersuchte ich die circadiane Uhr der Erbsenblattlaus, da dieser Mechanismus die Aktivitätsmuster reguliert.
Zunächst verbesserte ich das künstliche Futter von A. pisum, und fügte den Lebensmittelfarbstoff Brilliant Blue FCF hinzu. Dieser Farbstoff färbte sowohl Magen als auch Honigtau in niedriger Konzentration ohne die Mortalität  zu erhöhen, und machte dadurch die Exkretion von Honigtau unter schwachem Rotlicht sichtbar. Ich nutzte anschließend das blaue Futter, um Blattläuse einzeln in 16:08 LD und konstanter Dunkelheit (DD) aufzuziehen und dabei Honigtau-Exkretion und Häutungen alle drei Stunden zu notieren. Zusätzlichen nutzten wir ein neues Überwachungssystem um Aktivitätsmuster in Lokomotion kontinuierlich in LD und DD aufzuzeichnen. Sowohl Lokomotionsrhythmik als auch Honigtau-Exkretion von A. pisum schienen bimodal zu sein und erreichten früh morgens und nachmittags ihre Maximalwerte in LD. Beide Rhythmen bestanden auch unter konstanter Dunkelheit einige Zeit fort, was aufzeigt, dass die Rhythmen von einer funktionierenden inneren Uhr gesteuert werden. Die Rhythmik im Metabolismus dämpfte jedoch innerhalb von drei bis vier Tagen aus, während die Lokomotionsrhythmik mit einer komplexen Verteilung verschiedener free-running-Perioden fortbestand. Diese Ergebnisse passen zu einer gedämpften circadianen Uhr, die aus mehreren Oszillatorgruppen besteht. Ein solches Modell wurde vorgeschlagen, um circadiane Uhren mit Messungen der Photoperiode zu verknüpfen, aber nie empirisch überprüft.
Insgesamt verbinden meine Versuche die Einschränkungen phänologischer Anpassung mit einer mechanistischen Erklärung. Ich zeigte, dass kürzere Tage einigen Arten eines trophischen Netzwerks Vorteile, anderen jedoch Nachteile verschafften, und habe diese Unterschiede auf die zeitliche Nische der Arten zurückgeführt. Ich habe weiterhin gezeigt, dass eine flexible circadiane Uhr die Nachteile lindern kann, möglicherweise weil sie die Plastizität der zeitlichen Nische erhöht.
KW  - Tagesrhythmus
KW  - Phänologie
KW  - pea aphid
KW  - artificial diet
KW  - Acyrthosiphon pisum
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-148099
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hock Siew, Tan
T1  - Functional characterization of an acid-regulated sRNA in \(Helicobacter\) \(pylori\)
T1  - Funktionelle Charakterisierung einer durch Säure regulierten SRNA in \(Helicobacter\) \(pylori\)
N2  - Low pH is the main environmental stress encountered by Helicobacter pylori in the human stomach. To ensure its survival under acidic conditions, this bacterium utilizes urease (encoded by the ureAB operon), a nickel-activated metalloenzyme, which cleaves urea into ammonia to buffer the periplasmic space. Expression of the ureAB operon is tightly regulated at the transcriptional level. Moreover, the urease activity is modulated post translationally via the activity of nickel-binding proteins such as HP1432 that act as nickel sponges to either sequester or release nickel depending on the pH. However, little is known how the levels of these nickel-binding proteins are regulated at the post-transcriptional level. Interestingly, more than 60 candidate small regulatory RNAs (sRNAs) have been identified in a differential RNA-seq approach in H. pylori strain 26695, suggesting an uncharacterized layer of post-transcriptional riboregulation in this pathogen. sRNAs control their trans- or cis- encoded targets by direct binding. Many of the characterized sRNAs are expressed in response to specific environmental cues and are ideal candidates to confer post-transcriptional regulation under different growth conditions. 
This study demonstrates that a small RNA termed ArsZ (Acid Responsive sRNA Z) and its target HP1432 constitute yet another level of urease regulation. In-vitro and in-vivo experiments show that ArsZ interacts with the ribosome binding site (RBS) of HP1432 mRNA, effectively repressing translation of HP1432. During acid adaptation, the acid-responsive ArsRS two-component system represses expression of ArsZ. ArsRS and ArsZ work in tandem to regulate expression of HP1432 via a coherent feedforward loop (FFL). ArsZ acts as a delay mechanism in this feedforward loop to ensure that HP1432 protein levels do not abruptly change upon transient pH drops encountered by the bacteria. ArsZ “fine-tunes” the dynamics of urease activity after pH shift presumably by altering nickel availability through post transcriptional control of HP1432 expression. Interestingly, after adaptation to acid stress, ArsZ indirectly activates the transcription of HP1432 and forms an incoherent FFL with ArsRS to regulate HP1432. This study identified a non-standard FFL in which ArsZ can participate directly or indirectly in two different network configurations depending on the state of acid stress adaptation. The importance of ArsZ in the acid response of H. pylori is further supported by bioinformatics analysis showing that the evolution of ArsZ is closely related to the emergence of modern H. pylori strains that globally infect humans. No homologs of arsZ were found in the non-pylori species of Helicobacter. Moreover, this study also demonstrates that the physiological role of a sRNA can be elucidated without the artificial overexpression of the respective sRNA, a method commonly used to characterize sRNAs. Coupled with time-course experiments, this approach allows the kinetics of ArsZ regulation to be studied under more native conditions. ArsZ is the first example of a trans-acting sRNA that regulates a nickel storage protein to modulate apo-urease maturation. These findings may have important implications in understanding the details of urease activation and hence the colonization capability of H. pylori, the only bacterial class I carcinogen to date (WHO, 1994).
N2  - In der natürlichen Umgebung des menschlichen Magens ist Helicobacter pylori insbesondere niedrigen pH-Werten ausgesetzt. Um diese Bedingungen zu überleben, setzt das Bakterium das Enzym Urease ein (kodiert durch das ureAB Operon), ein Nickel-aktiviertes Metalloenzym, welches Urea zu Ammonium umsetzt um den pH-Wert des periplasmatischen Raums abzupuffern. Die Expression dieses Operons ist auf transkriptioneller Ebene streng reguliert. Zudem ist die Aktivität des Urease Enzyms auf post-translationaler Ebene moduliert. Dies geschieht durch die Aktivität von Nickel-Bindeproteinen wie HP1432, die in Abhängigkeit vom pH-Wert Nickelionen abfangen oder wieder freigeben. Allerdings ist nur sehr wenig darüber bekannt, wie diese Nickel-Bindeproteine auf post-transkriptioneller Ebene reguliert werden. Interessanterweise wurden mehr als 60 sRNA-Kandidaten (engl. small RNA für dt. kleine RNA) durch eine differentielle RNA-seq Methode im H. pylori Stamm 26695 identifiziert. Dies legt eine nicht charakterisierte Ebene post-transkriptioneller Riboregulierung in diesem Pathogen nahe. sRNAs kontrollieren ihre trans- oder cis-kodierten Zielgene durch direkte Interaktion. Viele der charakterisierten sRNAs werden als Antwort auf spezifische Umweltsignale exprimiert und stellen ideale Kandidaten für post-transkriptionelle Regulatoren unter verschiedenen Wachstumsbedingungen dar. 
In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die kleine RNA ArsZ (engl. acid responsive sRNA Z für dt. säureabhängige sRNA Z) und ihr Zielgen HP1432 ein zusätzliches Level der Urease-Regulierung darstellen. In-vitro und in-vivo Experimente zeigen, dass ArsZ mit der Ribosomenbindestelle (RBS) der HP1432 mRNA interagiert, wodurch dessen Translation verhindert wird. Während der Säureanpassung verhindert das säureabhängige ArsRS Zweikomponentensystem die Expression von ArsZ. Zusammen regulieren ArsRS und ArsZ das Zielgen HP1432 in Form eines kohärenten Feed-forward-loops (FFL). ArsZ agiert hier als Verzögerungsmechanismus, um sicherzustellen, dass sich bei einem transienten Abfall des pH-Wertes das Proteinlevel von HP1432 nicht abrupt verändert. Nach pH-Änderungen vermittelt ArsZ eine Feinregulierung der Ureaseaktivität, vermutlich indem es durch die post-transkriptionelle Kontrolle der HP1432 Expression die Verfügbarkeit von Nickel verändert. Interessanterweise aktiviert ArsZ nach der Säureanpassung indirekt die Transkription von HP1432 und schließt dadurch einen inkohärenten FFL mit ArsRS zur Regulierung von HP1432. Diese Studie identifizierte einen Nicht-Standard-FFL, in dem ArsZ abhängig von dem Status der Säureadaptation in zwei verschiedenen Netzwerkkonfigurationen direkt oder indirekt agieren kann. Bioinformatorische Analysen unterstützen die Relevanz von ArsZ in der Säureantwort von H. pylori zusätzlich. Hierbei kann gezeigt werden, dass die Evolution von ArsZ mit dem Aufkommen moderner H. pylori Stämme einhergeht, die weltweit Menschen infizieren. In nicht-pylori Helicobacter Spezies konnten keine Homologe von arsZ gefunden werden. Zudem zeigt diese Studie, dass die physiologische Rolle einer sRNA ohne ihre artifizielle Überexpression aufgeklärt werden kann, eine standard-mäßige Herangehensweise zur Charakterisierung kleiner RNAs. In Kombination mit Zeitverlaufsexperimenten konnte die zeitabhängige Regulierung von Zielgenen durch ArsZ unter natürlicheren Bedingungen untersucht werden. ArsZ ist das erste Beispiel einer trans-agierenden sRNA die ein Nickel-Speicherprotein reguliert, um die Reifung der Apo-Urease zu modulieren. Diese Ergebnisse können wichtige Informationen liefern, um die Aktivierung des Urease Enzyms besser zu verstehen und um damit detailliertere Einblicke in die Kolonisierungsfähigkeit von H. pylori zu gewinnen, dem bislang einzigen bakteriellen Klasse-I-Karzinogen (WHO, 1994).
KW  - Small RNA
KW  - Helicobacter pylori
KW  - Feedforward loop
KW  - Acid adaptation
KW  - HP1432, Hpn2
KW  - ArsZ
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150671
ER  - 
TY  - THES
A1  - Martin, Corinna
T1  - Oxidized phospholipids and their role in neuronal excitation of primary sensory neurons
T1  - Oxidierte Phospholipide und ihre Funktion in neuronaler Erregbarkeit in primären sensorischen Neuronen
N2  - Recently, our research group identified in a study novel proalgesic targets in  acute  and  chronic inflammatory pain:  oxidized  phospholipids (OxPL). OxPL, endogenous chemical irritants, are generated in inflamed tissue and  mediate their  pain-inducing  function  by activating the transient receptor potential channels TRPA1 and TRPV1. Both channels are sensors for chemical stimuli on primary afferent nociceptors and are involved in nociception. Here, with the help of calcium imaging and whole  cell  patch clamp  recording techniques, it was found that OxPL metabolites acutely activate TRPA1 and TRPV1 ion channels to excite DRG neurons. OxPL species act predominantly via TRPA1 ion channels and mediate long- lasting non-selective inward currents. Notably, one pure OxPL compound, PGPC, activated a TRPA1 mutant lacking  the binding site for electrophilic  agonists, suggesting that  OxPL activate TRP ion channels by an indirect mechanical  mechanism.  Next, it was investigated how OxPL influence the excitability of primary sensory neurons. Acute stimulation and fast calcium imaging revealed that OxPL elicit repetitive, spike-like calcium transients in small- diameter DRG neurons, which were fully blocked by  antagonists  against TRPA1/V1 and N- type voltage-gated calcium channels.
In search of a mechanism that drives repetitive spiking of DRG  neurons,  it  was  asked  whether NaV1.9, a voltage-gated sodium channel involved in subthreshold excitability and nociception, is needed to trigger OxPL-induced calcium spikes and action potential firing. In electrophysiological recordings, both  the combination of local application of  OxPL  and  current injection were required to efficiently increase the action potential (AP) frequency of small-diameter sensory neurons. However, no difference was monitored in the resting membrane potential or OxPL-induced AP firing rate between wt and NaV1.9-deficient small diameter DRG neurons. To see whether  NaV1.9  needs inflammatory conditions  to be integrated in the OxPL-induced excitation cascade, sensory neurons were pretreated with a mixture of inflammatory mediators before OxPL application.  Under  inflammatory  conditions both the AP and the calcium-spike frequency were drastically enhanced in response to an acute OxPL stimulus. Notably, this potentiation of OxPL stimuli was entirely lost in NaV1.9 deficient sensory neurons. Under inflammatory conditions, the resting membrane potential of NaV1.9-deficient neurons was more negative compared to  wt  neurons,  suggesting  that NaV1.9 shows resting activity only under inflammatory conditions.
In conclusion, OxPL are endogenous irritants that induce excitability in small-diameter DRG
neurons, a cellular model of nociceptors, via TRP activation. This effect is potentiated under inflammatory conditions. Under these conditions, NaV1.9 functions as essential mediator as it eases the initiation of excitability after OxPL stimulation.
As mutants in the human NaV1.9 mediate an enhanced or painless perception, this study provides new insight into the mechanism on how NaV1.9 amplifies stimuli of  endogenous irritants under inflammatory conditions.
N2  - Im Zuge einer Studie  über Entzündungsschmerz hat unsere Arbeitsgruppe  oxidierte Phospholipide (OxPL) als neue endogene  Entzündungsmediatoren  entdeckt.  Diese werden im entzündeten Gewebe produziert und vermitteln ihre schmerzinduzierende Funktion durch Aktivierung von sogenannten  transienten Rezeptorpotentialkanälen  TRPA1  und   TRPV1. Beide Ionenkanäle werden von afferenten Nozizeptoren exprimiert und sind Sensoren für chemische Reize. In dieser Arbeit wurde mithilfe von Calcium Imaging und elektrophysiologischen Messungen gezeigt,  dass  oxidierte  Phospholipide TRPA1   und TRPV1 aktivieren und eine erhöhte Erregbarkeit in sensorischen Neuronen der Hinterwurzelganglien (DRG Neuronen) auslösen. Hierbei aktivieren oxidierte Phospholipide TRPA1 stärker als TRPV1  und  induzieren langanhaltende,  nicht-selektive  Einwärtsströme. Ein Bestandteil von OxPL, das Oxidationsprodukt PGPC, aktiviert zudem eine Mutante von TRPA1, die nicht die Bindungsstelle für elektrophile Agonisten  trägt.  Dies  lässt  vermuten, dass OxPL die TRP Kanäle über  einen  indirekten,  mechanischen Mechanismus  aktivieren. Als nächstes wurde der Einfluss von OxPL auf die Erregbarkeit von sensorischen Neuronen untersucht. Schnelles Calcium Imaging zeigte, dass eine akute Stimulation mit OxPL zu wiederholten spike-ähnlichen Signalen in DRG Neuronen führt.  Diese waren nur in Neuronen mit kleinem Durchmessern zu finden und deren  Aktivierung konnte  sowohl  durch Antagonisten gegen TRPA1/V1 als  auch mit Inhibitoren spannungsgesteuerter N-Typ Kalziumkänale blockiert werden. Elektrophysiologische  Untersuchungen zeigten, dass eine Strominjektion mit gleichzeitiger lokaler Applikation von OxPL zur Erhöhung der Aktionspotentialsrate in kleinen DRG Neuronen führt. Deshalb wurde untersucht, ob der spannungsgesteuerte Natriumkanal NaV1.9 für die durch  OxPL  induzierten  Kalziumspikes und Aktionspotentiale verantwortlich ist, da er an der unterschwelligen Erregbarkeit von Neuronen beteiligt ist. Es  konnte jedoch kein Unterschied beim  Ruhemembranpotential oder  der OxPL induzierten Aktionspotentialsrate zwischen  den   wt  und   NaV1.9-defizienten  (NaV1.9 KO) Neuronen festgestellt werden. Um zu verstehen, ob NaV1.9 unter inflammatorischen Bedingungen in die OxPL induzierte Erregungskaskade integriert wird, wurden die  sensorischen Neurone mit inflammatorischen Mediatoren vorbehandelt und anschließend mit OxPL stimuliert. Dies führte sowohl zu einer  stark erhöhten Kalziumspike- als auch Aktionspotentialfrequenz im wt, während die NaV1.9 KO  Neurone  sich  wie  unter nicht inflammatorischen Bedingungen verhielten. Unter  inflammatorischen  Bedingungen konnte zudem eine Erniedrigung  des  Ruhemembranpotentials  im  Vergleich   zwischen NaV1.9 KO und wt Neuronen beobachtet werden. Das lässt vermuten, dass NaV1.9 seine Ruheaktivität nur unter Entzündungsbedingungen zeigt.
 
In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass OxPL endogene Agonisten sind, die   kleine  DRG  Neurone, ein zelluläres Model für Nozizeptoren, über TRPA1 und TRPV1  aktivieren. Dieser Effekt wird unter Entzündungsbedingungen verstärkt. Hierbei spielt der unterschwellig aktive Kanal NaV1.9 eine essentielle Vermittlerrolle, indem er die Auslösung von Aktionspotentialen nach einem OxPL Stimulus erleichtert. Da Mutationen im  menschlichen  Na1.9  Kanal  zu einem erhöhten oder sogar fehlendem Schmerzempfinden führen können, gibt diese Studie einen neuen Einblick in den Mechanismus mit  dem NaV1.9  Stimuli  endogener, reizauslösender Substanzen unter Entzündungsbedingungen amplifiziert.
KW  - inflammatory pain
KW  - Entzündungsschmerz
KW  - NaV1.9. oxidized phospholipids
KW  - TRPA1
KW  - TRPV1
KW  - DRG
KW  - oxidierte Phospholipide
KW  - Entzündung
KW  - Schmerz
KW  - Phospholipide
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160665
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Böhnke, Julian
A1  - Dellermann, Theresa
A1  - Celik, Mehmet Ali
A1  - Krummenacher, Ivo
A1  - Dewhurst, Rian D.
A1  - Demeshko, Serhiy
A1  - Ewing, William C.
A1  - Hammond, Kai
A1  - Heß, Merlin
A1  - Bill, Eckhard
A1  - Welz, Eileen
A1  - Röhr, Merle I. S.
A1  - Mitric, Roland
A1  - Engels, Bernd
A1  - Meyer, Franc
A1  - Braunschweig, Holger
T1  - Isolation of diborenes and their 90°-twisted diradical congeners
JF  - Nature Communications
N2  - Molecules containing multiple bonds between atoms—most often in the form of olefins—are ubiquitous in nature, commerce, and science, and as such have a huge impact on everyday life. Given their prominence, over the last few decades, frequent attempts have been made to perturb the structure and reactivity of multiply-bound species through bending and twisting. However, only modest success has been achieved in the quest to completely twist double bonds in order to homolytically cleave the associated π bond. Here, we present the isolation of double-bond-containing species based on boron, as well as their fully twisted diradical congeners, by the incorporation of attached groups with different electronic properties. The compounds comprise a structurally authenticated set of diamagnetic multiply-bound and diradical singly-bound congeners of the same class of compound.
KW  - chemical bonding
KW  - diradicals
KW  - organometallic chemistry
KW  - diborenes
KW  - carbenes
KW  - boron
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160431
VL  - 9
IS  - Article number: 1197
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Böhnke, Julian
A1  - Dellermann, Theresa
A1  - Celik, Mehmet Ali
A1  - Krummenacher, Ivo
A1  - Dewhurst, Rian D.
A1  - Demeshko, Serhiy
A1  - Ewing, William C.
A1  - Hammond, Kai
A1  - Heß, Merlin
A1  - Bill, Eckhard
A1  - Welz, Eileen
A1  - Röhr, Merle I. S.
A1  - Mitric, Roland
A1  - Engels, Bernd
A1  - Meyer, Franc
A1  - Braunschweig, Holger
T1  - Isolation of diradical products of twisted double bonds
T2  - Nature Communications
N2  - Molecules containing multiple bonds between atoms—most often in the form of olefins—are ubiquitous in nature, commerce, and science, and as such have a huge impact on everyday life. Given their prominence, over the last few decades, frequent attempts have been made to perturb the structure and reactivity of multiply-bound species through bending and twisting. However, only modest success has been achieved in the quest to completely twist double bonds in order to homolytically cleave the associated π bond. Here, we present the isolation of double-bond-containing species based on boron, as well as their fully twisted diradical congeners, by the incorporation of attached groups with different electronic properties. The compounds comprise a structurally authenticated set of diamagnetic multiply-bound and diradical singly-bound congeners of the same class of compound.
KW  - diradicals
KW  - diborenes
KW  - carbenes
KW  - boron
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160248
N1  - Submitted version of Julian Böhnke, Theresa Dellermann, Mehmet Ali Celik, Ivo Krummenacher, Rian D. Dewhurst, Serhiy Demeshko, William C. Ewing, Kai Hammond, Merlin Heß, Eckhard Bill, Eileen Welz, Merle I. S. Röhr, Roland Mitrić, Bernd Engels, Franc Meyer & Holger Braunschweig: Isolation of diborenes and their 90°-twisted diradical congeners. Nature Communications. Volume 9, Article number: 1197 (2018) doi:10.1038/s41467-018-02998-3
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Stennett, Tom
A1  - Mattock, James
A1  - Vollert, Ivonne
A1  - Vargas, Alfredo
A1  - Braunschweig, Holger
T1  - Unsymmetrical, Cyclic Diborenes and Thermal Rearrangement to a Borylborylene
T2  - Angewandte Chemie, International Edition
N2  - Cyclic diboranes(4) based on a chelating monoanionic, benzylphosphine linker were prepared by boron-silicon exchange between arylsilanes and B\(_2\)Br\(_4\). Coordination of Lewis bases to the remaining sp\(^2\) boron atom yielded unsymmetrical sp\(^3\)-sp\(^3\) diboranes, which were reduced with KC\(_8\) to their corresponding trans-diborenes. These compounds were studied by a combination of spectroscopic methods, X-ray diffraction and DFT calculations. PMe\(_3\)-stabilized diborene 6 was found to undergo thermal rearrangement to gem- diborene 8. DFT calculations on 8 reveal a polar boron-boron bond, and indicate that the compound is best described as a borylborylene.
KW  - boron
KW  - borylene
KW  - multiple bonds
KW  - rearrangement
KW  - DFT calculations
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160258
N1  - This is the pre-peer reviewed version of the following article: T. E. Stennett, J. D. Mattock, I. Vollert, A. Vargas, H. Braunschweig, Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4098., which has been published in final form at DOI: 10.1002/anie.201800671. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving.
VL  - 57
ER  - 
TY  - THES
A1  - Godbole, Amod Anand
T1  - A new paradigm in GPCR signaling at the trans-Golgi network of thyroid cells
T1  - Ein neues Model der GPCR Signaltransduktion am trans-Golgi-Netzwerk von Schilddrüsenzellen
N2  - Whereas G-protein coupled receptors (GPCRs) have been long believed to signal through cyclic AMP exclusively at cell surface, our group has previously shown that GPCRs not only signal at the cell surface but can also continue doing so once internalized together with their ligands, leading to persistent cAMP production. This phenomenon, which we originally described for the thyroid stimulating hormone receptor (TSHR) in thyroid cells, has been observed also for other GPCRs. However, the intracellular compartment(s) responsible for such persistent signaling and its consequences on downstream effectors were insufficiently characterized. The aim of this study was to follow by live-cell imaging the trafficking of internalized TSHRs and other involved signaling proteins as well as to understand the consequences of signaling by internalized TSHRs on the downstream activation of protein kinase A (PKA). cAMP and PKA
activity was measured in real-time in living thyroid cells using FRET-based sensors Epac1-camp and AKAR2 respectively. The results suggest that TSH co-internalizes with its receptor and that the internalized TSH/TSHR complexes traffic retrogradely to the trans-Golgi network (TGN). This study also provides evidence that these internalized TSH/TSHR complexes meet an intracellular pool of Gs proteins in sorting endosomes and in TGN and activate it there, as visualized in real-time using a conformational biosensor nanobody, Nb37. Acute Brefeldin A-induced Golgi collapse hinders the retrograde trafficking of TSH/TSHR complexes, leading to reduced cAMP production and PKA signaling. BFA pretreatment was also able to attenuate CREB phosphorylation suggesting that an intact Golgi/TGN organisation is essential
for an efficient cAMP/PKA signaling by internalized TSH/TSHR complexes. Taken together this data provides evidence that internalized TSH/TSHR complexes meet and activate Gs proteins in sorting endosomes and at the TGN, leading to a local activation of PKA and consequently increased CREB activation. These findings suggest unexpected functions for receptor internalization, with major pathophysiological and pharmacological implications.
N2  - G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind nur in Eukaryonten vorhandeln und bilden die größte und diverseste Familie von Zellmembranrezeptoren. Sie reagieren auf eine vielfältige Gruppe von Stimuli die verschiedene Effektoren aktivieren und damit nachgelagerte Signalkaskaden auslösen, die letztlich entscheidend für die Zellphysiologie sind. Die Regelung der Ligand-vermittelten Signaltransduktion wird hauptsächlich durch die Desensibilisierung des GPCR mittels Dephosphorylierung (katalysiert durch GRK) und zusätzlich durch Internalisierung des GPCR gesteuert. Die Annahme, dass GPCRs für cAMP nur an der Zellmembran signalisieren und nicht mehr sobald sie in die Zelle internalisiert wurden, konnte durch wegweisende unabhängige Forschung an GPCRs im Besonderen an TSHR und PTHR geändert werden. So konnte gezeigt werden, dass sie für cAMP nicht nur an der Zellmembran signalisieren, sondern auch, wenn sie in intrazelluläre Zellkompartimente internalisiert wurde. Dieses Phänomen („sustained signaling“ hier „anhaltende Signalisierung“) wurde seitdem für andere GPCRs (z.B. 2-AR, V2R und LHR) beschrieben. Aber die Zellkompartimente wurden für nachhaltige intrazelluläre Signale nicht ausreichend charakterisiert. Das Ziel dieser Arbeit war es die Bewegung und die dynamische Natur der möglichen signalisierenden Kompartimente mittels „real-time TIRF“-Mikroskopie und die Signalisierung unter Verwendung von „real-time FRET“ in primären Maus Schilddrüsenzellen zu untersuchen.
Die vorliegende Arbeit berichtet, dass TSH/TSHR Komplexe internalisieren und ein signifikanter Teil, welcher vom Retromer Komplex angeführt wird, gelangt über den retrograden (rückwärts gerichteten) Transport in das trans-Golgi-Netzwerk (TGN). Diese TSH/TSHR-Komplexe treffen nicht in den frühen Endosomen auf die Gs-Proteine, sondern in den „Sortierer Endosomen“ und in dem TGN. Ein direkter Beweis für Gs Protein Aktivierung und Signaltransduktion am TGN und in Sortierer Endosomen konnte mittels des nanobody Nb37, einem spezifischen Biosensor für das aktive Gs Protein, erbracht werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Sequestrierung von Nb37 an diesen Kompartimenten ein szintillierendes Verhalten in Zeit und Raum zeigt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die katalytische Untereinheit der PKA am Golgi/TGN angereichert ist. Die Behandlung mit Brefeldin A führt zum Verlust dieser PKA Lokalisation am Golgi. Die Beschädigung und Reorganisation des TGN durch Brefeldin A führt zu a) einer abgeschwächten cAMP Reaktion b) einer dreiphasigen PKA Reaktion charakterisiert durch eine schnelle erste Phase, eine langsame (deutlich abgeschwächte) zweite Phase und eine verzögerte dritte Phase und schließlich c) einer abgeschwächte CREB Phosphorylierung. Es gibt Anzeichen dafür, dass die Reorganisation des TGN Kompartimente betrifft, die verantwortlich für intrazelluläre cAMP- und PKA-Signalisierung sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das TGN eines der Kompartimente ist, das für die anhaltende TSHR-Signalisierung verantwortlich ist.
KW  - G-Protein gekoppelte Rezeptoren
KW  - GPCR
KW  - thyroid stimulating hormone receptor
KW  - trans-Golgi network
KW  - Signaltransduktion
KW  - Golgi-Apparat
KW  - Schilddrüse
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147159
ER  - 
TY  - THES
A1  - Barsukow, Wasilij
T1  - Low Mach number finite volume methods for the acoustic and Euler equations
T1  - Finite Volumen Methoden für den Grenzwert niedriger Machzahlen der akustischen und der Euler-Gleichungen
N2  - Finite volume methods for compressible Euler equations suffer from an excessive diffusion in the limit of low Mach numbers. This PhD thesis explores new approaches to overcome this. 

The analysis of a simpler set of equations that also possess a low Mach number limit is found to give valuable insights. These equations are the acoustic equations obtained as a linearization of the Euler equations. For both systems the limit is characterized by a divergencefree velocity. This constraint is nontrivial only in multiple spatial dimensions. As the Jacobians of the acoustic system do not commute, acoustics cannot be reduced to some kind of multi-dimensional advection. Therefore first an exact solution in multiple spatial dimensions is obtained. It is shown that the low Mach number limit can be interpreted as a limit of long times.

It is found that the origin of the inability of a scheme to resolve the low Mach number limit is the lack a discrete counterpart to the limit of long times. Numerical schemes whose discrete stationary states discretize all the analytic stationary states of the PDE are called stationarity preserving. It is shown that for the acoustic equations, stationarity preserving schemes are vorticity preserving and are those that are able to resolve the low Mach limit (low Mach compliant). This establishes a new link between these three concepts.

Stationarity preservation is studied in detail for both dimensionally split and multi-dimensional schemes for linear acoustics. In particular it is explained why the same multi-dimensional stencils appear in literature in very different contexts: These stencils are unique discretizations of the divergence that allow for stabilizing stationarity preserving diffusion.

Stationarity preservation can also be generalized to nonlinear systems such as the Euler equations. Several ways how such numerical schemes can be constructed for the Euler equations are presented. In particular a low Mach compliant numerical scheme is derived that uses a novel construction idea. Its diffusion is chosen such that it depends on the velocity divergence rather than just derivatives of the different velocity components. This is demonstrated to overcome the low Mach number problem. The scheme shows satisfactory results in numerical simulations and has been found to be stable under explicit time integration.
N2  - Finite Volumen Methoden für die kompressiblen Euler-Gleichungen zeigen übermäßige Diffusion im Grenzwert kleiner Machzahlen. Diese Dissertation beschäftigt sich mit neuen Ansätzen, um dieses Problem zu beheben.

Die Analyse eines Systems einfacherer Gleichungen, die ebenso einen Grenzwert niedriger Machzahlen haben, liefert wichtige Einsichten. Diese Gleichungen sind die als Linearisierung der Euler-Gleichungen erhaltenen akustischen Gleichungen. Für beide Gleichungssysteme ist der Grenzwert durch ein divergenzfreies Geschwindigkeitsfeld charakterisiert, was nur in mehreren Raumdimensionen nichttrivial ist. Da die Jacobi-Matrizen des akustischen Systems nicht vertauschen, kann Akustik nicht auf irgendeine Art mehrdimensionaler Advektion zurückgeführt werden. Deswegen wird zunächst eine exakte Lösung in mehreren Raumdimensionen gefunden. Es wird gezeigt, dass sich der Grenzwert kleiner Machzahlen als Grenzwert langer Zeiten interpretieren lässt.

Als der Ursprung des Versagens eines Schemas im Grenzwert kleiner Machzahlen wird das Fehlen einer diskreten Entsprechung zum Grenzwert langer Zeiten identifiziert. Numerische Schemata, deren diskrete stationäre Zustände alle analytischen stationären Zustände diskretisieren, werden stationaritätserhaltend genannt. Es zeigt sich, dass für die akustischen Gleichungen stationaritätserhaltende Schemata vortizitätserhaltend sind, und gerade diejenigen sind, die auch den Grenzwert kleiner Machzahlen aufzulösen vermögen. Das zeigt eine neue Verbindung zwischen diesen drei Konzepten auf.

Erhaltung der Stationarität wird für lineare Akustik im Detail für Schemata studiert, die nach Raumdimensionen aufgeteilt sind, und auch für multi-dimensionale Schemata. Insbesondere wird ein Grund geliefert, warum die gleichen multi-dimensionalen diskreten Operatoren in der Literatur in sehr unterschiedlichen Kontexten auftauchen: Sie sind Diskretisierungen der Divergenz, für die eine stabilisierende, stationaritätserhaltende Diffusion gefunden werden kann. 

Auch für nichtlineare Gleichungen, wie die Euler-Gleichungen, kann die Erhaltung der Stationarität verallgemeinert werden. Es werden dazu mehrere Wege der Konstruktion numerischer Schemata gezeigt. Insbesondere im Hinblick auf den Grenzwert kleiner Machzahlen wird ein neuartiges Schema hergeleitet, dessen Diffusion so gewählt ist, dass es von der Divergenz der Geschwindigkeit, und nicht bloß von irgendswelchen Ableitungen der Geschwindigkeitskomponenten abhängt. Es wird gezeigt, dass dieses Schema in der Lage ist, den Grenzwert kleiner Machzahlen aufzulösen. Das Schema zeigt zufriedenstellende Resultate in Simulationen und ist stabil unter Verwendung eines expliziten Zeitintegrators.
KW  - Finite-Volumen-Methode
KW  - Machzahl
KW  - finite volume method
KW  - Euler equations
KW  - Acoustic equations
KW  - low Mach number
KW  - vorticity preserving
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159965
ER  - 
TY  - RPRT
A1  - Fuchs, Florian
T1  - “Disney Dreams!“ – A Nighttime Spectacular in the Tension Field of Crowds, Communion, Emotion, and Religion
N2  - The text deals with the nighttime spectacular of Disneyland Paris´ "Disney Dreams!" from the perspectives of mass, community, religion and emotions. It tries to open up this pop cultural show sociologically and theologically.
N2  - Der Text beschäftigt sich mit der Abendshow des Disneyland Paris "Disney Dreams!" aus den Perspektiven Masse, Gemeinschaft, Religion und Emotionen. Es wird versucht, diese popkulturelle Show soziologisch und theologisch zu erschließen.
KW  - Soziologie
KW  - Phänomenologische Soziologie
KW  - Theologie
KW  - Disney
KW  - mass
KW  - emotion
KW  - theme park
KW  - event
KW  - Praktische Theologie
KW  - Ritual
KW  - Disney
KW  - Emotion
KW  - Event
KW  - Masse
KW  - Themenpark
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-159949
N1  - Die englische Fassung dieses Working Papers ist unter folgendem Link verfügbar: nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-159931
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Lapa, Constantin
A1  - Kircher, Malte
A1  - Hänscheid, Heribert
A1  - Schirbel, Andreas
A1  - Grigoleit, Götz Ulrich
A1  - Klinker, Erdwine
A1  - Böck, Markus
A1  - Samnick, Samuel
A1  - Pelzer, Theo
A1  - Buck, Andreas K
T1  - Peptide receptor radionuclide therapy as a new tool in treatment-refractory sarcoidosis - initial experience in two patients
JF  - Theranostics
N2  - Sarcoidosis is a multisystem granulomatous disorder of unknown etiology that can involve virtually all organ systems. Whereas most patients present without symptoms, progressive and disabling organ failure can occur in up to 10% of subjects. Somatostatin receptor (SSTR)-directed peptide receptor radionuclide therapy (PRRT) has recently received market authorization for treatment of SSTR-positive neuroendocrine tumors.

Methods: 
We describe the first case series comprising two patients with refractory multi-organ involvement of sarcoidosis who received 4 cycles of PRRT.

Results: 
PRRT was well-tolerated without any acute adverse effects. No relevant toxicities could be recorded during follow-up. Therapy resulted in partial response accompanied by a pronounced reduction in pain (patient #1) and stable disease regarding morphology as well as disease activity (patient #2), respectively.

Conclusion: 
Peptide receptor radionuclide therapy in sarcoidosis is feasible and might be a new valuable tool in patients with otherwise treatment-refractory disease. Given the long experience with and good tolerability of PRRT, further evaluation of this new treatment option for otherwise treatment-refractory sarcoidosis in larger patient cohorts is warranted.
KW  - peptide receptor
KW  - PRRT
KW  - sarcoidosis
KW  - somatostatin receptors
KW  - radionuclide therapy
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158983
VL  - 8
IS  - 3
ER  -