TY - THES A1 - Schmitt, Matthias T1 - High Energy Spin- and Momentum-Resolved Photoelectron Spectroscopy of Complex Oxides T1 - Hochenergetische spin- und impulsaufgelöste Photoelektronenspektroskopie an komplexen Oxiden N2 - Spin- and \(k\)-resolved hard X-ray photoelectron spectroscopy (HAXPES) is a powerful tool to probe bulk electronic properties of complex metal oxides. Due to the low efficiency of common spin detectors of about \(10^{-4}\), such experiments have been rarely performed within the hard X-ray regime since the notoriously low photoionization cross sections further lower the performance tremendously. This thesis is about a new type of spin detector, which employs an imaging spin-filter with multichannel electron recording. This increases the efficiency by a factor of \(10^4\) and makes spin- and \(k\)-resolved photoemission at high excitation energies possible. Two different technical approaches were pursued in this thesis: One using a hemispherical deflection analyzer (HDA) and a separate external spin detector chamber, the other one resorting to a momentum- or \(k\)-space microscope with time-of-flight (TOF) energy recording and an integrated spin-filter crystal. The latter exhibits significantly higher count rates and - since it was designed for this purpose from scratch - the integrated spin-filter option found out to be more viable than the subsequent upgrade of an existing setup with an HDA. This instrumental development is followed by the investigation of the complex metal oxides (CMOs) KTaO\(_3\) by angle-resolved HAXPES (HARPES) and Fe\(_3\)O\(_4\) by spin-resolved HAXPES (spin-HAXPES), respectively. KTaO\(_3\) (KTO) is a band insulator with a valence-electron configuration of Ta 5\(d^0\). By angle- and spin-integrated HAXPES it is shown that at the buried interface of LaAlO\(_3\)/KTO - by the generation of oxygen vacancies and hence effective electron doping - a conducting electron system forms in KTO. Further investigations using the momentum-resolution of the \(k\)-space TOF microscope show that these states are confined to the surface in KTO and intensity is only obtained from the center or the Gamma-point of each Brillouin zone (BZ). These BZs are furthermore square-like arranged reflecting the three-dimensional cubic crystal structure of KTO. However, from a comparison to calculations it is found that the band structure deviates from that of electron-doped bulk KTaO\(_3\) due to the confinement to the interface. There is broad consensus that Fe\(_3\)O\(_4\) is a promising material for spintronics applications due to its high degree of spin polarization at the Fermi level. However, previous attempts to measure the spin polarization by spin-resolved photoemission spectroscopy have been hampered by the use of low photon energies resulting in high surface sensitivity. The surfaces of magnetite, though, tend to reconstruct due to their polar nature, and thus their magnetic and electronic properties may strongly deviate from each other and from the bulk, dependent on their orientation and specific preparation. In this work, the intrinsic bulk spin polarization of magnetite at the Fermi level (\(E_F\)) by spin-resolved photoelectron spectroscopy, is determined by spin-HAXPES on (111)-oriented thin films, epitaxially grown on ZnO(0001) to be \(P(E_F) = -80^{+10}_{-20}\) %. N2 - Spin- und \(k\)-aufgelöste harte Röntgenphotoelektronenspektroskopie (HAXPES) ist ein leistungsähiges Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften komplexer Metalloxide. Aufgrund der geringen Effizienz gängiger Spin-Detektoren von etwa \(10^{-4}\) wurden solche Experimente im Bereich der harten Röntgenstrahlung nur selten durchgeführt, da die notorisch niedrigen Photoionisationsquerschnitte die Leistungsfähigkeit noch weiter verringern. In dieser Arbeit geht es um einen neuartigen Spin-Detektor, der einen abbildenden Spin-Filter mit Mehrkanal-Elektronenaufzeichnung verwendet. Dies erhöht die Effizienz um einen Faktor \(10^4\) und ermöglicht spin- und \(k\)-aufgelöste Photoemission bei hohen Anregungsenergien. Zwei verschiedene technische Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit verfolgt: Zum einen mit einem Halbkugelanalysator (HDA) und einer separaten externen Spin-Detektorkammer, zum anderen mit einem Impuls- oder Impuls-Mikroskop mit Flugzeit-Energieaufzeichnung (TOF) und einem integrierten Spin-Filterkristall. Letzteres weist deutlich höhere Zählraten auf, und - da es von Grund auf für diesen Zweck entwickelt wurde - erwies sich die integrierte Spinfilteroption als praktikabler als die nachträgliche Aufrüstung des bestehenden Aufbaus mit einem HDA. Auf diese instrumentelle Entwicklung folgt die Untersuchung der komplexen Metalloxide (CMOs) KTaO\(_3\) durch winkelaufgelöstes HAXPES (HARPES) und Fe\(_3\)O\(_4\) durch spinaufgelöstes HAXPES (spin-HAXPES). KTaO\(_3\) (KTO) ist ein Bandisolator mit einer Valenz-Elektronenkonfiguration von Ta 5\(d^0\). Durch winkel- und spin-integriertes HAXPES wird gezeigt, dass sich an der vergrabenen Grenzfläche von dLaAlO\(_3\)/KTO - durch die Erzeugung von Sauerstoff-Fehlstellen und damit effektiver Elektronendotierung - ein leitendes Elektronensystem in KTO bildet. Weitere Untersuchungen mit der Impulsauflösung des TOF-Mikroskops im \(k\)-Raum zeigen, dass diese Zustände auf die Oberfläche in KTO beschränkt sind und die Intensität nur vom Zentrum oder dem Gamma-Punkt jeder Brillouin-Zone (BZ) gemessen wird. Diese BZn sind darüber hinaus quadratisch angeordnet, was die dreidimensionale kubische Kristallstruktur von KTO widerspiegelt. Aus einem Vergleich mit Bandrechnungen geht jedoch hervor, dass die Bandstruktur aufgrund des Einschlusses an der Grenzfläche von der des elektronen-dotierten KTO-Volumens abweicht. Es besteht ein breiter Konsens darüber, dass Fe\(_3\)O\(_4\) aufgrund seines hohen Grades an Spinpolarisation am Fermi-Niveau ein vielversprechendes Material für Spintronik-Anwendungen ist. Bisherige Versuche, die Spinpolarisation durch spinaufgelöste Photoemissionsspektroskopie zu messen, wurden jedoch durch die Verwendung von niedrigen Photonenenergien behindert, was zu einer hohen Oberflächenempfindlichkeit führt. Die Oberflächen von Magnetit neigen jedoch aufgrund ihres polaren Charakters zu Rekonstruktionen, so dass ihre magnetischen und elektronischen Eigenschaften stark voneinander und vom Volumen abweichen können, abhängig von ihrer Oberflächenorientierung und ihrer spezifischen Präparation. In dieser Arbeit wird die intrinsische Bulk-Spinpolarisation von Magnetit am Fermi-Niveau (\(E_F\)) durch spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie an (111)-orientierten dünnen Filmen, die epitaktisch auf ZnO(0001) gewachsen sind, zu \(P(E_F) = -80^{+10}_{-20}\) % bestimmt. KW - Elektronenkorrelation KW - Elektronenspin KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie KW - Spinell KW - Perowskit KW - Winkel- und spin-aufgelöste Photoelektronenspektroskopie im harten Röntgenbereich KW - Momentum- and spin-resolved hard X-ray photoelectron spectroscopy KW - Elektronenspin KW - Electron spin KW - Time-of-flight energy recording KW - Imaging spin-filter Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-264757 ER - TY - JOUR A1 - Svensson, Sarah L. A1 - Sharma, Cynthia M. T1 - Small RNAs that target G-rich sequences are generated by diverse biogenesis pathways in Epsilonproteobacteria JF - Molecular Microbiology N2 - Bacterial small RNAs (sRNAs) are widespread post-transcriptional regulators that control bacterial stress responses and virulence. Nevertheless, little is known about how they arise and evolve. Homologs can be difficult to identify beyond the strain level using sequence-based approaches, and similar functionalities can arise by convergent evolution. Here, we found that the virulence-associated CJnc190 sRNA of the foodborne pathogen Campylobacter jejuni resembles the RepG sRNA from the gastric pathogen Helicobacter pylori. However, while both sRNAs bind G-rich sites in their target mRNAs using a C/U-rich loop, they largely differ in their biogenesis. RepG is transcribed from a stand-alone gene and does not require processing, whereas CJnc190 is transcribed from two promoters as precursors that are processed by RNase III and also has a cis-encoded antagonist, CJnc180. By comparing CJnc190 homologs in diverse Campylobacter species, we show that RNase III-dependent processing of CJnc190 appears to be a conserved feature even outside of C. jejuni. We also demonstrate the CJnc180 antisense partner is expressed in C. coli, yet here might be derived from the 3’UTR (untranslated region) of an upstream flagella-related gene. Our analysis of G-tract targeting sRNAs in Epsilonproteobacteria demonstrates that similar sRNAs can have markedly different biogenesis pathways. KW - sRNA biogenesis KW - Campylobacter jejuni KW - Helicobacter pylori KW - pathogenesis KW - RNase III Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259602 VL - 117 ER - TY - JOUR A1 - Prezza, Gianluca A1 - Ryan, Daniel A1 - Mädler, Gohar A1 - Reichardt, Sarah A1 - Barquist, Lars A1 - Westermann, Alexander J. T1 - Comparative genomics provides structural and functional insights into Bacteroides RNA biology JF - Molecular Microbiology N2 - Bacteria employ noncoding RNA molecules for a wide range of biological processes, including scaffolding large molecular complexes, catalyzing chemical reactions, defending against phages, and controlling gene expression. Secondary structures, binding partners, and molecular mechanisms have been determined for numerous small noncoding RNAs (sRNAs) in model aerobic bacteria. However, technical hurdles have largely prevented analogous analyses in the anaerobic gut microbiota. While experimental techniques are being developed to investigate the sRNAs of gut commensals, computational tools and comparative genomics can provide immediate functional insight. Here, using Bacteroides thetaiotaomicron as a representative microbiota member, we illustrate how comparative genomics improves our understanding of RNA biology in an understudied gut bacterium. We investigate putative RNA-binding proteins and predict a Bacteroides cold-shock protein homolog to have an RNA-related function. We apply an in silico protocol incorporating both sequence and structural analysis to determine the consensus structures and conservation of nine Bacteroides noncoding RNA families. Using structure probing, we validate and refine these predictions and deposit them in the Rfam database. Through synteny analyses, we illustrate how genomic coconservation can serve as a predictor of sRNA function. Altogether, this work showcases the power of RNA informatics for investigating the RNA biology of anaerobic microbiota members. KW - BT_1884 KW - cold-shock protein KW - GibS KW - RNA-binding proteins KW - secondary structure KW - 6S RNA Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259594 VL - 117 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Fries, Pascal T1 - On the rôle of entanglement in quantum field theory T1 - Über die Rolle von Verschränkung in der Quantenfeldtheorie N2 - In this thesis, I study entanglement in quantum field theory, using methods from operator algebra theory. More precisely, the thesis covers original research on the entanglement properties of the free fermionic field. After giving a pedagogical introduction to algebraic methods in quantum field theory, as well as the modular theory of Tomita-Takesaki and its relation to entanglement, I present a coherent framework that allows to solve Tomita-Takesaki theory for free fermionic fields in any number of dimensions. Subsequently, I use the derived machinery on the free massless fermion in two dimensions, where the formulae can be evaluated analytically. In particular, this entails the derivation of the resolvent of restrictions of the propagator, by means of solving singular integral equations. In this way, I derive the modular flow, modular Hamiltonian, modular correlation function, R\'enyi entanglement entropy, von-Neumann entanglement entropy, relative entanglement entropy, and mutual information for multi-component regions. All of this is done for the vacuum and thermal states, both on the infinite line and the circle with (anti-)periodic boundary conditions. Some of these results confirm previous results from the literature, such as the modular Hamiltonian and entanglement entropy in the vacuum state. The non-universal solutions for modular flow, modular correlation function, and R\'enyi entropy, however are new, in particular at finite temperature on the circle. Additionally, I show how boundaries of spacetime affect entanglement, as well as how one can define relative (entanglement) entropy and mutual information in theories with superselection rules. The findings regarding modular flow in multi-component regions can be summarised as follows: In the non-degenerate vacuum state, modular flow is multi-local, in the sense that it mixes the field operators along multiple trajectories, with one trajectory per component. This was already known from previous literature but is presented here in a more explicit form. In particular, I present the exact solution for the dynamics of the mixing process. What was not previously known at all, is that the modular flow of the thermal state on the circle is infinitely multi-local even for a connected region, in the sense that it mixes the field along an infinite, discretely distributed set, of trajectories. In the limit of high temperatures, all trajectories but the local one are pushed towards the boundary of the region, where their amplitude is damped exponentially, leaving only the local result. At low temperatures, on the other hand, these trajectories distribute densely in the region to either---for anti-periodic boundary conditions---cancel, or---for periodic boundary conditions---recover the non-local contribution due to the degenerate vacuum state. Proceeding to spacetimes with boundaries, I show explicitly how the presence of a boundary implies entanglement between the two components of the Dirac spinor. By computing the mutual information between the components inside a connected region, I show quantitatively that this entanglement decreases as an inverse square law at large distances from the boundary. In addition, full conformal symmetry (which is explicitly broken due to the presence of a boundary) is recovered from the exact solution for modular flow, far away from the boundary. As far as I know, all of these results are new, although related results were published by another group during the final stage of this thesis. Finally, regarding relative entanglement entropy in theories with superselection sectors, I introduce charge and flux resolved relative entropies, which are novel measures for the distinguishability of states, incorporating a charge operator, central to the algebra of observables. While charge resolved relative entropy has the interpretation of being a ``distinguishability per charge sector'', I argue that it is physically meaningless without placing a cutoff, due to infinite short-distance entanglement. Flux resolved relative entropy, on the other hand, overcomes this problem by inserting an Aharonov-Bohm flux and thus passing to a variant of the grand canonical ensemble. It takes a well defined value, even without putting a cutoff, and I compute its value between various states of the free massless fermion on the line, the charge operator being the total fermion number. N2 - In dieser Dissertation untersuche ich quantenmechanische Verschränkung mittels Methoden aus Theorie der Operatoralgebren. Genauer gesagt stelle ich eigene Forschung über die Verschränkungseigenschaften des freien Fermions vor. Die Arbeit beginnt mit einer pädagogischen Einführung in algebraische Quantenfeldtheorie und stellt die modulare Theorie nach Tomita und Takesaki, sowie ihre Verbindung zu Verschränkung vor. Darauffolgend stelle ich einen vollständigen Satz an Werkzeugen vor, mit dem Tomita-Takesaki-Theorie für freie fermionische Felder in beliebiger Anzahl von Dimenionen gelöst werden kann. Diese Werkzeuge wende ich dann auf das freie, masselose Dirac-Fermion in zwei Dimensionen an, wo die hergeleiteten Formeln exakt gelöst werden können. Dies beinhaltet insbesondere die Herleitung der Resolvente von Einschränkungen des Propagators mittels der analytischen Lösung singulärer Integralgleichungen. Daraus ergeben sich schließlich der modulare Fluss, der modulare Hamiltonian, der modulare Korrelator, Rényi Verschränkungsentropien, von-Neumann Verschränkungsentropien, relative Verschränkungsentropie und Transinformation für nicht-zusammenhängende Verschränkungsgebiete. Dies alles wird im Vakuum und bei endlicher Temperatur ausgearbeitet, für ein Fermion sowohl auf der Geraden, als auch auf dem Kreis mit (anti-)periodischen Randbedingungen. Einige der Ergebnisse, besipielsweise der modulare Hamiltonian und von-Neumann Verschränkungsentropie, bestätigen Resultate aus bereits existierender Literatur. Die nicht-universellen Lösungen für den modularen Fluss, den modularen Korrelator und die Rényi Verschränkungsentropie dagegen sind neu, insbesondere für den Fall des thermischen Zustandes auf dem Kreis. Zusätzlich demonstriere ich den Einfluss von Rändern der Raumzeit auf Verschränkung und zeige, wie man relative Entropie und Transinformation in Theorien mit Superselektionsregeln definieren kann. Die Ergebnisse bezüglich modularen Flusses in nicht-zusammenhängenden Gebieten lassen sich wie folgt zusammenfassen: Im nicht-entarteten Vakuum ist der modulare Fluss multi-lokal, was bedeutet, dass er Feldoperatoren entlang mehrerer Trajektorien -- eine pro Zusammenhangskomponente der Region -- untereinander vermischt. Dies war bereits vorher bekannt, allerdings folgt es sich hier in expliziter Form aus exakten Lösungen. Ein vollkommen neues Ergebnis ist, dass der modulare Fluss des thermischen Zustandes auf dem Kreis sogar für zusammenhängende Regionen multi-lokal ist: Er mischt Feldoperatoren entlang unendlich vieler, diskret verteilter Trajektorien in der Verschränkungsregion. Im Hochtemperaturgrenzwert befinden sich alle diese Trajektorien, bis auf die lokale, nahe am Rand der Region, wo ihre Amplitude exponentiell gedämpft wird -- es bleibt nur die lokale Lösung. Bei tiefen Temperaturen dagegen sind die Trajektorien dicht in der Region verteilt, sodass sie entweder (bei antiperiodischen Randbedingungen) sich durch destruktive Interferenz gegenseitig aufheben oder (bei periodischen Randbedingungen) durch konstruktive Interferenz einen nicht-lokalen Term erzeugen, der auf das entartete Vakuum zurückgeführt werden kann. Im Falle von Raumzeiten mit Rand zeige ich explizit, wie der Rand Verschränkung zwischen beiden Komponenten des Dirac-Spinors impliziert. Mit zunehmdendem Abstand vom Rand nimmt diese Verschränkung invers quadratisch ab, wie ich quantitativ durch Berechnung der Transinformation zwischen den Komponenten in einem zusammenhängenden Gebiet zeige. Zusätzlich lässt sich die volle konforme Symmetrie der Theorie (die durch den Rand explizit gebrochen wird) aus der exakten Lösung für den modularen Fluss wiederherstellen, indem man den Grenzwert eines weit entfernten Randes betrachtet. Meines Wissens sind alle diese Resultate neu, allerdings wurden während der Fertigstellung dieser Dissertation verwandte Ergebnisse von einer anderen Arbeitsgruppe veröffentlicht. Die letzten Resultate in dieser Arbeit beziehen sich auf die Untersuchung relativer Entropie in Systemen mit Superselektionsregeln. Hier führe ich neue informationstheoretische Maße für die Unterscheidbarkeit von Zuständen ein: Die ladungs- und flussbezogenen relativen Entropien. Beide werden mittels eines Ladungsoperators aus dem Zentrum der Observablenalgebra definiert. Während die ladungsbezogene relative Entropie sich physikalisch als "Unterscheidbarkeit pro Ladungssektor" interpretieren lässt, argumentiere ich, dass sie nur innerhalb eines Regularisierungsschemas physikalisch bedeutsam ist, da die universell unendliche Verschränkung auf kurzen Längenskalen sonst zu Widersrpüchen führt. Flussbezogene relative Entropie dagegen hat dieses Problem nicht: Durch das Hinzufügen eines Aharonov-Bohm-Flusses betrachtet man hier eine lokale Variante des großkanonischen Ensembles, wodurch sie sich auch ohne Regularisierung definieren und berechnen lässt. Ich berechne ihren Wert zwischen verschiedenen Zuständen des freien masselosen Fermions auf der Geraden. Die erhaltene Ladung ist hierbei die Gesamtzahl der Fermionen im System. KW - Quanteninformation KW - Algebraische Quantenfeldtheorie KW - Quantenfeldtheorie KW - Tomita-Takesaki-Theorie KW - Fermion KW - Free Fermion KW - Freies Fermion Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258465 ER - TY - THES A1 - Grohmann, Johannes Sebastian T1 - Model Learning for Performance Prediction of Cloud-native Microservice Applications T1 - Lernen von Modellen für die Performancevorhersage von Cloud-nativen Microservice Anwendungen N2 - One consequence of the recent coronavirus pandemic is increased demand and use of online services around the globe. At the same time, performance requirements for modern technologies are becoming more stringent as users become accustomed to higher standards. These increased performance and availability requirements, coupled with the unpredictable usage growth, are driving an increasing proportion of applications to run on public cloud platforms as they promise better scalability and reliability. With data centers already responsible for about one percent of the world's power consumption, optimizing resource usage is of paramount importance. Simultaneously, meeting the increasing and changing resource and performance requirements is only possible by optimizing resource management without introducing additional overhead. This requires the research and development of new modeling approaches to understand the behavior of running applications with minimal information. However, the emergence of modern software paradigms makes it increasingly difficult to derive such models and renders previous performance modeling techniques infeasible. Modern cloud applications are often deployed as a collection of fine-grained and interconnected components called microservices. Microservice architectures offer massive benefits but also have broad implications for the performance characteristics of the respective systems. In addition, the microservices paradigm is typically paired with a DevOps culture, resulting in frequent application and deployment changes. Such applications are often referred to as cloud-native applications. In summary, the increasing use of ever-changing cloud-hosted microservice applications introduces a number of unique challenges for modeling the performance of modern applications. These include the amount, type, and structure of monitoring data, frequent behavioral changes, or infrastructure variabilities. This violates common assumptions of the state of the art and opens a research gap for our work. In this thesis, we present five techniques for automated learning of performance models for cloud-native software systems. We achieve this by combining machine learning with traditional performance modeling techniques. Unlike previous work, our focus is on cloud-hosted and continuously evolving microservice architectures, so-called cloud-native applications. Therefore, our contributions aim to solve the above challenges to deliver automated performance models with minimal computational overhead and no manual intervention. Depending on the cloud computing model, privacy agreements, or monitoring capabilities of each platform, we identify different scenarios where performance modeling, prediction, and optimization techniques can provide great benefits. Specifically, the contributions of this thesis are as follows: Monitorless: Application-agnostic prediction of performance degradations. To manage application performance with only platform-level monitoring, we propose Monitorless, the first truly application-independent approach to detecting performance degradation. We use machine learning to bridge the gap between platform-level monitoring and application-specific measurements, eliminating the need for application-level monitoring. Monitorless creates a single and holistic resource saturation model that can be used for heterogeneous and untrained applications. Results show that Monitorless infers resource-based performance degradation with 97% accuracy. Moreover, it can achieve similar performance to typical autoscaling solutions, despite using less monitoring information. SuanMing: Predicting performance degradation using tracing. We introduce SuanMing to mitigate performance issues before they impact the user experience. This contribution is applied in scenarios where tracing tools enable application-level monitoring. SuanMing predicts explainable causes of expected performance degradations and prevents performance degradations before they occur. Evaluation results show that SuanMing can predict and pinpoint future performance degradations with an accuracy of over 90%. SARDE: Continuous and autonomous estimation of resource demands. We present SARDE to learn application models for highly variable application deployments. This contribution focuses on the continuous estimation of application resource demands, a key parameter of performance models. SARDE represents an autonomous ensemble estimation technique. It dynamically and continuously optimizes, selects, and executes an ensemble of approaches to estimate resource demands in response to changes in the application or its environment. Through continuous online adaptation, SARDE efficiently achieves an average resource demand estimation error of 15.96% in our evaluation. DepIC: Learning parametric dependencies from monitoring data. DepIC utilizes feature selection techniques in combination with an ensemble regression approach to automatically identify and characterize parametric dependencies. Although parametric dependencies can massively improve the accuracy of performance models, DepIC is the first approach to automatically learn such parametric dependencies from passive monitoring data streams. Our evaluation shows that DepIC achieves 91.7% precision in identifying dependencies and reduces the characterization prediction error by 30% compared to the best individual approach. Baloo: Modeling the configuration space of databases. To study the impact of different configurations within distributed DBMSs, we introduce Baloo. Our last contribution models the configuration space of databases considering measurement variabilities in the cloud. More specifically, Baloo dynamically estimates the required benchmarking measurements and automatically builds a configuration space model of a given DBMS. Our evaluation of Baloo on a dataset consisting of 900 configuration points shows that the framework achieves a prediction error of less than 11% while saving up to 80% of the measurement effort. Although the contributions themselves are orthogonally aligned, taken together they provide a holistic approach to performance management of modern cloud-native microservice applications. Our contributions are a significant step forward as they specifically target novel and cloud-native software development and operation paradigms, surpassing the capabilities and limitations of previous approaches. In addition, the research presented in this paper also has a significant impact on the industry, as the contributions were developed in collaboration with research teams from Nokia Bell Labs, Huawei, and Google. Overall, our solutions open up new possibilities for managing and optimizing cloud applications and improve cost and energy efficiency. N2 - Eine der Folgen der weltweiten Coronavirus-Pandemie ist die erhöhte Nachfrage und Nutzung von Onlinediensten in der gesamten Welt. Gleichzeitig werden die Performanceanforderungen an moderne Technologien immer strenger, da die Benutzer an höhere Standards gewöhnt sind. Diese gestiegenen Performance- und Verfügbarkeitsanforderungen, gepaart mit dem unvorhersehbaren Nutzerwachstum, führen dazu, dass ein zunehmender Anteil der Anwendungen auf Public-Cloud-Plattformen läuft, da diese eine bessere Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit versprechen. Da Rechenzentren bereits heute für etwa ein Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich sind, ist es von größter Bedeutung, den Ressourceneinsatz zu optimieren. Die gleichzeitige Erfüllung der steigenden und variierenden Ressourcen- und Performanceanforderungen ist nur durch eine Optimierung des Ressourcenmanagements möglich, ohne gleichzeitig zusätzlichen Overhead einzuführen. Dies erfordert die Erforschung und Entwicklung neuer Modellierungsansätze, um das Verhalten der laufenden Anwendungen mit möglichst wenigen Informationen zu verstehen. Das Aufkommen moderner Softwareparadigmen macht es jedoch zunehmend schwieriger, solche Modelle zu lernen und macht bisherige Modellierungstechniken unbrauchbar. Moderne Cloud-Anwendungen werden oft als eine Sammlung von feingranularen, miteinander verbundenen Komponenten, sogenannten Microservices, bereitgestellt. Microservicearchitekturen bieten massive Vorteile, haben aber auch weitreichende Auswirkungen auf die Performance der jeweiligen Systeme. Darüber hinaus wird das Microserviceparadigma häufig in Verbindung mit einer DevOps-Kultur eingesetzt, was zu häufigen Änderungen am Deployment oder der Anwendung selbst führt. Solche Anwendungen werden auch als cloud-native Anwendungen bezeichnet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der zunehmende Einsatz von sich ständig ändernden und in der Cloud gehosteten Microservice-Anwendungen eine Reihe von besonderen Herausforderungen für die Modellierung der Performance von modernen Anwendungen mit sich bringt. Darunter sind die Menge, Art und Struktur der Monitoringdaten, häufige Änderungen am Verhalten oder Veränderungen der zugrundeliegenden Infrastruktur. Das verstößt gegen gängige Annahmen des aktuellen Stands der Technik und eröffnet eine Forschungslücke für unsere Arbeit. In der vorliegenden Arbeit stellen wir fünf Techniken zum automatisierten Lernen von Performancemodellen für cloud-native Softwaresysteme vor. Wir erreichen dies durch die Kombination von maschinellem Lernen mit traditionellen Performance-Modellierungstechniken. Im Gegensatz zu früheren Arbeiten liegt unser Fokus auf in der Cloud gehosteten und sich ständig weiterentwickelnden Microservice-Architekturen, sogenannten cloud-nativen Anwendungen. Daher zielen unsere Beiträge darauf ab, die oben genannten Herausforderungen zu lösen, um automatisierte Performancemodelle mit minimalem Rechenaufwand und ohne manuellen Aufwand zu erzeugen. Abhängig vom jeweiligen Cloudmodell, eventuellen Datenschutzvereinbarungen oder den Möglichkeiten des Monitoringsframworks der jeweiligen Plattform, identifizieren wir verschiedene Anwendungsszenarien, in denen Techniken zur Modellierung, Vorhersage und Optimierung der Performance große Vorteile bieten können. Im Einzelnen sind die Beiträge dieser Arbeit wie folgt: Monitorless: Anwendungsagnostische Vorhersage von Performanceverschlechterung. Um die Performance einer Anwendung ausschliesslich mittels Monitoring auf Plattformebene zu verwalten, schlagen wir Monitorless vor, den ersten wirklich anwendungsunabhängigen Ansatz zur Erkennung von Performanceverschlechterungen. Wir verwenden maschinelles Lernen, um die Lücke zwischen Monitoring auf Plattformebene und anwendungsspezifischen Messungen zu schließen, wodurch das Monitoring auf Anwendungsebene überflüssig wird. Monitorless erstellt ein einziges und ganzheitliches Modell der Ressourcensättigung, das auch für heterogene und nicht im Training enthaltene Anwendungen verwendet werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Monitorless ressourcenbasierte Performanceverschlechterungen mit einer Genauigkeit von 97% erkennt. Darüber hinaus zeigt es ähnliche Leistungen wie typische Autoscalinglösungen, obwohl es weniger Monitoringinformationen verwendet. SuanMing: Vorhersage von Performanceverschlechterung mithilfe von Tracing. Wir führen SuanMing ein, um Performanceprobleme zu entschärfen, bevor sie sich auf das Benutzererlebnis auswirken. Dieser Beitrag wird in Szenarien angewendet, in denen Tracing-Tools das Monitoring auf Anwendungsebene ermöglichen. SuanMing sagt erklärbare Ursachen für erwartete Performanceeinbußen voraus und verhindert diese, bevor sie auftreten. Evaluationsergebnisse zeigen, dass SuanMing zukünftige Performanceeinbußen mit einer Genauigkeit von über 90% vorhersagen und lokalisieren kann. SARDE: Kontinuierliche und autonome Schätzung des Ressourcenbedarfs. Wir stellen SARDE vor, um Performancemodelle für hochvariable Anwendungen zu lernen. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die kontinuierliche Schätzung des Ressourcenbedarfs von Anwendungen, einem wichtigen Parameter in Performancemodellen. SARDE ist ein autonomes Ensembleverfahren zum Schätzen. Es wählt dynamisch und kontinuierlich aus einem Ensemble von Ansätzen, optimiiert diese, und führt sie aus, um den Ressourcenbedarf als Reaktion auf Änderungen in der Anwendung oder ihrer Umgebung zu schätzen. Durch kontinuierliche Online-Anpassung erreicht SARDE in unserer Evaluation effizient einen durchschnittlichen Fehler bei der Schätzung des Ressourcenbedarfs von 15,96%. DepIC: Lernen parametrischer Abhängigkeiten aus Monitoringdaten. DepIC nutzt Techniken zu Featureauswahl in Kombination mit einem Ensemble-Regressionsansatz, um parametrische Abhängigkeiten automatisch zu identifizieren und zu charakterisieren. Obwohl parametrische Abhängigkeiten die Genauigkeit von Performancemodellen deutlich verbessern können, ist DepIC der erste Ansatz, der solche parametrischen Abhängigkeiten automatisch aus passiven Monitoringdatenströmen lernt. Unsere Evaluation zeigt, dass DepIC eine Genauigkeit von 91,7% bei der Identifizierung von Abhängigkeiten erreicht und den Fehler bei der Charakterisierungsvorhersage um 30% im Vergleich zum besten individuellen Ansatz reduziert. Baloo: Modellierung des Konfigurationsraums von Datenbanken. Um die Auswirkungen verschiedener Konfigurationseinstellungen in verteilten Datenbankmanagementsystemen zu untersuchen, führen wir Baloo ein. Unser letzter Beitrag modelliert den Konfigurationsraum von Datenbanken unter Berücksichtigung der Messungsvariabilitäten der Cloud. Genauer gesagt, schätzt Baloo dynamisch die erforderliche Anzahl der Benchmarkmessungen und baut automatisch ein Konfigurationsraummodell eines gegebenen Datenbankmanagementsystems auf. Unsere Evaluation von Baloo auf einem aus 900 Konfigurationspunkten bestehenden Datensatz zeigt, dass das Framework einen Vorhersagefehler von weniger als 11% erreicht und gleichzeitig bis zu 80% des Messaufwands einspart. Obwohl die Beiträge an sich orthogonal zueinander ausgerichtet sind, bilden sie zusammengenommen einen ganzheitlichen Ansatz für das Performancemanagement von modernen cloud-nativen Microservice-Anwendungen. Unsere Beiträge sind ein bedeutender Schritt, da sie speziell auf neuartige und cloud-native Paradigmen für Softwareentwicklung und Betrieb abzielen, sowie die Fähigkeiten bisheriger Ansätze übertreffen. Darüber hinaus hat die in dieser Arbeit vorgestellte Forschung auch einen bedeutenden Einfluss auf die Industrie, da die Beiträge in Zusammenarbeit mit Forschungsteams von Nokia Bell Labs, Huawei und Google entwickelt wurden. Insgesamt eröffnen unsere Lösungen neue Möglichkeiten für die Verwaltung und Optimierung von Cloudanwendungen und verbessern so die Kosten- und Energieeffizienz. KW - Cloud Computing KW - Verteiltes System KW - Maschinelles Lernen KW - Performance KW - Microservice KW - Cloud-native KW - Mikroservice Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261608 ER - TY - JOUR A1 - Hiew, Shawn A1 - Nguemeni, Carine A1 - Zeller, Daniel T1 - Efficacy of transcranial direct current stimulation in people with multiple sclerosis: a review JF - European Journal of Neurology N2 - Background and purpose Multiple sclerosis (MS) is a chronic inflammatory disease causing a wide range of symptoms including motor and cognitive impairment, fatigue and pain. Over the last two decades, non-invasive brain stimulation, especially transcranial direct current stimulation (tDCS), has increasingly been used to modulate brain function in various physiological and pathological conditions. However, its experimental applications for people with MS were noted only as recently as 2010 and have been growing since then. The efficacy for use in people with MS remains questionable with the results of existing studies being largely conflicting. Hence, the aim of this review is to paint a picture of the current state of tDCS in MS research grounded on studies applying tDCS that have been done to date. Methods A keyword search was performed to retrieve articles from the earliest article identified until 14 February 2021 using a combination of the groups (1) ‘multiple sclerosis’, ‘MS’ and ‘encephalomyelitis’ and (2) ‘tDCS’ and ‘transcranial direct current stimulation’. Results The analysis of the 30 articles included in this review underlined inconsistent effects of tDCS on the motor symptoms of MS based on small sample sizes. However, tDCS showed promising benefits in ameliorating fatigue, pain and cognitive symptoms. Conclusion Transcranial direct current stimulation is attractive as a non-drug approach in ameliorating MS symptoms, where other treatment options remain limited. The development of protocols tailored to the individual's own neuroanatomy using high definition tDCS and the introduction of network mapping in the experimental designs might help to overcome the variability between studies. KW - transcranial direct current stimulation KW - cognitive KW - effects KW - motor KW - multiple sclerosis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259424 VL - 29 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Wallstabe, Lars T1 - Development and preclinical evaluation of tumour-reactive T cells expressing a chemically programmable chimeric antigen receptor T1 - Entwicklung und präklinische Evaluierung tumorreaktiver T- Zellen, die einen chemisch programmierbaren chimären Antigenrezeptor exprimieren N2 - The genetic modification of T cells for the expression a chimeric antigen receptor (CAR) endows them with a new specificity for an antigen. Adoptive immunotherapy with CD19-CAR T cells has achieved high rates of sustained complete remissions in B cell malignancies. However, the downregulation or loss of the targeted antigen after mono-specific CAR T cell therapy, e.g. against CD19 or CD22, has been reported. Targeting multiple antigens on tumour cells, sequentially or simultaneously, could overcome this limitation. Additionally, targeting multiple antigens with CAR T cells could drive the translation from hematologic malignancies to prevalent solid cancers, which often express tumour-associated antigens heterogeneously. We hypothesised that expression of a universal CAR, which can be programmed with hapten-like molecules, could endow T cells with specificities for multiple antigens. In this study we introduce a novel chemically programmable CAR (cpCAR) based on monoclonal antibody h38C2. Our data show, that cpCARs form a reversible chemical bond to molecules containing a diketone-group and therefore can be programmed to acquire multiple specificities. We programmed cpCAR T cells with hapten-like compounds against integrins αvβ3 and α4β1 as well as the folate receptor. We observed tumour cell lysis, IFN ɣ and IL-2 production and proliferation of programmed cpCAR T cells against tumour cells expressing the respective target antigen in vitro. As a reference to cpCARs programmed against αvβ3, we further introduced novel conventional αvβ3-CARs. These CARs, based on humanised variants of monoclonal antibody LM609 (hLM609), directly bind to integrin αvβ3 via their scFv. The four αvβ3-CAR constructs comprised either an scFv with higher affinity (hLM609v7) or lower affinity (hLM609v11) against αvβ3 integrin and either a long (IgG4 hinge, CH2, CH3) or short (IgG4 hinge) extracellular spacer. We selected the hLM609v7-CAR with short spacer, which showed potent anti-tumour reactivity both in vitro and in a murine xenograft model, for comparison with the cpCAR programmed against αvβ3. Our data show specific lysis of αvβ3-positive tumour cells, cytokine production and proliferation of both hLM609-CAR T cells and cpCAR T cells in vitro. However, conventional hLM609-CAR T cells mediated stronger anti-tumour effects compared to cpCAR T cells in the same amount of time. In line with the in vitro data, complete destruction of tumour lesions in a murine melanoma xenograft model was only observed for mice treated with conventional αvβ3-CAR T cells. Collectively, we introduce a cpCAR, which can be programmed against multiple tumour antigens, and hLM609-CARs specific for the integrin αvβ3. The cpCAR technology bears the potential to counteract current limitations, e.g. antigen loss, of current monospecific CAR T cell therapy. Targeting αvβ3 integrin with CAR T cells could have clinical applications in the treatment of solid malignancies, because αvβ3 is not only expressed on a variety of solid malignancies, but also on tumour-associated vasculature and fibroblast. N2 - T Zellen können durch genetische Modifizierung zur Expression eines chimären Antigen-Rezeptors (CAR) neue Antigenspezifität erhalten. Durch adoptive Immuntherapie mit CD19-CAR T Zellen können hohe Raten von anhaltenden vollständigen Remissionen bei Patienten mit malignen B-Zell-Erkrankungen erzielt werden. In klinischen Studien mit mono-spezifischen CAR T Zellen wurden allerdings der Verlust oder eine verringerte Expression der Ziel-Antigene, z.B. CD19 oder CD22, auf Tumor-Zellen beobachtet. Außerdem sind bei soliden Krebserkrankungen tumor¬assoziierte Antigene häufig unterschiedlich stark auf Krebszellen exprimiert. Wir haben die Hypothese aufgestellt, dass CARs, die mit einem hapten-ähnlichen Molekül programmiert werden können, es ermöglichen, mehrere Antigene mit einer T-Zelle anzugreifen. In dieser Arbeit stellen wir einen neuartigen chemisch programmierbaren CAR (cpCAR) auf Basis des monoklonalen Antikörpers h38C2 vor. Unsere Daten zeigen, dass cpCARs eine reversible chemische Bindung zu Molekülen mit einer Diketongruppe bilden und daher so programmiert werden können, dass sie mehrere Spezifitäten aufweisen. Wir haben cpCAR T Zellen mit hapten-ähnlichen Molekülen gegen die Integrine αvβ3 und α4β1 sowie den Folat-Rezeptor programmiert. In vitro beobachteten wir sowohl die spezifische Lyse von Tumorzellen als auch T-Zell-Proliferation und Sekretion von IFN ɣ und IL-2 durch programmierte cpCAR T Zellen als Reaktion auf Antigen positive Tumorzellen. Als Referenz zu cpCARs, die gegen αvβ3 programmiert wurden, haben wir in dieser Arbeit zudem neue konventionelle αvβ3-CARs vorgestellt. Diese basieren auf humanisierten Varianten des monoklonalen Antikörpers LM609 (hLM609) und binden mittels ihres scFv direkt an Integrin αvβ3. Die vier αvβ3-CAR-Konstrukte enthielten entweder ein scFv mit höherer Affinität (hLM609v7) oder niedrigerer Affinität (hLM609v11) gegenüber αvβ3 und entweder einem langen (IgG4-Hinge, CH2, CH3) oder einem kurzen (IgG4-Hinge) extrazellulären „Spacer“. Für den Vergleich von konventionellem CAR und cpCAR wählten wir den hLM609v7-CAR mit kurzem „Spacer“. T Zellen, die diesen CAR exprimierten, vermittelten eine starke Anti-Tumor Reaktion sowohl in vitro als auch in einem Maus-Xenograft Modell. Unsere in vitro Daten zeigen spezifische Lyse von αvβ3-positiven Tumorzellen, Sekretion von Zytokinen und Proliferation sowohl durch hLM609-CAR T-Zellen als auch durch cpCAR T-Zellen. Konventionelle hLM609-CAR T Zellen vermittelten jedoch in gleicher Zeit eine stärkere Anti-Tumorwirkung als cpCAR T-Zellen. Zusammengefasst präsentieren wir in dieser Arbeit einen cpCAR, der gegen mehrere Tumorantigene programmiert werden kann, und hLM609-CARs, die spezifisch für das Integrin αvβ3 sind. Die cpCAR-Technologie birgt das Potenzial, aktuellen Limitationen der mono-spezifischen CAR-T-Zelltherapie, z.B. dem Antigen¬verlust, entgegenzuwirken. Zudem könnte das Integrin αvβ3 klinische Anwendung bei der Behandlung von soliden Tumoren finden, da es nicht nur auf einer Reihe von Tumor-Entitäten, sondern auch auf Tumor-assoziiertem Gewebe zu finden ist. KW - Tumorimmunologie KW - chimeric antigen receptor Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-179071 ER - TY - THES A1 - Xu, Wenshan T1 - Regulation of the DNA Damage Response by the Ubiquitin System T1 - Regulierung der DNA-Schadensreaktion durch das Ubiquitin System N2 - DNA damage occurs frequently during normal cellular progresses or by environmental factors. To preserve the genome integrity, DNA damage response (DDR) has evolved to repair DNA and the non-properly repaired DNA induces human diseases like immune deficiency and cancer. Since a large number of proteins involved in DDR are enzymes of ubiquitin system, it is critical to investigate how the ubiquitin system regulates cellular response to DNA damage. Hereby, we reveal a novel mechanism for DDR regulation via activation of SCF ubiquitin ligase upon DNA damage. As an essential step for DNA damage-induced inhibition of DNA replication, Cdc25A degradation by the E3 ligase β-TrCP upon DNA damage requires the deubiquitinase Usp28. Usp28 deubiquitinates β-TrCP in response to DNA damage, thereby promotes its dimerization, which is required for its activity in substrate ubiquitination and degradation. Particularly, ubiquitination at a specific lysine on β-TrCP suppresses dimerization. The key mediator protein of DDR, 53BP1, forms oligomers and associates with β-TrCP to inhibit its activity in unstressed cells. Upon DNA damage, 53BP1 is degraded in the nucleoplasm, which requires oligomerization and is promoted by Usp28 in a β-TrCP-dependent manner. Consequently, 53BP1 destruction releases and activates β-TrCP during DNA damage response. Moreover, 53BP1 deletion and DNA damage promote β-TrCP dimerization and recruitment to chromatin sites that locate in the vicinity of putative replication origins. Subsequently, the chromatin-associated Cdc25A is degraded by β-TrCP at the origins. The stimulation of β-TrCP binding to the origins upon DNA damage is accompanied by unloading of Cdc45, a crucial component of pre-initiation complexes for replication. Loading of Cdc45 to origins is a key Cdk2-dependent step for DNA replication initiation, indicating that localized Cdc25A degradation by β-TrCP at origins inactivates Cdk2, thereby inhibits the initiation of DNA replication. Collectively, this study suggests a novel mechanism for the regulation of DNA replication upon DNA damage, which involves 53BP1- and Usp28-dependent activation of the SCF(β-TrCP) ligase in Cdc25A degradation. N2 - DNA-Schäden treten häufig in Folge zellulären Fortschrittes oder durch externe Faktoren auf. Um die Integrität des Genoms zu bewahren und DNA Schäden zu reparieren, die Ursache für viele Autoimmunkrankheiten und Krebs sind, hat sich ein durch DNA Schäden getriggertes Geflecht aus Reparaturprozessen (englisch: “DNA damage response (DDR)”) entwickelt. Hierbei ist es von großem Interesse zu verstehen, wie das Ubiquitin-Proteasom-System die zelluläre Antwort auf DNA-Schäden reguliert. Wir konnten zeigen, dass die SCF Ubiquitin Ligase β-TrCP durch geschädigte DNA aktiviert wird, was einen bisher unbekannten Mechanismus für die Regulation der DDR darstellt. Für den grundlegenden Schritt der durch DNA Schäden ausgelösten Inhibition der DNA Replikation – der Abbau von Cdc25A durch die E3 Ligase β-TrCP – wird die Deubiquitinase Usp28 benötigt. Diese deubiquitiniert β-TrCP als Antwort auf DNA-Schäden und fördert dadurch seine Dimerisierung, die für die Substrat-Ubiquitinierung und dem anschließenden Abbau erforderlich ist. Hierbei unterdrückt die Ubiquitinierung eines spezifischen Lysin-Rests von β-TrCP dessen Dimerisierung. Das Schlüsselprotein vom DDR, 53BP1, oligomerisiert und assoziiert mit β-TrCP, was seine Aktivität in gesunden Zellen inhibiert. Auf DNA-Schäden hin oligomerisiert 53BP1 und wird mit Hilfe von Usp28 abhängig von β-TrCP im Nukleoplasma abgebaut. Durch den Abbau von 53BP1 wird β-TrCP freigesetzt, aktiviert und kann auf DNA Schäden reagieren. Die Deletion von 53BP1 fördert die Dimerisierung von β-TrCP. Die Reparaturmaschinerie wird daraufhin an Stellen des Chromatins rekrutiert, die in der Nähe von vermeintlichen Replikationsursprüngen liegen. Chromatin-assoziiertes Cdc25A wird dann durch β-TrCP ubiquitiniert. Die Bindung von β-TrCP an die Replikationsursprünge in Folge von DNA Schädigung wird begleitet von der Freisetzung von Cdc45, das eine entscheidende Komponente des Präinitiationskomplexes darstellt. Das Beladen von Cdc45 an die Replikationsursprünge stellt eine Schlüsselfunktion der Cdc25A-abhängigen DNA Replikationsinititation dar. Gezielter Abbau von Cdc25A durch β-TrCP an den Replikationsursprüngen inaktiviert Cdk2 und inhibiert dadurch DNA Replikation. Zusammenfassend lässt sich konstatieren, dass unsere Studien einen neuartigen Mechanismus für die Regulation der DNA Replikation auf DNA Schäden hin aufgezeigt haben, der die 53BP1- und Usp28-abhängige Aktivierung der SCF(β-TrCP) Ubiquitin Ligase im Abbau von Cdc25A beinhaltet. KW - DNS-Schädigung KW - DNS-Reparatur KW - Ubiquitin KW - DNA damage KW - Ubiquitin system Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-160064 ER - TY - THES A1 - Hauptstein, Julia T1 - Hyaluronic Acid-based Multifunctional Bioinks for 3D Bioprinting of Mesenchymal Stromal Cells for Cartilage Regeneration T1 - Hyaluronsäure-basierte multifunktionale Biotinten für den 3D Biodruck von mesenchymalen Stromazellen zur Knorpelregeneration N2 - Articular cartilage is a highly specialized tissue which provides a lubricated gliding surface in joints and thereby enables low-friction movement. If damaged once it has a very low intrinsic healing capacity and there is still no treatment in the clinic which can restore healthy cartilage tissue. 3D biofabrication presents a promising perspective in the field by combining healthy cells and bioactive ink materials. Thereby, the composition of the applied bioink is crucial for defect restoration, as it needs to have the physical properties for the fabrication process and also suitable chemical cues to provide a supportive environment for embedded cells. In the last years, ink compositions with high polymer contents and crosslink densities were frequently used to provide 3D printability and construct stability. But these dense polymeric networks were often associated with restricted bioactivity and impaired cell processes like differentiation and the distribution of newly produced extracellular matrix (ECM), which is especially important in the field of cartilage engineering. Therefore, the aim of this thesis was the development of hyaluronic acid (HA)-based bioinks with a reduced polymer content which are 3D printable and additionally facilitate chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells (MSCs) and the homogeneous distribution of newly produced ECM. Starting from not-printable hydrogels with high polymer contents and restricted bioactivity, distinct stepwise improvements were achieved regarding stand-alone 3D printability as well as MSC differentiation and homogeneous ECM distribution. All newly developed inks in this thesis made a valuable contribution in the field of cartilage regeneration and represent promising approaches for potential clinical applications. The underlying mechanisms and established ink design criteria can further be applied to other biofabricated tissues, emphasizing their importance also in a more general research setting. N2 - Gelenkknorpel ermöglicht durch seine gleitfähige Oberfläche reibungsarme Bewegungen der Gelenke. Ist der Knorpel jedoch einmal geschädigt, kann er sich kaum selbst regenerieren und es gibt noch keine klinische Lösung, die das native Gewebe wiederherstellen kann. Ein vielversprechender Ansatz im Feld ist die 3D Biofabrikation, da sie gesunde Zellen mit bioaktiven Tintenmaterialen kombiniert. Hierbei ist die Zusammensetzung der Tinte besonders wichtig für die Funktionsweise des Konstruktes, da sie sowohl die physikalischen Voraussetzungen für den 3D Druck als auch die biologische Unterstützung für die Zellkultivierung mitbringen muss. Bisher wurden häufig Tintenzusammensetzungen mit hohen Polymergehalten und Vernetzungsdichten verwendet, um 3D-Druckbarkeit und Konstruktstabilität zu gewährleisten. Das verursachte jedoch häufig eine eingeschränkte Bioaktivität und die Beeinträchtigung von Zellprozessen wie Differenzierung und der Verteilung der neu gebildeten Extrazellulärmatrix (ECM), die insbesondere in der Knorpelregeneration von großer Bedeutung ist. Daher war das Ziel dieser Arbeit 3D-druckbare Tinten auf Hyaluronsäure (HA)-Basis mit reduziertem Polymergehalt zu entwickeln, die die chondrogene Differenzierung von mesenchymalen Stromazellen (MSCs) unterstützen und eine homogene Verteilung der neu produzierten ECM ermöglichen. Ausgehend von nicht-druckbaren Hydrogelen mit hohem Polymergehalt und eingeschränkter Bioaktivität wurde eine schrittweise Verbesserung hinsichtlich 3D-Druckbarkeit, MSC-Differenzierung und homogener ECM-Verteilung erreicht. Alle hier neu entwickelten Tinten leisten einen wertvollen Beitrag auf dem Gebiet der Knorpelregeneration mit Potenzial zur klinischen Anwendung. Die zugrunde liegenden Mechanismen und etablierten Designkriterien können weiterhin auch auf andere biofabrizierte Gewebe übertragen werden, was ihre Bedeutung auch für ein weiter gefasstes Forschungsfeld unterstreicht. KW - Hyaluronsäure KW - 3D-Druck KW - Mesenchymale Stromazelle KW - Gelenkknorpel KW - Extrazelluläre Matrix KW - Chondrogenic Differentiation KW - Biofabrication KW - Bioink KW - Cartilage Tissue Engineering KW - Bioprinting KW - Hyaluronic Acid KW - Mesenchymal Stromal Cell Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260681 ER - TY - THES A1 - Wiese, Teresa T1 - Pharmacological targeting of acid sphingomyelinase increases CD4\(^+\) Foxp3\(^+\) regulatory T cell subsets in patients with major depression T1 - Pharmakologische Hemmung der sauren Sphingomyelinase verstärkt CD4\(^+\) Foxp3\(^+\) regulatorische T-Zell-Subpopulationen bei Patienten mit Depression N2 - Lack of acid sphingomyelinase (ASM) activity, either through genetic deficiency or through pharmacological inhibition, is linked with increased activity and frequency of Foxp3+ regulatory T cells (Treg) among cluster of differentiation (CD) 4+ T cells in mice in vivo and in vitro1. Thus, pharmacological blockade of ASM activity, which catalyzes the cleavage of sphingomyelin to ceramide and phosphocholine, might be used as a new therapeutic mechanism to correct numeric and/ or functional Treg de-ficiencies in diseases like multiple sclerosis or major depression. In the present study, the effect of pharmacological inhibition of ASM in humans, in vitro and in vivo, was analyzed. In the in vitro experiments, peripheral blood mono-nuclear cells (PBMC) of healthy human blood donors were treated with two widely prescribed antidepressants with high (sertraline, Ser) or low (citalopram, Cit) capaci-ty to inhibit ASM activity. Similar to the findings in mice an increase in the frequency of Treg among human CD4+ T cells upon inhibition of ASM activity was observed. For the analysis in vivo, a prospective study of the composition of the CD4+ T cell com-partment of patients treated for major depression was done. The data show that pharmacological inhibition of ASM activity was superior to antidepressants with little or no ASM-inhibitory activity in increasing CD45RA- CD25high effector Treg (efTreg) frequencies among CD4+ T cells to normal levels. Independently of ASM inhibition, correlating the data with the clinical response, i.e. improvement of the Hamilton rat-ing scale for depression (HAMD) by at least 50 per cent (%) after four weeks of treatment, it was found that an increase in efTreg frequencies among CD4+ cells dur-ing the first week of treatment identified patients with a clinical response. Regarding the underlying mechanism, it could be found that the positive effect of ASM inhibition on Treg required CD28 co-stimulation suggesting that enhanced CD28 co-stimulation was the driver of the observed increase in the frequency of Treg among human CD4+ T cells. Inhibition of ASM activity was further associated with changes in the expression and shuttling of CTLA-4, a key inhibitory molecule ex-pressed by Treg, between cellular compartments but the suppressive activity of CTLA-4 through its transendocytosis activity was unaffected by the inhibition of ASM activity. In summary, the frequency of (effector) Treg among CD4+ T cells in mice and in hu-mans is increased after inhibition of ASM activity suggesting that ASM blockade might beneficially modulate autoimmune diseases and depression-promoting in-flammation. N2 - Ein Mangel an Aktivität der sauren Sphingomyelinase (ASM), entweder durch ge-netisches Defizit oder durch pharmakologische Hemmung, ist mit einer erhöhten Aktivität und Häufigkeit von Foxp3+ regulatorischen T-Zellen (Treg) innerhalb der CD4+ (cluster of differentation 4) T-Zellen in Mäusen in vivo und in vitro verbun-den1. Daher könnte die pharmakologische Blockade der ASM-Aktivität, die die Spaltung von Sphingomyelin in Ceramid und Phosphocholin katalysiert, als neuer therapeutischer Mechanismus zur Korrektur von numerischen und/oder funktionel-len Treg-Defiziten bei Erkrankungen wie Multipler Sklerose oder schwerer Depres-sion eingesetzt werden. In der vorliegenden Studie wurde die Wirkung der pharmakologischen Hemmung von ASM beim Menschen, in vitro und in vivo analysiert. In den In-vitro-Experimenten wurden die peripheren mononukleären Blutzellen (PBMC) gesunder menschlicher Blutspender mit zwei weithin verschriebenen Antidepressiva mit ho-her (Sertralin, Ser) oder niedriger (Citalopram, Cit) Fähigkeit zur Hemmung der ASM-Aktivität untersucht. Ähnlich wie bei Mäusen wurde bei Hemmung der ASM-Aktivität ein Anstieg der Häufigkeit von Treg innerhalb der menschlichen CD4+ T-Zellen festgestellt. Für die Analyse in vivo wurde eine prospektive Studie über die Zusammensetzung des CD4+ T-Zellkomplexes bei Patienten, die wegen einer De-pression im Krankenhaus behandelt wurden, durchgeführt. Die Daten zeigen, dass die pharmakologische Hemmung der ASM-Aktivität Antidepressiva mit ge-ringer oder keiner ASM-hemmenden Aktivität überlegen war, was die Vermehrung der CD45RA- CD25hoch-Effektor-Treg (efTreg)-Frequenzen innerhalb der CD4+ T-Zellen betraf. Unabhängig von der Untersuchung zur ASM-Aktivität beobachteten wir, dass die klinische Reaktion (d.h. der Verbesserung der Hamilton-Bewertungsskala für Depressionen (HAMD) um mindestens 50 Prozent (%) nach vierwöchiger Behandlung) mit einem frühen Anstieg der efTreg-Frequenzen unter CD4+-Zellen während der ersten Behandlungswoche positiv korrelierte. Hinsichtlich des zugrunde liegenden Mechanismus konnte festgestellt werden, dass die positive Wirkung der ASM-Hemmung auf Treg eine CD28-Kostimulation erforderte, was darauf hindeutet, dass eine verstärkte CD28-Kostimulation die Ur-sache für den beobachteten Anstieg der Frequenz von Treg innerhalb menschli-cher CD4+ T-Zellen war. Die Hemmung der ASM-Aktivität war darüber hinaus mit Veränderungen in der Expression und im zellulären Umsatz von CTLA-4, einem von Treg exprimierten inhibitorischen Schlüsselmolekül, verbunden. Die suppressi-ve Aktivität von CTLA-4 durch seine Transendozytose-Aktivität wurde jedoch durch die Hemmung der ASM-Aktivität nicht beeinflusst. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Häufigkeit von (Effektor-)Treg unter-halb der CD4+ T-Zellen in Mäusen und beim Menschen nach Hemmung der ASM-Aktivität erhöht ist, was darauf hindeutet, dass eine ASM-Blockade Autoimmuner-krankungen und depressionsfördernde Entzündungen vorteilhaft modulieren könn-te. KW - Treg KW - CD28 KW - ASM KW - CTLA-4 KW - Major depression KW - Ceramid Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-233471 ER - TY - THES A1 - Vardapour, Romina T1 - Mutations in the DROSHA/DGCR8 microprocessor complex in high-risk blastemal Wilms tumor T1 - Mutationen des DROSHA/DGCR8 Mikroprozessor-Komplexes in blastemreichen Hochrisiko-Wilms Tumoren N2 - Wilms tumor (WT) or nephroblastoma is the most common kidney tumor in childhood. Several genetic alterations have been identified in WT over the past years. However, a clear-cut underlying genetic defect has remained elusive. Growing evidence suggests that miRNA processing genes play a major role in the formation of pediatric tumors, including WT. We and others have identified the microprocessor genes DROSHA and DGCR8 as key players in Wilms tumorigenesis. Exome sequence analysis of a cohort of blastemal-type WTs revealed the recurrent hotspot mutations DROSHA E1147K and DGCR8 E518K mapping to regions important for catalyic activity and RNA-binding. These alterations were expected to affect processing of miRNA precursors, ultimately leading to altered miRNA expression. Indeed, mutated tumor samples were characterized by distinct miRNA patterns. Notably, these mutations have been observed almost exclusively in WT, suggesting that they play a specific role in WT formation. The aim of the present work was to first examine the mutation frequency of DROSHA E1147K and DGCR8 E518K in a larger cohort of WTs, and to further characterize these microprocessor gene mutations as potential oncogenic drivers for WT formation. Screening of additional 700 WT samples by allele-specific PCR revealed a high frequency of DROSHA E1147K and DGCR8 E518K mutations, with the highest incidence found in tumors of high-risk histology. DROSHA E1147K was heterozygously expressed in all cases, which strongly implies a dominant negative effect. In contrast, DGCR8 E518K exclusively exhibited homozygous expression, suggestive for the mutation to act recessive. To functionally assess the mutations of the microprocessor complex in vitro, I generated stable HEK293T cell lines with inducible overexpression of DROSHA E1147K, and stable mouse embryonic stem cell (mESC) lines with inducible overexpression of DGCR8 E518K. To mimic the homozygous expression observed in WT, DGCR8 mESC lines were generated on a DGCR8 knockout background. Inducible overexpression of wild-type or mutant DROSHA in HEK293T cells showed that DROSHA E1147K leads to a global downregulation of miRNA expression. It has previously been shown that the knockout of DGCR8 in mESCs also results in a significant downregulation of canonical miRNAs. Inducible overexpression of wild type DGCR8 rescued this processing defect. DGCR8 E518K on the other hand, only led to a partial rescue. Differentially expressed miRNAs comprised members of the ESC cell cycle (ESCC) and let-7 miRNA families whose antagonism is known to play a pivotal role in the regulation of stem cell properties. Along with altered miRNA expression, DGCR8-E518K mESCs exhibited alterations in target gene expression potentially affecting various biological processes. We could observe decreased proliferation rates, most likely due to reduced cell viability. DGCR8-E518K seemed to be able to overcome the block of G1-S transition and to rescue the cell cycle defect in DGCR8-KO mESCs, albeit not to the full extent like DGCR8-wild-type. Moreover, DGCR8-E518K appeared to be unable to completely block epithelial-to-mesenchymal transition (EMT). Embryoid bodies (EBs) with the E518K mutation, however, were still able to silence the self-renewal program rescuing the differentiation defect in DGCR8-KO mESCs. Taken together, I could show that DROSHA E1147K and DGCR8 E518K are frequent events in WT with the highest incidence in high-risk tumor entities. Either mutation led to altered miRNA expression in vitro confirming our previous findings in tumor samples. While the DROSHA E1147K mutation resulted in a global downregulation of canonical miRNAs, DGCR8 E518K was able to retain significant activity of the microprocessor complex, suggesting that partial reduction of activity or altered specificity may be critical in Wilms tumorigenesis. Despite the significant differences found in the miRNA and mRNA profiles of DGCR8 E518K and DGCR8-wild-type mESCs, functional analysis showed that DGCR8 E518K could mostly restore important cellular functions in the knockout and only slightly differed from the wild-type situation. Further studies in a rather physiological environment, such as in a WT blastemal model system, may additionally help to better assess the subtle differences between DGCR8 E518K and DGCR8 wild-type observed in our mESC lines. Together with our findings, these model systems may thus contribute to better understand the role of these microprocessor mutations in the formation of WT. N2 - Der Wilms Tumor (WT), auch Nephroblastom genannt, ist der häufigste Nierentumor im Kindesalter. In den letzten Jahren wurden bereits mehrere genetische Veränderungen in Wilms Tumoren festgestellt. Bisher konnte jedoch keine eindeutige genetische Ursache gefunden werden. Immer mehr Erkenntnisse deuten darauf hin, dass miRNA Prozessierungsgene eine wichtige Rolle bei der Entstehung von pädiatrischen Tumoren, einschließlich von WT, spielen. Uns ist es gelungen die Mikroprozessor-Gene DROSHA und DGCR8 als entscheidende Faktoren in der WT-Entstehung zu identifizieren. Mit Hilfe der Exom-Sequenzierung einer Kohorte blastemreicher Wilms Tumoren konnten die wiederkehrenden Hotspot-Mutationen DROSHA E1147K and DGCR8 E518K gefunden werden. Diese Mutationen betreffen Regionen, die für die katalytische Aktivität und die Bindung von RNA wichtig sind. Diese Veränderungen beeinflussen vermutlich die Prozessierung von Vorläufer-miRNAs und führen letztendlich zu einer veränderten miRNA Expression. In der Tat waren mutierte Tumorproben durch auffällige Expressionsmuster gekennzeichnet. Bemerkenswerterweise wurden diese Mutationen fast ausschließlich in WT beobachtet, was darauf hindeutet, dass sie eine spezifische Rolle bei der Entstehung von WT spielen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zunächst die Mutationshäufigkeit von DROSHA E1147K und DGCR8 E518K in einer größeren Kohorte von Wilms Tumoren zu untersuchen und anschließend diese Mikroprozessor-Genmutationen als mögliche onkogene Treiber für die WT-Entstehung näher zu charakterisieren. Das Screening von zusätzlichen 700 WT-Proben mittels allelspezifischer PCR ergab eine hohe Häufigkeit von DROSHA E1147K und DGCR8 E518K Mutationen. Dabei traten sie vermehrt bei Tumoren mit einer Hochrisikohistologie auf. Die DROSHA E1147K Mutation wurde in allen Fällen heterozygot exprimiert, was einen dominant-negativen Effekt impliziert. Im Gegensatz dazu zeigte die DGCR8 E518K Mutation ausschließlich eine homozygote Expression, was darauf hindeutet, dass die Mutation rezessiv wirkt. Um die Mutationen des Mikroprozessorkomplexes in vitro funktionell zu untersuchen, generierte ich stabile HEK293T-Zelllinien mit induzierbarer Überexpression von DROSHA E1147K, und stabile embryonale Mausstammzelllinien mit induzierbarer Überexpression von DGCR8 E518K. Um die in WT beobachtete homozygote Expression nachzustellen, wurden für die Erzeugung der DGCR8-Zelllinien Mausstammzellen mit einem DGCR8-Knockout verwendet. Die induzierbare Überexpression von Wildtyp oder mutiertem DROSHA in HEK293T-Zellen zeigte, dass DROSHA E1147K zu einer globalen Herunterregulierung der miRNA-Expression führt. Es wurde zuvor gezeigt, dass der Knockout von DGCR8 in Mausstammzellen ebenfalls zu einer signifikanten Herunterregulierung kanonischer miRNAs führt. Die induzierbare Überexpression von Wildtyp DGCR8 konnte diesen Prozessierungsdefekt aufheben. DGCR8 E518K führte dagegen nur zu einer partiellen Behebung des Prozessierungsdefekts. Differenziell exprimierte miRNAs umfassten hierbei Mitglieder aus der stammzellspezifischen ESCC-Familie und der let-7-miRNA-Familie, deren Antagonismus bekanntermaßen eine bedeutende Rolle bei der Regulation von Stammzelleigenschaften spielt. Zusammen mit einer veränderten miRNA-Expression zeigten DGCR8-E518K-Zellen Veränderungen in der Zielgenexpression, welche möglicherweise verschiedene biologische Prozesse beeinflussen können. Wir konnten verringerte Proliferationsraten beobachten, höchstwahrscheinlich aufgrund einer verringerten Lebensfähigkeit der Zellen. DGCR8-E518K schien in der Lage zu sein, den Block des G1-S Übergangs zu überwinden und den Zellzyklusdefekt in DGCR8-KO-Zellen zu beheben, wenn auch nicht in vollem Umfang wie Wildtyp DGCR8. Darüber hinaus schien DGCR8-E518K nicht in der Lage zu sein, die epithelial-mesenchymale Transition (EMT) vollständig blockieren zu können. Embryoid-Körper (EBs) mit der E518K Mutation konnten das Selbsterneuerungsprogramm jedoch noch unterdrücken und somit den Differenzierungsdefekt in DGCR8-KO-Zellen beheben. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass DROSHA E1147K und DGCR8 E518K häufige Mutationen in WT sind und dabei am häufigsten in Hochrisiko-Tumoren vorkommen. Jede dieser Mutationen führte in vitro zu einer veränderten miRNA-Expression, was unsere vorherigen Befunde in Tumorproben bestätigte. Während die DROSHA E1147K Mutation zu einer globalen Herunterregulierung kanonischer miRNAs führte, konnte die DGCR8 E518K Mutation die Aktivität des Mikroprozessorkomplexes größtenteils wiederherstellen, was darauf hindeutet, dass eine teilweise Verringerung der Aktivität oder eine veränderte Spezifität bei der WT-Entstehung kritisch sein könnte. Trotz der signifikanten Unterschiede in den miRNA- und mRNA-Profilen von DGCR8-E518K- und DGCR8 Wildtyp-Zellen, ergab die Funktionsanalyse, dass DGCR8 E518K viele wichtige Zellfunktionen im Knockout wiederherstellen konnte und sich nur geringfügig von der Wildtyp-Situation unterschied. Weitere Studien unter physiologischeren Bedingungen, wie beispielsweise in einem WT-Blastem-Modellsystem, könnten zusätzlich helfen, die in unseren Mausstammzelllinien beobachteten feinen Unterschiede zwischen DGCR8 E518K und DGCR8 Wildtyp besser bewerten zu können. Zusammen mit unseren Erkenntnissen könnten diese Modellsysteme somit dazu beitragen, die Rolle dieser Mikroprozessormutationen bei der WT-Entstehung besser zu verstehen. KW - Nephroblastom KW - Genmutation KW - miRNS KW - Wilms tumor KW - miRNA KW - microprocessor complex KW - DROSHA KW - DGCR8 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-231404 ER - TY - JOUR A1 - Maurus, K. A1 - Kosnopfel, C. A1 - Kneitz, H. A1 - Appenzeller, S. A1 - Schrama, D. A1 - Glutsch, V. A1 - Roth, S. A1 - Gerhard-Hartmann, E. A1 - Rosenfeldt, M. A1 - Möhrmann, L. A1 - Fröhlich, M. A1 - Hübschmann, D. A1 - Stenzinger, A. A1 - Glimm, H. A1 - Fröhling, S. A1 - Goebeler, M. A1 - Rosenwald, A. A1 - Kutzner, H. A1 - Schilling, B. T1 - Cutaneous epithelioid haemangiomas show somatic mutations in the mitogen-activated protein kinase pathway JF - British Journal of Dermatology N2 - Background Epithelioid haemangioma (EH) arising from the skin is a benign vascular tumour with marked inflammatory cell infiltration, which exhibits a high tendency to persist and frequently recurs after resection. So far, the underlying pathogenesis is largely elusive. Objectives To identify genetic alterations by next-generation sequencing and/or droplet digital polymerase chain reaction (ddPCR) in cutaneous EH. Methods DNA and RNA from an EH lesion of an index patient were subjected to whole-genome and RNA sequencing. Multiplex PCR-based panel sequencing of genomic DNA isolated from archival formalin-fixed paraffin-embedded tissue of 18 patients with cutaneous EH was performed. ddPCR was used to confirm mutations. Results We identified somatic mutations in genes of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway (MAP2K1 and KRAS) in cutaneous EH biopsies. By ddPCR we could confirm the recurrent presence of activating, low-frequency mutations affecting MAP2K1. In total, nine out of 18 patients analysed showed activating MAPK pathway mutations, which were mutually exclusive. Comparative analysis of tissue areas enriched for lymphatic infiltrate or aberrant endothelial cells, respectively, revealed an association of these mutations with the presence of endothelial cells. Conclusions Taken together, our data suggest that EH shows somatic mutations in genes of the MAPK pathway which might contribute to the formation of this benign tumour. KW - protein kinase pathway KW - Background Epithelioid haemangioma KW - somatic mutations Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258333 VL - 186 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Goebeler, M. A1 - Bata-Csörgő, Z. A1 - Simone, C. de A1 - Didona, B. A1 - Remenyik, E. A1 - Reznichenko, N. A1 - Stoevesandt, J. A1 - Ward, E. S. A1 - Parys, W. A1 - Haard, H. de A1 - Dupuy, P. A1 - Verheesen, P. A1 - Schmidt, E. A1 - Joly, P. T1 - Treatment of pemphigus vulgaris and foliaceus with efgartigimod, a neonatal Fc receptor inhibitor: a phase II multicentre, open-label feasibility trial JF - British Journal of Dermatology N2 - Background Pemphigus vulgaris and pemphigus foliaceus are potentially life-threatening autoimmune disorders triggered by IgG autoantibodies against mucosal and epidermal desmogleins. There is an unmet need for fast-acting drugs that enable patients to achieve early sustained remission with reduced corticosteroid reliance. Objectives To investigate efgartigimod, an engineered Fc fragment that inhibits the activity of the neonatal Fc receptor, thereby reducing serum IgG levels, for treating pemphigus. Methods Thirty-four patients with mild-to-moderate pemphigus vulgaris or foliaceus were enrolled in an open-label phase II adaptive trial. In sequential cohorts, efgartigimod was dosed at 10 or 25 mg kg\(^{-1}\) intravenously with various dosing frequencies, as monotherapy or as add-on therapy to low-dose oral prednisone. Safety endpoints comprised the primary outcome. The study is registered at ClinicalTrials.gov (identifier NCT03334058). Results Adverse events were mostly mild and were reported by 16 of 19 (84%) patients receiving efgartigimod 10 mg kg\(^{-1}\) and 13 of 15 (87%) patients receiving 25 mg kg−1, with similar adverse event profiles between dose groups. A major decrease in serum total IgG and anti-desmoglein autoantibodies was observed and correlated with improved Pemphigus Disease Area Index scores. Efgartigimod, as monotherapy or combined with prednisone, demonstrated early disease control in 28 of 31 (90%) patients after a median of 17 days. Optimized, prolonged treatment with efgartigimod in combination with a median dose of prednisone 0·26 mg \(^{-1}\) per day (range 0·06–0·48) led to complete clinical remission in 14 of 22 (64%) patients within 2–41 weeks. Conclusions Efgartigimod was well tolerated and exhibited an early effect on disease activity and outcome parameters, providing support for further evaluation as a therapy for pemphigus. KW - pemphigus vulgaris KW - efgartigimod KW - pemphigus foliaceus Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258328 VL - 186 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Redlich, Sarah A1 - Zhang, Jie A1 - Benjamin, Caryl A1 - Dhillon, Maninder Singh A1 - Englmeier, Jana A1 - Ewald, Jörg A1 - Fricke, Ute A1 - Ganuza, Cristina A1 - Haensel, Maria A1 - Hovestadt, Thomas A1 - Kollmann, Johannes A1 - Koellner, Thomas A1 - Kübert‐Flock, Carina A1 - Kunstmann, Harald A1 - Menzel, Annette A1 - Moning, Christoph A1 - Peters, Wibke A1 - Riebl, Rebekka A1 - Rummler, Thomas A1 - Rojas‐Botero, Sandra A1 - Tobisch, Cynthia A1 - Uhler, Johannes A1 - Uphus, Lars A1 - Müller, Jörg A1 - Steffan‐Dewenter, Ingolf T1 - Disentangling effects of climate and land use on biodiversity and ecosystem services—A multi‐scale experimental design JF - Methods in Ecology and Evolution N2 - Climate and land-use change are key drivers of environmental degradation in the Anthropocene, but too little is known about their interactive effects on biodiversity and ecosystem services. Long-term data on biodiversity trends are currently lacking. Furthermore, previous ecological studies have rarely considered climate and land use in a joint design, did not achieve variable independence or lost statistical power by not covering the full range of environmental gradients. Here, we introduce a multi-scale space-for-time study design to disentangle effects of climate and land use on biodiversity and ecosystem services. The site selection approach coupled extensive GIS-based exploration (i.e. using a Geographic information system) and correlation heatmaps with a crossed and nested design covering regional, landscape and local scales. Its implementation in Bavaria (Germany) resulted in a set of study plots that maximise the potential range and independence of environmental variables at different spatial scales. Stratifying the state of Bavaria into five climate zones (reference period 1981–2010) and three prevailing land-use types, that is, near-natural, agriculture and urban, resulted in 60 study regions (5.8 × 5.8 km quadrants) covering a mean annual temperature gradient of 5.6–9.8°C and a spatial extent of ~310 × 310 km. Within these regions, we nested 180 study plots located in contrasting local land-use types, that is, forests, grasslands, arable land or settlement (local climate gradient 4.5–10°C). This approach achieved low correlations between climate and land use (proportional cover) at the regional and landscape scale with |r ≤ 0.33| and |r ≤ 0.29| respectively. Furthermore, using correlation heatmaps for local plot selection reduced potentially confounding relationships between landscape composition and configuration for plots located in forests, arable land and settlements. The suggested design expands upon previous research in covering a significant range of environmental gradients and including a diversity of dominant land-use types at different scales within different climatic contexts. It allows independent assessment of the relative contribution of multi-scale climate and land use on biodiversity and ecosystem services. Understanding potential interdependencies among global change drivers is essential to develop effective restoration and mitigation strategies against biodiversity decline, especially in expectation of future climatic changes. Importantly, this study also provides a baseline for long-term ecological monitoring programs. KW - study design KW - biodiversity KW - climate change KW - ecosystem functioning KW - insect monitoring KW - land use KW - space-for-time approach KW - spatial scales Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258270 VL - 13 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Großekathöfer, Jonas David T1 - Virtually Valid? On the Importance of Ecological Validity and Virtual Reality for Social Attention Research T1 - Praktischerweise Valide? Über die Bedeutung von ökologischer Validität und virtueller Realität in der sozialen Aufmerksamkeitsforschung N2 - Gazes are of central relevance for people. They are crucial for navigating the world and communicating with others. Nevertheless, research in recent years shows that many findings from experimental research on gaze behavior cannot be transferred from the laboratory to everyday behavior. For example, the frequency with which conspecifics are looked at is considerably higher in experimental contexts than what can be observed in daily behavior. In short: findings from laboratories cannot be generalized into general statements. This thesis is dedicated to this matter. The dissertation describes and documents the current state of research on social attention through a literature review, including a meta-analysis on the /gaze cueing/ paradigm and an empirical study on the robustness of gaze following behavior. In addition, virtual reality was used in one of the first studies in this research field. Virtual reality has the potential to significantly improve the transferability of experimental laboratory studies to everyday behavior. This is because the technology enables a high degree of experimental control in naturalistic research designs. As such, it has the potential to transform empirical research in the same way that the introduction of computers to psychological research did some 50 years ago. The general literature review on social attention is extended to the classic /gaze cueing/ paradigm through a systematic review of publications and a meta-analytic evaluation (Study 1). The cumulative evidence supported the findings of primary studies: Covert spatial attention is directed by faces. However, the experimental factors included do not explain the surprisingly large variance in the published results. Thus, there seem to be further, not well-understood variables influencing these social processes. Moreover, classic /gaze cueing/ studies have limited ecological validity. This is discussed as a central reason for the lack of generalisability. Ecological validity describes the correspondence between experimental factors and realistic situations. A stimulus or an experimental design can have high and low ecological validity on different dimensions and have different influences on behavior. Empirical research on gaze following behavior showed that the /gaze cueing/ effect also occurs with contextually embedded stimuli (Study 2). The contextual integration of the directional cue contrasted classical /gaze cueing/ studies, which usually show heads in isolation. The research results can thus be transferred /within/ laboratory studies to higher ecologically valid research paradigms. However, research shows that the lack of ecological validity in experimental designs significantly limits the transferability of experimental findings to complex situations /outside/ the laboratory. This seems to be particularly the case when social interactions and norms are investigated. However, ecological validity is also often limited in these studies for other factors, such as contextual embedding /of participants/, free exploration behavior (and, thus, attentional control), or multimodality. In a first study, such high ecological validity was achieved for these factors with virtual reality, which could not be achieved in the laboratory so far (Study 3). Notably, the observed fixation patterns showed differences even under /most similar/ conditions in the laboratory and natural environments. Interestingly, these were similar to findings also derived from comparisons of eye movement in the laboratory and field investigations. These findings, which previously came from hardly comparable groups, were thus confirmed by the present Study 3 (which did not have this limitation). Overall, /virtual reality/ is a new technical approach to contemporary social attention research that pushes the boundaries of previous experimental research. The traditional trade-off between ecological validity and experimental control thus becomes obsolete, and laboratory studies can closely inherit an excellent approximation of reality. Finally, the present work describes and discusses the possibilities of this technology and its practical implementation. Within this context, the extent to which this development can still guarantee a constructive classification of different laboratory tests in the future is examined. N2 - Blicke sind für Menschen von zentraler Relevanz. Sie sind entscheidend für die Navigation in der Welt und für die Kommunikation mit Mitmenschen. Dennoch zeigt die Forschung der letzten Jahre, dass sich Erkenntnisse aus der experimentellen Forschung zu Blickverhalten vom Labor nicht in alltägliches Verhalten übertragen lassen. So ist beispielsweise die Häufigkeit, mit der Mitmenschen angeschaut werden, erheblich höher in experimentellen Kontexten als das beobachtbare alltägliche Verhalten. Kurz: Erkenntnisse aus Laboren lassen sich nicht zu allgemeinen Aussagen generalisieren. Diesem Spannungsfeld ist die hier vorliegende Arbeit gewidmet. Diese Doktorarbeit beschreibt und dokumentiert den aktuellen Forschungsstand zur sozialen Aufmerksamkeit anhand einer Literaturübersicht inklusive einer Metaanalyse zum /gaze cueing/ Paradigma sowie einer empirischen Untersuchung zur Robustheit des Blickfolgeverhaltens. Zudem wird in einer der ersten Studien in diesem Forschungsfeld virtuelle Realität eingesetzt. Virtuelle Realität hat das Potenzial, die Übertragbarkeit zwischen experimentellen Laboruntersuchungen auf alltägliches Verhalten deutlich zu verbessern. Denn die Technologie ermöglicht eine hohe experimentelle Kontrolle in naturalistischen Forschungdesigns. Damit kann sie die empirische Forschung ebenso stark verändern wie die Einführung des Computers für psychologische Forschung vor rund 50 Jahren. Die Literaturübersicht über soziale Aufmerksamkeit wurde durch eine systematische Begutachtung der Publikationen und einer meta-analystische Auswertung zum klassischen /gaze cueing/ Paradigma erweitert (Studie 1). Die kumulierte Evidenz unterstützt die Befunde primärer Studien: Verdeckte räumliche Aufmerksamkeit wird durch Gesichter gelenkt. Allerdings zeigte sich eine überraschend große Varianz in den publizierten Ergebnissen, die durch die untersuchten experimentellen Faktoren nicht erklärt werden konnte. Es scheint also noch Weitere, nicht gut verstandene Einflussgrößen auf diesen sozial-kognitiven Prozess zugeben. Klassische /gaze cueing/ Studien besitzen zudem eine eingeschränkte ökologische Validität. Diese wird als ein zentraler Grund für die fehlende Generalisierbarkeit diskutiert. Ökologische Validität beschreibt die Übereinstimmung von experimentellen Faktoren mit realistischen Situationen. Ein Stimulus oder ein experimentelles Design kann auf verschiedenen Dimensionen hohe und niedrige ökologische Validität aufweisen. Dies kann auf verschiedene Verhaltensbereiche unterschiedlichen Einfluss haben. Die empirischen Untersuchungen zum Blickfolgeverhalten zeigten, dass der /gaze cueing/ Effekt auch bei kontextuell eingebundenen Stimuli auftritt (Studie 2). Die kontextuelle Einbindung des Richtungscues stellte dabei einen Kontrast zu klassichen /gaze cueing/ Studien dar, die in der Regel Köpfe in Isolation zeigen. Die Forschungsergebnisse lassen sich also /innerhalb/ von kontrollierten Laboruntersuchungen auch auf ökologisch validere Forschungsparadigmen übertragen. Forschungsarbeiten zeigen allerdings, dass die mangelnde ökologische Validität in experimentellen Designs die Übertragbarkeit von experimentellen Befunden auf komplexe Situationen /außerhalb/ des Labors erheblich einschränken. Dies scheint insbesondere der Fall zu sein, wenn soziale Interaktionen und Normen untersucht werden. Die ökologische Validität ist in diesen Studien aber auch für weitere Faktoren häufig eingeschränkt, wie beispielsweise die kontextuelle Einbettung /von Versuchspersonen/, freies Explorationsverhalten (und damit Aufmerksamkeitssteuerung) oder Multimodalität. In einer ersten Arbeit in diesem Forschungsfeld wurde für diese Faktoren mit virtueller Realität eine hohe ökologische Validität erreicht, die so bisher nicht im Labor zu erreichen war (Studie 3). Spannenderweise zeigten sich selbst unter /ähnlichsten/ Bedingungen im Labor und in der natürlichen Umgebung Unterschiede in den beobachteten Fixationsmustern. Interessanterweise sind diese ähnlich zu Befunden, die ebenfalls aus Vergleichen von Augenbewegung im Labor und Felduntersuchung stammten. Diese Befunde, die bisher auf wenig vergleichbare Untersuchungsgruppen beruhen, wurden durch die vorliegende Studie 3 (die diese Einschränkung nicht besitzt) bestätigt. Insgesamt steht der heutigen sozialen Aufmerksamkeitsforschung mit /virtueller Realität/ ein neuer technischer Ansatz zur Verfügung, der die Grenzen bisheriger experimenteller Forschung verschiebt. Die traditionelle Abwägung zwischen ökologische Validität und experimenteller Kontrolle wird damit hinfällig und in Laboruntersuchungen kann die Realität extrem nah nachgebildet werden. Abschließend werden in dieser Arbeit die Möglichkeiten und die praktische Umsetzung dieser Technologie beschrieben und diskutiert. Dabei wird auch kritisch beleuchtet, inwiefern mit dieser Entwicklung auch in Zukunft noch eine konstruktive Einordnung von verschiedenen Laboruntersuchungen gewährleistet werden kann. KW - Aufmerksamkeit KW - Validität KW - Virtuelle Realität KW - social attention KW - ecological validity KW - virtual reality KW - eye tracking Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260417 ER - TY - THES A1 - Ghanawi, Hanaa T1 - Loss of full-length hnRNP R isoform impairs DNA damage response in motoneurons by inhibiting Yb1 recruitment to Chromatin T1 - Der Verlust der hnRNP R Volllängen-Isoform beeinträchtigt die DNA-Reparaturmechanismen in Motoneuronen durch die verminderte Rekrutierung von Yb1 zu Chromatin N2 - Motoneurons are highly compartmentalized cells with very long extensions that separate their nerve terminals from cell bodies. To maintain their extensive morphological complexity and protect their cellular integrity from neurotoxic stresses, neurons rely on the functions of RNA-binding proteins. One such protein is hnRNP R, a multifunctional protein with a plethora of roles related to RNA metabolism that comes into play in the nervous system. hnRNP R is localized mainly in the nucleus but also exists in the cytoplasm and axons of motoneurons. Increasing in vitro evidence indicates a potential function of hnRNP R in the development and maintenance of motoneurons by regulating axon growth and axonal RNA transport. Additionally, hnRNP R interacts with several proteins involved in motoneuron diseases. Hnrnpr pre-mRNA undergoes alternative splicing to produce transcripts encoding two protein isoforms: a full-length protein (hnRNP R-FL) and a shorter form lacking the N-terminal acidic domain (hnRNP R-ΔN). While the neuronal defects produced by total hnRNP R depletion have been investigated before, the contribution of individual isoforms towards such functions has remained mostly unknown. In this study, we showed that while both isoforms are expressed across multiple tissues, the full-length isoform is particularly abundant in the nervous system. We generated a mouse model for selective knockout of the full-length hnRNP R isoform (Hnrnprtm1a/tm1a) and found that the hnRNP R-∆N isoform remains expressed in these mice and is upregulated in a compensatory post-transcriptional process. We found that the truncated isoform is sufficient to support subcellular RNA transport related to axon growth in primary motoneurons. However, Hnrnprtm1a/tm1a mice show defects in DNA damage repair after exposure to γ-irradiation and etoposide. Knock down of both hnRNP R isoforms showed a similar extent of DNA damage as for motoneurons depleted of just full-length hnRNP R. Rescue experiments showed that expression of full-length hnRNP R but not of hnRNP R-ΔN can restore DNA damage repair when endogenous hnRNP R is depleted. By performing subcellular fractionation, we found that hnRNP R associates with chromatin independently from its association with pre-mRNA. Interestingly, we show that hnRNP R interacts with phosphorylated histone H2AX (γ-H2AX), following DNA damage. Proteomics analysis identifies the multifunctional protein Y-box binding protein 1 (Yb1) as one of the top interacting partners of hnRNP R. Similar to loss of full-length hnRNP R, DNA damage repair was impaired upon knockdown of Yb1 in motoneurons. Finally, we show that following exposure to γ-irradiation, Yb1 is recruited to the chromatin where it interacts with γ-H2AX, a mechanism that is dependent on the full-length hnRNP R. Taken together, this study describes a novel function of the full-length isoform of hnRNP R in maintaining the genomic integrity of motoneurons and provides new mechanistic insights into its function in DNA damage response. N2 - Motoneurone sind stark polarisierte Zellen mit langen Ausläufern, die den Zellkörper vonden Nervenendungen separieren. Um diese hoch komplexe Morphologie aufrechtzuerhalten und den Schutz vor neurotoxischen Stressoren zu gewährleisten, sind Motoneurone auf die Funktion von RNA-bindenden Proteinen angewiesen. Zu dieser Gruppe Proteinen zählt hnRNP R, welches eine Vielzahl an Funktionen beim RNA Metabolismus in sich vereint. hnRNP R ist größtenteils im Zellkern lokalisiert, ist aber auch im Zytoplasma und in den Axonen zu detektieren. Ergebnisse aus Studien deuten darauf hin, dass hnRNP R durch Regulation des axonalen Transport von mRNA Axonenwachstum und die Entwicklung und Polarität von Motoneuronen unterstützt. Darüberhinaus interagiert hnRNP R mit verschiedenen Proteinen, die mit Pathomechanismen von Motoneuronenerkrankungen in Verbindung gebracht werden. Durch alternatives Spleißen der Hnrnpr prä-mRNA entstehen unterschiedliche Transkripte, die für zwei Proteine kodieren: eine Volllängen Isoform und eine trunkierte Isoform ohne N- Terminale Domäne (hnRNP R- ΔN). Die neuronalen Defekte, die durch den vollständigen Verlust von hnRNP R hervorgerufen werden, wurden bereits untersucht, jedoch ist die zelluläre Rolle der verschiedenen Isoformen unbekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass die unterschiedlichen hnRNP R Isoformen in unterschiedlichen Geweben exprimiert werden, wobei die Volllängen Isoform vor allem in Nervensystem zu finden ist. Um die Funktionen der beiden Isoformen genauer zu untersuchen, wurde ein Mausmodell mit selektivem Knockout der Volllängen hnRNP R Isoform (Hnrnprtm1a/tm1a) hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass durch selektiven Verlust des Volllängen Proteins, die Expression der hnRNP R- ΔN Isoform (post-transkriptionell) erhöht ist und völlig ausreicht, um den axonalen Transport von RNAs für das Axonenwachstum und in primären Motoneuronen zu gewährleisten. Allerdings, weisen Volllängen hnRNP R-defiziente Motoneurone Defekte bei der DNA-Reparatur nach Röntgen-Bestrahlung auf. Mittels subzellulärer Fraktionierungen konnten wir zeigen, dass hnRNP R, unabhängig von seiner Bindung an prä-mRNAs, mit Chromatin interagiert. Des Weiteren zeigten unsere Ergebnisse, dass hnRNP R nach Bestrahlung mit der phosphorylierten Form von Histon H2AX (γ-H2AX) interagiert. Mit Hilfe von Proteom- Analysen konnten wir das Y-Box-Bindungsprotein 1 (Yb1) als hnRNP R Interaktionspartner identifizieren. Ebenso wie der Verlust von hnRNP R, führt der Verlust von Yb1 in primären Motoneuronen zur Beeinträchtigung der DNA-Reparatur nach Bestrahlung. Weiterführende Untersuchungen haben ergeben, dass Yb1 nach Bestrahlung zu Chromatin rekrutiert wird und dass dieser Mechanismus vom Volllängen hnRNP R anhängig ist. Zusammengefasst liefern unsere Daten neue Erkenntnisse über DNA-Reparaturmechanismen und deuten darauf hin, dass hnRNP R neben den weitreichenden Funktionen beim RNA Metabolismus auch für die Aufrechterhaltung der genomischen Integrität verantwortlich ist. KW - hnRNP R KW - Yb1 KW - DNA damage KW - motoneurons Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258492 ER - TY - JOUR A1 - Krimmer, Elena A1 - Martin, Emily A. A1 - Holzschuh, Andrea A1 - Krauss, Jochen A1 - Steffan‐Dewenter, Ingolf T1 - Flower fields and pesticide use interactively shape pollen beetle infestation and parasitism in oilseed rape fields JF - Journal of Applied Ecology N2 - Pollen beetles (Brassicogethes spp.) are the main pests of oilseed rape (OSR, Brassica napus) in Europe and responsible for massive yield losses. Upcoming pesticide resistances highlight the need for other means of crop protection, such as natural pest control. Sown flower fields aim to counteract the decrease of insect biodiversity in agricultural landscapes by providing resources to ecosystem service providers. However, the optimal age and size of flower fields to increase natural pest control is still unclear. We conducted experiments on 31 OSR fields located along a gradient of landscape-scale semi-natural habitat (SNH). OSR fields were located adjacent to flower fields which differed in age, continuity and size, or adjacent to crop fields or calcareous grasslands. Pesticide-free areas were established to examine interactive effects of pesticide use and flower field characteristics. The abundance of pollen beetle adults and larvae, parasitism and superparasitism rates in OSR were recorded at increasing distances to the adjacent sites. Flower fields and calcareous grasslands increased pollen beetle parasitism when compared to OSR fields neighbouring crop fields. The threshold for effective natural pest control of 35% could be reached in the pesticide-free areas of OSR fields adjacent to calcareous grasslands and flower fields maintained continuously for at least 6 years. In pesticide-sprayed areas, pollen beetle parasitism and superparasitism declined with increasing distance to the adjacent field. Furthermore, flower fields larger than 1.5 ha were able to improve pollen beetle parasitism more than smaller fields. Synthesis and applications. To promote natural pest control in oilseed rape (OSR), large flower fields should be maintained for several years, to create stable habitats for natural enemies. The continuous maintenance of flower fields should be preferred, as ploughing and resowing after 5–6 years decreased the positive effects of the flower fields on natural pest control in adjacent OSR fields. However, pesticide use can abrogate positive effects of flower fields on pollen beetle parasitism. This study highlights that sown flower fields have the potential to increase natural pest control in OSR, but this potential is depending on its age, continuity and size and can be hindered by pesticide use. KW - agri-environment scheme KW - sown flower field age and size KW - oilseed rape KW - natural pest control KW - ecosystem services KW - distance-decay function KW - Brassicogethes spp. Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258037 VL - 59 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Böhm, Christoph A1 - Stahlhut, Philipp A1 - Weichhold, Jan A1 - Hrynevich, Andrei A1 - Teßmar, Jörg A1 - Dalton, Paul D. T1 - The Multiweek Thermal Stability of Medical-Grade Poly(ε-caprolactone) During Melt Electrowriting JF - Small N2 - Melt electrowriting (MEW) is a high-resolution additive manufacturing technology that places unique constraints on the processing of thermally degradable polymers. With a single nozzle, MEW operates at low throughput and in this study, medical-grade poly(ε-caprolactone) (PCL) is heated for 25 d at three different temperatures (75, 85, and 95 °C), collecting daily samples. There is an initial increase in the fiber diameter and decrease in the jet speed over the first 5 d, then the MEW process remains stable for the 75 and 85 °C groups. When the collector speed is fixed to a value at least 10% above the jet speed, the diameter remains constant for 25 d at 75 °C and only increases with time for 85 and 95 °C. Fiber fusion at increased layer height is observed for 85 and 95 °C, while the surface morphology of single fibers remain similar for all temperatures. The properties of the prints are assessed with no observable changes in the degree of crystallinity or the Young's modulus, while the yield strength decreases in later phases only for 95 °C. After the initial 5-d period, the MEW processing of PCL at 75 °C is extraordinarily stable with overall fiber diameters averaging 13.5 ± 1.0 µm over the entire 25-d period. KW - polycaprolactone KW - 3D printing KW - additive manufacturing KW - electrohydrodynamic KW - melt electrospinning writing Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257741 VL - 18 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Wech, Tobias A1 - Ankenbrand, Markus Johannes A1 - Bley, Thorsten Alexander A1 - Heidenreich, Julius Frederik T1 - A data-driven semantic segmentation model for direct cardiac functional analysis based on undersampled radial MR cine series JF - Magnetic Resonance in Medicine N2 - Purpose Image acquisition and subsequent manual analysis of cardiac cine MRI is time-consuming. The purpose of this study was to train and evaluate a 3D artificial neural network for semantic segmentation of radially undersampled cardiac MRI to accelerate both scan time and postprocessing. Methods A database of Cartesian short-axis MR images of the heart (148,500 images, 484 examinations) was assembled from an openly accessible database and radial undersampling was simulated. A 3D U-Net architecture was pretrained for segmentation of undersampled spatiotemporal cine MRI. Transfer learning was then performed using samples from a second database, comprising 108 non-Cartesian radial cine series of the midventricular myocardium to optimize the performance for authentic data. The performance was evaluated for different levels of undersampling by the Dice similarity coefficient (DSC) with respect to reference labels, as well as by deriving ventricular volumes and myocardial masses. Results Without transfer learning, the pretrained model performed moderately on true radial data [maximum number of projections tested, P = 196; DSC = 0.87 (left ventricle), DSC = 0.76 (myocardium), and DSC =0.64 (right ventricle)]. After transfer learning with authentic data, the predictions achieved human level even for high undersampling rates (P = 33, DSC = 0.95, 0.87, and 0.93) without significant difference compared with segmentations derived from fully sampled data. Conclusion A 3D U-Net architecture can be used for semantic segmentation of radially undersampled cine acquisitions, achieving a performance comparable with human experts in fully sampled data. This approach can jointly accelerate time-consuming cine image acquisition and cumbersome manual image analysis. KW - undersampling KW - cardiovascular magnetic resonance (CMR) KW - deep learning KW - radial KW - semantic segmentation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257616 VL - 87 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Borova, Solomiia A1 - Schlutt, Christine A1 - Nickel, Joachim A1 - Luxenhofer, Robert T1 - A Transient Initiator for Polypeptoids Postpolymerization α‐Functionalization via Activation of a Thioester Group JF - Macromolecular Chemistry and Physics N2 - Here, a postpolymerization modification method for an α-terminal functionalized poly-(N-methyl-glycine), also known as polysarcosine, is introduced. 4-(Methylthio)phenyl piperidine-4-carboxylate as an initiator for the ring-opening polymerization of N-methyl-glycine-N-carboxyanhydride followed by oxidation of the thioester group to yield an α-terminal reactive 4-(methylsulfonyl)phenyl piperidine-4-carboxylate polymer is utilized. This represents an activated carboxylic acid terminus, allowing straightforward modification with nucleophiles under mild reaction conditions and provides the possibility to introduce a wide variety of nucleophiles as exemplified using small molecules, fluorescent dyes, and model proteins. The new initiator yielded polymers with well-defined molar mass, low dispersity, and high end-group fidelity, as observed by gel permeation chromatography, nuclear magnetic resonance spectroscopy, and matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectroscopy. The introduced method can be of great interest for bioconjugation, but requires optimization, especially for protein conjugation. KW - ring-opening polymerization KW - bioconjugation KW - functional initiators KW - polypeptoids KW - postpolymerization modification Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257587 VL - 223 IS - 3 ER - TY - JOUR A1 - Hauptstein, Julia A1 - Forster, Leonard A1 - Nadernezhad, Ali A1 - Horder, Hannes A1 - Stahlhut, Philipp A1 - Groll, Jürgen A1 - Blunk, Torsten A1 - Teßmar, Jörg T1 - Bioink Platform Utilizing Dual-Stage Crosslinking of Hyaluronic Acid Tailored for Chondrogenic Differentiation of Mesenchymal Stromal Cells JF - Macromolecular Bioscience N2 - 3D bioprinting often involves application of highly concentrated polymeric bioinks to enable fabrication of stable cell-hydrogel constructs, although poor cell survival, compromised stem cell differentiation, and an inhomogeneous distribution of newly produced extracellular matrix (ECM) are frequently observed. Therefore, this study presents a bioink platform using a new versatile dual-stage crosslinking approach based on thiolated hyaluronic acid (HA-SH), which not only provides stand-alone 3D printability but also facilitates effective chondrogenic differentiation of mesenchymal stromal cells. A range of HA-SH with different molecular weights is synthesized and crosslinked with acrylated (PEG-diacryl) and allylated (PEG-diallyl) polyethylene glycol in a two-step reaction scheme. The initial Michael addition is used to achieve ink printability, followed by UV-mediated thiol–ene reaction to stabilize the printed bioink for long-term cell culture. Bioinks with high molecular weight HA-SH (>200 kDa) require comparably low polymer content to facilitate bioprinting. This leads to superior quality of cartilaginous constructs which possess a coherent ECM and a strongly increased stiffness of long-term cultured constructs. The dual-stage system may serve as an example to design platforms using two independent crosslinking reactions at one functional group, which allows adjusting printability as well as material and biological properties of bioinks. KW - hyaluronic acid KW - biofabrication KW - chondrogenic differentiation KW - dual-stage crosslinking KW - extracellular matrix Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257556 VL - 22 IS - 2 ER - TY - JOUR A1 - Dudek, Jan A1 - Maack, Christoph T1 - Mechano-energetic aspects of Barth syndrome JF - Journal of Inherited Metabolic Disease N2 - Energy-demanding organs like the heart are strongly dependent on oxidative phosphorylation in mitochondria. Oxidative phosphorylation is governed by the respiratory chain located in the inner mitochondrial membrane. The inner mitochondrial membrane is the only cellular membrane with significant amounts of the phospholipid cardiolipin, and cardiolipin was found to directly interact with a number of essential protein complexes, including respiratory chain complexes I to V. An inherited defect in the biogenesis of cardiolipin causes Barth syndrome, which is associated with cardiomyopathy, skeletal myopathy, neutropenia and growth retardation. Energy conversion is dependent on reducing equivalents, which are replenished by oxidative metabolism in the Krebs cycle. Cardiolipin deficiency in Barth syndrome also affects Krebs cycle activity, metabolite transport and mitochondrial morphology. During excitation-contraction coupling, calcium (Ca\(^{2+}\)) released from the sarcoplasmic reticulum drives sarcomeric contraction. At the same time, Ca\(^{2+}\) influx into mitochondria drives the activation of Krebs cycle dehydrogenases and the regeneration of reducing equivalents. Reducing equivalents are essential not only for energy conversion, but also for maintaining a redox buffer, which is required to detoxify reactive oxygen species (ROS). Defects in CL may also affect Ca\(^{2+}\) uptake into mitochondria and thereby hamper energy supply and demand matching, but also detoxification of ROS. Here, we review the impact of cardiolipin deficiency on mitochondrial function in Barth syndrome and discuss potential therapeutic strategies. KW - Barth syndrome KW - respiratory chain KW - reactive oxygen species KW - cardiolipin KW - mitochondria Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257512 VL - 45 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Ramler, Jacqueline A1 - Schwarzmann, Johannes A1 - Stoy, Andreas A1 - Lichtenberg, Crispin T1 - Two Faces of the Bi−O Bond: Photochemically and Thermally Induced Dehydrocoupling for Si−O Bond Formation JF - European Journal of Inorganic Chemistry N2 - The diorgano(bismuth)alcoholate [Bi((C\(_{6}\)H\(_{4}\)CH\(_{2}\))\(_{2}\)S)OPh] (1-OPh) has been synthesized and fully characterized. Stoichiometric reactions, UV/Vis spectroscopy, and (TD-)DFT calculations suggest its susceptibility to homolytic and heterolytic Bi−O bond cleavage under given reaction conditions. Using the dehydrocoupling of silanes with either TEMPO or phenol as model reactions, the catalytic competency of 1-OPh has been investigated (TEMPO=(tetramethyl-piperidin-1-yl)-oxyl). Different reaction pathways can deliberately be addressed by applying photochemical or thermal reaction conditions and by choosing radical or closed-shell substrates (TEMPO vs. phenol). Applied analytical techniques include NMR, UV/Vis, and EPR spectroscopy, mass spectrometry, single-crystal X-ray diffraction analysis, and (TD)-DFT calculations. KW - Bismuth KW - dehydrocoupling KW - radical reactions KW - chalcogens KW - catalysis Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257428 VL - 2022 IS - 7 ER - TY - THES A1 - Hauser, Tobias Gregor T1 - Mineralocorticoid-receptor antagonism and its metabolic consequences in haemodialysis patients T1 - Mineralkortikoidrezeptorantagonismus und seine metabolischen Folgen in Hämodialysepatienten N2 - Patients on haemodialysis are highly susceptible to different forms of heart failure. To date, the benefit of Mineralocorticoid-receptor antagonist (MRA) administration in haemodialysis patients remains subject to discussion. Biomarkers play an important role in therapy guidance and pose a promising tool to detect pathological processes of heart failure in an earlier stage. The randomised-controlled Mineralocorticoid-Receptor Antagonists in End-Stage Renal Disease (MiREnDa) trial was set up to investigate the effect of 50 mg of spironolactone once daily on left ventricular mass index in haemodialysis patients and several secondary endpoints. This dissertation reports findings from the MiREnDa trial on (a) the efficacy of spironolactone to influence serum levels of biomarkers of heart failure, fibrosis and inflammation and electrolytes and (b) the ability of N-terminal pro-B-type natriuretic peptide (NT-proBNP), Galectin-3 and soluble source of tumorigenicity 2 (sST2) to reflect left ventricular hypertrophy and diastolic dysfunction assessed by imaging characteristics. Treatment of spironolactone over a 40-week period did not alter serum levels of biomarkers of heart failure, fibrosis and inflammation including NT-proBNP, Galectin-3 and sST2. A small but significant effect on serum sodium but not potassium was observed. NT-proBNP was significantly different in the presence or absence of left ventricular hypertrophy (LVH) (normal vs. LVH (median [IQR]): 2,120 [810; 5,040] vs. 6,340 [2,410; 15,360] pg/ml, p<0.01) or moderate and severe diastolic dysfunction (DD) (normal diastolic function and DD grade I vs. DD grade II and DD grade III: 2,300 [850; 6,050] vs. 12,260 [3,340; 34,830] pg/ml, p=0.02). NT-proBNP further showed a significant correlation at baseline with LVMi (Spearman’s rho=0.41, p<0.001), LAVi (Spearman’s rho=0.55, p<0.001) and septal E/e’ (Spearman’s rho=0.45, p<0.001). No correlation was observed between Galectin-3 and the investigated functional and morphological parameters. sST2 was mildly correlated to LVMi at baseline (Spearman’s rho=0.21, p=0.05) and NT-proBNP at baseline (Spearman’s rho=0.37, p<0.001). In conclusion, spironolactone did not affect the investigated parameters but NT-proBNP proved to be significantly correlated to cardiac imaging measurements. N2 - Dialysepatienten erkranken häufig an Formen der Herzinsuffizienz. Zugleich ist der Nutzen von Mineralkortikoidrezeptorantagonisten bei Dialysepatienten bis heute umstritten. Biomarkermessungen ermöglichen es, pathologische Prozesse am Herzen in einem möglichst frühen Stadium zu erkennen. In der randomisiert-kontrollierten "Mineralocorticoid-Receptor Antagonists in End-Stage Renal Disease" (MiREnDa) Studie wurde der Effekt der täglichen Einnahme von 50 mg Spironolacton auf den linksventrikulären Massenindex bei Dialysepatienten zusammen mit verschiedenen sekundären Endpunkten untersucht. Diese Arbeit beleuchtet Ergebnisse der MiREnDa-Studie zur Wirkung von Spironolacton auf Serumspiegel von Biomarkern für Herzinsuffizienz, Fibrose und Entzündung sowie von Elektrolyten. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen N-terminalen natriuretischen Peptid Typ B (NT-proBNP), Galectin-3 und Soluble source of tumorigenicity 2 (sST2) und Veränderungen in den wichtigsten bildgebenden Merkmalen linksventrikulärer Hypertrophie und diastolischer Dysfunktion beschrieben. Die Einnahme von Spironolacton über 40 Wochen hatte keinen Effekt auf Biomarker für Herzinsuffizienz, Fibrose und Entzündung wie NT-proBNP, Galectin-3 und sST2. Lediglich die Natriumspiegel, nicht aber die Kaliumspiegel, wurden signifikant beeinflusst. NT-proBNP unterschied sich signifikant zwischen Patient*innen mit und ohne links-ventrikulärer Hypertrophie (LVH) (normal vs. LVH (Median [IQR]): 2.120 [810; 5.040] vs. 6.340 [2.410; 15.360] pg/ml, p<0,01) beziehungsweise mit und ohne relevanter diastolischer Dysfunktion (DD) (normale diastolische Funktion und DD Grad I vs. DD Grad II und DD Grad III: 2.300 [850; 6.050] vs. 12.260 [3.340; 34.830] pg/ml, p=0,02). NT-proBNP korrelierte außerdem signifikant mit LVMi (Spearman's rho=0,41, p<0,001), LAVi (Spearman's rho=0,55, p<0,001) und E/e' (Spearman's rho=0,45, p<0,001). Galectin-3 war unabhängig von allen untersuchten Parametern. sST2 korrelierte mäßig mit LVMi (Spearman's rho=0,21, p=0,05) und deutlich mit NT-proBNP (Spearman's rho=0,37, p<0,001). Zusammenfassend beeinflusste Spironolacton keinen der untersuchten Parameter relevant und lediglich NT-proBNP wies eine signifikante Korrelation zu kardialen Bildgebungsparameters auf. KW - Dialyse KW - Spironolacton KW - Biomarker KW - haemodialysis KW - spironolactone KW - biomarker Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259382 ER - TY - THES A1 - Meininger, Markus T1 - Calcium hydroxide as antibacterial implant coating T1 - Calciumhydroxid als antibaterielle Implantatbeschichtung N2 - In modern medicine hip and knee joint replacement are common surgical procedures. However, about 11 % of hip implants and about 7 % of knee implants need re-operations. The comparison of implant registers revealed two major indications for re-operations: aseptic loosening and implant infections, that both severely impact the patients’ health and are an economic burden for the health care system. To address these problems, a calcium hydroxide coating on titanium was investigated in this thesis. Calcium hydroxide is a well-known antibacterial agent and used with success in dentistry. The coatings were applied with electrochemically assisted deposition, a versatile tool that combines easiness of process with the ability to coat complex geometries homogeneously. The pH-gradient during coating was investigated and showed the surface confinement of the coating process. Surface pre-treatment altered the surface morphology and chemistry of the titanium substrates and was shown to affect the morphology of the calcium hydroxide coatings. The influence of the coating parameters stirring speed and current pulsing were examined in various configurations and combinations and could also affect the surface morphology. A change in surface morphology results in a changed adhesion and behavior of cells and bacteria. Thus, the parameters surface pre-treatment, stirring speed and current pulsing presented a toolset for tailoring cellular response and antibacterial properties. Microbiological tests with S. aureus and S. epidermidis were performed to test the time-dependent antibacterial activity of the calcium hydroxide coatings. A reduction of both strains could be achieved for 13 h, which makes calcium hydroxide a promising antibacterial coating. To give insight into biofilm growth, a protocol for biofilm staining was investigated on titanium disks with S. aureus and S. epidermidis. Biofilm growth could be detected after 5 days of bacterial incubation, which was much earlier than the 3 weeks that are currently assumed in medical treatment. Thus, it should be considered to treat infections as if a biofilm were present from day 5 on. The ephemeral antibacterial properties of calcium hydroxide were further enhanced and prolonged with the addition of silver and copper ions. Both ionic modifications significantly enhanced the bactericidal potential. The copper modification showed higher antibacterial effects than the silver modification and had a higher cytocompatibility which was comparable to the pure calcium hydroxide coating. Thus, copper ions are an auspicious option to enhance the antibacterial properties. Calcium hydroxide coatings presented in this thesis have promising antibacterial properties and can easily be applied to complex geometries, thus they are a step in fighting aseptic loosening and implant infections. N2 - Der Fortschritt in der modernen Medizin ist so weit, dass Hüft- und Kniegelenkersatz mit Implantaten heutzutage Standardoperationen sind. Allerdings kommt es in circa 11 % des Hüftgelenkersatzes und 7 % des Kniegelenkersatzes zu nicht zufriedenstellenden Ergebnissen und Revisionen sind nötig. Der Vergleich von Implantationsregistern zeigte zwei Hauptindikatoren für Revisionen: aseptische Lockerung und Implantatinfektionen, welche die Gesundheit der Patienten stark beeinträchtigen und eine wirtschaftliche Belastung für das Gesundheitssystem darstellen. Um diese Probleme anzugehen, wurde Calciumhydroxid auf Titan als Beschichtung aufge- bracht und in dieser Arbeit untersucht. Calciumhydroxid ist ein bekanntes antibakterielles Material und wird erfolgreich in der Zahnheilkunde eingesetzt. Die Beschichtungen wurden mit elektrochemisch gestützter Abscheidung aufgebracht, da diese Methode einen einfachen Prozess mit der Möglichkeit vereint, komplexe Geometrien homogen zu beschichten. In dieser Arbeit wurde der pH-Gradient während der Beschichtung untersucht und zeig- te die Beschränkung des Beschichtungsprozesses auf die direkte Oberfläche der Probe. Eine Vorbehandlung der Titansubstrate veränderte die Morphologie und die Chemie der Oberflä- chen und dadurch auch die Morphologie der Calciumhydroxidbeschichtung. Der Einfluss der Beschichtungsparameter Rührgeschwindigkeit und Pulsen des Stroms wurden in zahlreichen Konfigurationen und Kombinationen getestet und konnte ebenfalls die Oberflächenmorphologie verändern. Die Oberflächenmorphologie wiederum beeinflusst die Adhäsion und das Verhalten von Zellen und Bakterien. Deshalb sind die Parameter Oberflächenvorbehandlung, Rührge- schwindigkeit und Pulsen des Stroms ein Instrument für das Einstellen einer angepassten Zellantwort und der antibakteriellen Eigenschaften. Mikrobiologische Tests mit S. aureus und S. epidermidis wurden unternommen, um die Zeitabhängigkeit der antibakteriellen Aktivität auf Calciumhydroxidbeschichtungen zu bestimmen. Eine Reduktion beider Stämme konnte nach 13 h erreicht werden, was Calciumhydroxid zu einer erfolgversprechenden antibakteriellen Beschichtung macht. Um einen Einblick in das Wachstum von Biofilmen zu geben, wurde ein Protokoll zur Biofilm- Färbung auf Titanplättchen mit S. aureus und S. epidermidis entwickelt. Biofilm-Wachstum konnte nach 5 Tagen Bakterien-Inkubation detektiert werden, was sehr viel früher war als die 3 Wochen, die aktuell bei der Behandlung von Implantatinfektionen angenommen werden. Folglich muss schon nach 5 Tagen darüber nachgedacht werden, Behandlungsmethoden gegen einen Biofilm anzuwenden. Die kurzzeitigen antibakteriellen Eigenschaften von Calciumhydroxid konnten durch den Zusatz von Silber- und Kupferionen weiter verbessert und verlängert werden. Beide Ionen erhöhten die antibakterielle Wirkung signifikant. Die Kupfermodifikation zeigte dabei einen größeren antibakteriellen Effekt als die Silbermodifikation und war gleichzeitig besser zell- verträglich. Die Zytokompatibilität der Kupfermodifikation lag auf dem Niveau der reinen Calciumhydroxidbeschichtungen. Deshalb sind Kupferionen eine vielversprechende Möglichkeit für eine weitere Verbesserung der antibakteriellen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit vorgestellten Calciumhydroxidbeschichtungen haben ein großes Potential als antibakterielle Oberflächen und können sehr leicht auch auf komplizierte Geometrien aufgebracht werden. Deshalb können sie ein entscheidender Baustein bei der Vermeidung von aseptischer Lockerung und Implantatinfektionen sein. KW - Calciumhydroxid KW - Implantat KW - Beschichtung KW - antibakteriell KW - antibacterial KW - implant KW - coating KW - calciumhydroxide Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261122 ER - TY - THES A1 - Wu, Zhu T1 - Room Temperature Phosphorescence (RTP): Experimental And Theoretical Studies on Boron-Containing Materials T1 - Raumtemperaturphosphoreszenz (RTP): Experimentelle und theoretische Studien zu borhaltigen Materialien N2 - Persistent room temperature phosphorescent (RTP) luminophores have gained remarkable interest recently for a number of applications in security printing, OLEDs, optical storage, time-gated biological imaging and oxygen sensors. We report the first persistent RTP with lifetimes up to 0.5 s from simple triarylboranes which have no lone pairs. We also have prepared 3 isomeric (o, m, p-bromophenyl)-bis(2,6-dimethylphenyl)boranes. Among the 3 isomers (o-, m- and p-BrTAB) synthesized, the ortho-one is the only one which shows dual phosphorescence, with a short lifetime of 0.8 ms and a long lifetime of 234 ms in the crystalline state at room temperature. At last, we checked the RTP properties from the boric acid. We found that the pure boric acid does not show RTP in the solid state. N2 - In letzter Zeit haben Luminophore, die eine effiziente Raumtemperatur-Phosphoreszenz (RTP) zeigen, aufgrund ihrer zahlreichen Anwendungen enormes Interesse gefunden. Die meisten phosphoreszierenden Materialien leiten sich jedoch von Übergangsmetallkomplexen ab, da ihr intrinsisches schnelles Intersystem Crossing (ISC) durch die starke Spin Bahn Kopplung (SOC) des Schwermetalls induziert wird. Metallfreie RTP Materialien sind selten und haben sich zu einem vielversprechenden Gebiet entwickelt, da sie kostengünstig und umweltfreundlich sind. Dieses Kapitel fasst organische molekulare Materialien mit langen Triplett Lebensdauern bei Raumtemperatur aus der Perspektive zusammen, ob sie aus einem molekularen oder Mehrkomponentensystem stammen. Bei rein organischen phosphoreszierenden Materialien werden üblicherweise Heteroatome in das Rückgrat eingeführt, um die Singulett Triplett ISC Geschwindigkeitskonstante zu erhöhen. In Mehrkomponentensystemen wird durch nützliche Strategien wie Wirt-Gast, Polymermatrix, Copolymerisation und supramolekulare Anordnung eine starre Matrixanordnung erreicht, durch die nichtstrahlende Pfade eingeschränkt und so ultralange RTP realisiert wird. ... KW - room temperature phosphorescence Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260844 ER - TY - JOUR A1 - Muth, Felicitas V. A1 - Heilig, Michael A1 - Marquardt, Dorothea A1 - Mittelberg, Linda A1 - Sebald, Albrecht A1 - Kunde, Wilfried T1 - Lightness perception of structured surfaces JF - Color Research and Application N2 - Visual perception of surfaces is of utmost importance in everyday life. Therefore, it comes naturally, that different surface structures evoke different visual impressions in the viewer even if the material underlying these surface structures is the same. This topic is especially virulent for manufacturing processes in which more than one stakeholder is involved, but where the final product needs to meet certain criteria. A common practice to address such slight but perceivable differences in the visual appearance of structured surfaces is that trained evaluators assess the samples and assign a pass or fail. However, this process is both time consuming and cost intensive. Thus, we conducted two studies to analyze the relationship between physical surface structure parameters and participants visual assessment of the samples. With the first experiment, we aimed at uncovering a relationship between physical roughness parameters and visual lightness perception while the second experiment was designed to test participants' discrimination sensitivity across the range of stimuli. Perceived lightness and the measured surface roughness were nonlinearly related to the surface structure. Additionally, we found a linear relationship between the engraving parameter and physical brightness. Surface structure was an ideal predictor for perceived lightness and participants discriminated equally well across the entire range of surface structures. KW - surface structure KW - appearance KW - color perception KW - maximum likelihood difference scaling KW - psychophysics Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257314 VL - 47 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Reis, Felix T1 - Realization and Spectroscopy of the Quantum Spin Hall Insulator Bismuthene on Silicon Carbide T1 - Realisierung und Spektroskopie des Quanten-Spin-Hall-Isolators Bismuten auf Siliziumkarbid N2 - Topological matter is one of the most vibrant research fields of contemporary solid state physics since the theoretical prediction of the quantum spin Hall effect in graphene in 2005. Quantum spin Hall insulators possess a vanishing bulk conductivity but symmetry-protected, helical edge states that give rise to dissipationless charge transport. The experimental verification of this exotic state of matter in 2007 lead to a boost of research activity in this field, inspired by possible ground-breaking future applications. However, the use of the quantum spin Hall materials available to date is limited to cryogenic temperatures owing to their comparably small bulk band gaps. In this thesis, we follow a novel approach to realize a quantum spin Hall material with a large energy gap and epitaxially grow bismuthene, i.e., Bi atoms adopting a honeycomb lattice, in a \((\sqrt{3}\times\sqrt{3})\) reconstruction on the semiconductor SiC(0001). In this way, we profit both from the honeycomb symmetry as well as the large spin-orbit coupling of Bi, which, in combination, give rise to a topologically non-trivial band gap on the order of one electronvolt. An in-depth theoretical analysis demonstrates that the covalent bond between the Si and Bi atoms is not only stabilizing the Bi film but is pivotal to attain the quantum spin Hall phase. The preparation of high-quality, unreconstructed SiC(0001) substrates sets the basis for the formation of bismuthene and requires an extensive procedure in ultra-pure dry H\(_2\) gas. Scanning tunneling microscopy measurements unveil the (\(1\times1\)) surface periodicity and smooth terrace planes, which are suitable for the growth of single Bi layers by means of molecular beam epitaxy. The chemical configuration of the resulting Bi film and its oxidation upon exposure to ambient atmosphere are inspected with X-ray photoelectron spectroscopy. Angle-resolved photoelectron spectroscopy reveals the excellent agreement of probed and calculated band structure. In particular, it evidences a characteristic Rashba-splitting of the valence bands at the K point. Scanning tunneling spectroscopy probes signatures of this splitting, as well, and allows to determine the full band gap with a magnitude of \(E_\text{gap}\approx0.8\,\text{eV}\). Constant-current images and local-density-of-state maps confirm the presence of a planar honeycomb lattice, which forms several domains due to different, yet equivalent, nucleation sites of the (\(\sqrt{3}\times\sqrt{3}\))-Bi reconstruction. Differential conductivity measurements demonstrate that bismuthene edge states evolve at atomic steps of the SiC substrate. The probed, metallic local density of states is in agreement with the density of states expected from the edge state's energy dispersion found in density functional theory calculations - besides a pronounced dip at the Fermi level. By means of temperature- and energy-dependent tunneling spectroscopy it is shown that the spectral properties of this suppressed density of states are successfully captured in the framework of the Tomonaga-Luttinger liquid theory and most likely originate from enhanced electronic correlations in the edge channel. N2 - Topologische Materie ist seit der Vorhersage des Quanten-Spin-Hall-Effekts in Graphen im Jahr 2005 eines der spannendsten Forschungsgebiete der gegenwärtigen Festkörperphysik. Quanten-Spin-Hall-Isolatoren besitzen zwar eine verschwindende Volumen-Leitfähigkeit, aber symmetriegeschützte, helikale Randzustände, welche verlustfreien Ladungstransport erlauben. Der 2007 erfolgte experimentelle Nachweis dieses außergewöhnlichen Materiezustands führte, inspiriert von möglicherweise bahnbrechenden zukünftigen Anwendungen, zu einem sprunghaften Anstieg der Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet. Jedoch ist der Nutzen der derzeit verfügbaren Quanten-Spin-Hall-Materialien aufgrund ihrer vergleichsweise kleinen Volumen-Bandlücken auf kryogene Temperaturen beschränkt. In dieser Arbeit verfolgen wir einen neuen Weg, ein Quanten-Spin-Hall-Material mit einer großen Energielücke zu realisieren und wachsen Bismuten, ein Honigwabengitter aus Bi-Atomen, epitaktisch in einer \((\sqrt{3}\times\sqrt{3})\)-Rekonstruktion auf den Halbleiter SiC(0001). Dadurch nutzen wir sowohl die Honigwaben-Symmetrie, als auch die große Spin-Bahn-Wechselwirkung von Bi aus, welche in Kombination zu einer topologisch nicht-trivialen Bandlücke in der Größenordnung eines Elektronenvolts führen. Eine eingehende theoretische Analyse zeigt, dass die kovalente Bindung zwischen den Si- und Bi-Atomen nicht nur den Bi-Film stabilisiert, sondern entscheidend zur Ausprägung der Quanten-Spin-Hall-Phase beiträgt. Die Präparation unrekonstruierter SiC(0001)-Substrate hoher Güte ist der Grundstein für das Bismutenwachstum und erfordert die Anwendung einer aufwändigen Prozedur in hochreinem, trockenem H\(_2\)-Gas. Messungen mit Rastertunnelmikroskopie enthüllen die (\(1\times1\))-Periodizität der Oberfläche und glatte Terrassenebenen, welche für das Aufwachsen einzelner Bi-Lagen mittels eines dedizierten Molekularstrahlepitaxieprozesses geeignet sind. Die chemische Konfiguration der Filme und ihre Oxidation nach Kontakt mit Umgebungsluft wird mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie untersucht. Winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie legt die exzellente Übereinstimmung zwischen gemessener und berechneter Bandstruktur offen. Insbesondere zeigt sie die charakteristische Rashba-Spinaufspaltung der Valenzbänder am K-Punkt. Messungen mit Rastertunnelspektroskopie beinhalten ebenso Hinweise dieser Aufspaltung, und ermöglichen die Bestimmung der vollständigen Größe der Bandlücke von \(E_\text{gap}\approx0.8\,\text{eV}\). Konstantstrom-Aufnahmen und Karten der lokalen Zustandsdichte bestätigen die Ausbildung eines planaren Honigwabengitters, welches aufgrund unterschiedlicher, jedoch äquivalenter Nukleationszentren der (\(\sqrt{3}\times\sqrt{3}\))-Bi-Rekonstruktion in mehreren Domänen auftritt. Messungen der differenziellen Leitfähigkeit offenbaren, dass sich Bismuten-Randzustände an atomaren Stufen des SiC-Substrats ausbilden. Die gemessene, lokale Zustandsdichte und die gemäß der Energiedispersion des Randzustands in Dichtefunktionaltheorierechnungen erwartete Zustandsdichte stimmen - abgesehen von einem starken Abfall am Fermi-Niveau - überein. Mit temperatur- und energieabhängiger Tunnelspektroskopie wird gezeigt, dass die spektralen Eigenschaften dieser unterdrückten Leitfähigkeit erfolgreich im Rahmen der Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeitstheorie beschrieben und wahrscheinlich durch verstärkte elektronische Korrelationen im Randkanal ausgelöst werden. KW - Zweidimensionales Material KW - Topologischer Isolator KW - Siliziumcarbid KW - Rastertunnelmikroskopie KW - Photoelektronenspektroskopie KW - Bismuthene KW - Silicon Carbide KW - scanning tunneling spectroscopy KW - photoelectron spectroscopy KW - molecular beam epitaxy KW - quantum spin hall insulator KW - two-dimensional topological insulator KW - helical edge states KW - Luttinger liquid KW - honeycomb lattice Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258250 ER - TY - THES A1 - Gaal, Chiara Claudia T1 - Cardiac Antigens and T cell Specificity after Experimental Myocardial Infarction in Mice T1 - Kardiale Antigene und T-Zell Spezifität nach experimentellem Myokardinfarkt in Mäusen N2 - Cardiovascular diseases (CVD), subsuming atherosclerosis of the coronary arteries and subsequent myocardial infarction, are the leading cause of death in the European Union (over 4 million deaths annually), with devastating individual and economic consequences. Recent studies revealed that T cells play a crucial role in post-MI inflammation, healing and remodelling processes. Nevertheless, the specificity profile of adaptive immune responses in the infarcted myocardium has not yet been differentiated. The experiments portrayed in this thesis sought to assess whether post-MI CD4+ T cell responses in mice are triggered by heart specific antigens, and eventually identify relevant epitopes. We were able to create a murine antigen atlas including a list of 206 epitopes for I-Ab and 193 epitopes for I-Ad presented on MHC-II in the context of MI. We sought to consecutively test this panel by in vitro T cell proliferation and antigen recall assays ex vivo. The elispot assay was used as a readout for antigen-specific stimulation by measurement of IL-2 and IFN-γ production, currently the most sensitive approach available to detect even small counts of antigen producing cells. Splenocytes as well as lymphocytes from mediastinal lymph nodes were purified from animals 7 days or 56 days after EMI conducted by ligation of the left anterior descending artery. We were able to provide evidence that post-MI T cell responses in Balb/c mice are triggered by heart-specific antigens and that MYHCA, especially MYHCA614-628, is relevant for that response. Moreover, a significant specific T cell response after MI in C57BL/6J mice was observed for α actin, cardiac muscle 1 [ACTC1], myosin-binding protein C3 [MYBPC3] and myosin heavy chain α [MYHCA] derived heart specific antigens. Generally, the epitopes of interest for Balb/c as well as C57BL/6J could be further investigated and may eventually be modulated in the future. N2 - Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) sowie der häufig folgende Myokardinfarkt sind die häufigsten Todesursachen in der Europäischen Union (über 4 Millionen Todesfälle pro Jahr) mit verheerenden individuellen und wirtschaftlichen Folgen. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass T-Zellen eine entscheidende Rolle bei Entzündungs-, Heilungs- und Umbauprozessen nach einem Myokardinfarkt spielen. Das Spezifitätsprofil adaptiver Immunantworten im infarzierten Myokard konnte bisher jedoch noch nicht differenziert werden. Die in dieser Arbeit dargestellten Experimente gingen der Frage nach, ob CD4+ T-Zellantworten nach einem Myokardinfarkt in Mäusen durch herzspezifische Antigene ausgelöst werden und ob hieraus relevante Epitope identifiziert werden können. Uns gelang es, einen Maus-Antigen-Atlas zu erstellen, der eine Zusammenstellung von 206 Epitopen für I-Ab und 193 Epitope für I-Ad enthält, welche auf MHC-II im Rahmen des Myokardinfarkts präsentiert werden. Dieses Panel wurde nacheinander durch In-vitro-T-Zell-Proliferations- und Antigen-Recall-Assays ex vivo getestet. Der Elispot-Assay wurde als sensitivster verfügbare Ansatz zur Quantifizierung der antigen-spezifischen Stimulation durch Messung der IL-2- und IFN-γ-Produktion verwendet. Splenozyten sowie Lymphozyten aus mediastinalen Lymphknoten der Mäuse wurden 7 Tage bzw. 56 Tage nach einem experimentellen Myokardinfarkt, welcher durch Ligation der RIVA Arterie durchgeführt wurde, aufgereinigt. Wir konnten nachweisen, dass Post-MI-T-Zellantworten in Balb/c Mäusen durch herzspezifische Antigene ausgelöst werden, und dass MYHCA, insbesondere MYHCA614-628, für diese Antwort relevant ist. Darüber hinaus konnte eine signifikante spezifische T-Zell-Antwort nach Myokardinfarkt in C57BL/6J Mäusen auf aus Alpha-Actin des Herzmuskels 1 [ACTC1], Myosin-bindendes Protein C vom Herztyp [MYBPC3] und der schweren Kette des Myosins α [MYHCA] generierten herzspezifischen Antigenen gezeigt werden. KW - Regulatorische T-Lymphozyt KW - Herzinfarkt KW - Immunreaktion KW - Myosin KW - Kardiologie KW - T-Lymphozyten KW - T-Lymphocytes KW - Myocardial infarction KW - T-Cell Specificity KW - Cardiac Antigens KW - Kardinale Antigene KW - T-Zell Spezifität KW - Myocardial Healing KW - Mycardiale Heilung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260047 ER - TY - THES A1 - Schmitt, Nadine J. B. T1 - What is integrity and how do we use it? – Enhancing the validity of integrity by reviewing integrity tests, expanding the nomological network, and reducing faking T1 - Was ist Integrität und wie nutzen wir sie? – Verbesserung der Validität von Integrität durch Überprüfung von Integritätstests, Erweiterung des nomologischen Netzwerkes und Reduzierung von Faking N2 - This dissertation focuses on the construct and criterion validity of integrity tests and aims to enhance both. To accomplish this goal, three approaches were adopted: First, an overview and systematic comparison of integrity tests was conducted with reference to the construction and application of the tests. Second, the nomological network of integrity tests was expanded with reference to honesty-humility and organizational citizenship behavior at their factor and facet level. Third, two promising methods to reduce faking on integrity tests were tested: the double rating method (Hui, 2001) and the indirect questioning technique. In line with previous research, the results of the overview and comparison of integrity measures confirmed that integrity tests are multidimensional and heterogenous. A clear definition of integrity is urgently needed. The personality trait of honesty-humility and its facets of fairness, and modesty revealed the most significant relationships to integrity. Moreover, organizational citizenship behavior and its facets of altruism, conscientiousness, and sportsmanship were found to significantly relate to integrity. Furthermore, integrity tests were able not only to predict organizational citizenship behavior but also to incrementally predict job performance and organizational citizenship behavior beyond the factor and facet level of the personality traits of conscientiousness and honesty-humility. In contrast to the indirect questioning technique, the double rating method, which includes an other rating and a self rating, was shown to be able to significantly reduce faking on integrity tests in an anonymous survey setting. This dissertation makes an important contribution to better explain the construct and nomological network of integrity, provide a more detailed view on integrity tests and their protection against faking, and expand the predictive and incremental validity of these tests. The implications for future research and practice are further discussed. N2 - Der Fokus dieser Dissertation liegt sowohl auf der Konstrukt- als auch auf der Kriteriumsvalidität von Integritätstests und deren Erhöhung mit Hilfe von drei Ansätzen: (a) Ein Überblick und systematischer Vergleich von Integritätstests mit Bezug auf deren Konstruktion und Anwendung wird erstellt. (b) Das nomologische Netzwerk von Integrität wird erweitert mit Bezug auf Honesty-Humility und freiwilligem Arbeitsverhalten sowohl auf Faktoren- als auch Facettenebene. (c) Zwei vielversprechende Ansätze, um Faking in Integritätstests zu reduzieren, werden getestet: die Doppelte Fragemethode (Hui, 2001) und indirektes Fragen. Im Ergebnis zeigte sich, dass die Multidimensionalität und Heterogenität von Integritätstests bestätigt wurde. Eine klare Definition von Integrität ist dringend notwendig. Mit Blick auf das nomologische Netzwerk zeigte Honesty-Humility und deren Facetten Fairness und Bescheidenheit die höchsten signifikanten Korrelationen mit Integrität. Beim freiwilligen Arbeitsverhalten und deren Facetten Altruismus, Gewissenhaftigkeit und Unkompliziertheit wurden ebenfalls signifikante Zusammenhänge gefunden. Des Weiteren zeigte sich, dass Integritätstests inkrementelle Validität besitzen über die Faktoren und Facetten von Gewissenhaftigkeit und Honesty-Humility hinaus bei der Vorhersage von beruflicher Leistung und bei der Vorhersage von freiwilligem Arbeitsverhalten. Im Hinblick auf die Reduzierung von Faking zeigte nur die Doppelte Fragemethode (d.h. Fremd- und Selbsteinschätzung der Items) in der anonymen Forschungssituation eine signifikante Reduzierung. Diese Dissertation leistet einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis des Konstruktes und nomologischen Netzwerkes der Integrität, bietet einen detaillierten Einblick in Integritätstests sowie deren Schutz vor Faking und verbessert die prognostische und inkrementelle Validität von Integritätstests. Die Implikationen für zukünftige Forschung und Praxis werden weiterführend diskutiert. KW - Integrität KW - Integrity KW - Integrity tests KW - Validity KW - Honesty-humility KW - OCB KW - Integrität KW - Integritätstests KW - Validität KW - Honesty-Humility KW - Freiwilliges Arbeitsverhalten KW - Psychologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260468 ER - TY - THES A1 - Hausoel, Andreas T1 - Electronic magnetism in correlated systems: from quantum materials down to Earth's core T1 - Magnetismus in korrelierten Elektronensystemen: von Quantenmaterialien zum Erdkern N2 - In the last decade continuous-time quantum Monte Carlo in the hybridization expansion (CTHYB) was one of the most successful Monte Carlo techniques to describe correlated quantum phenomena in conjunction with dynamical mean field theory (DMFT). The first part of the thesis consists of algorithmical developments regarding CTHYB and DMFT. I provide a complete derivation and an extensive discussion of the expansion formula. We generalized it to treat spin-orbit coupling, and invented the superstate sampling algorithm to make it efficient enough for describing systems with general interactions, crystal fields and spin-orbit coupling at low temperatures. But CTHYB is known to fail in the standard implementation for equal-time correlators, certain higher-order Green’s functions and the atomic limit; we discovered that its estimator for the Greens function is also inconsistent for Anderson impurities with finite, discrete baths. I focus then on further improvements of CTHYB that we have conceived and worked on, in particular for f-orbitals and for taking physical symmetries into account in the calculation of the Monte Carlo observables. The second part of the thesis presents selected physical applications of these methods. I show DMFT calculations of highest accuracy for elemental iron and nickel and discover a new mechanism of magnetic ordering in nickel: the ordering of band structure-induced local moments. Then we analyze the stability of this phenomenon under pressure and temperatures, that characterize in the Earth’s core. We find, that the mechanism survives these conditions and may give a significant contribution to the generation of the Earth’s magnetic field. The next topic is the stability of double Dirac fermions against electronic correlations. We find, that the Coulomb interaction in the corresponding material Bi2 CuO4 are strong enough to destroy the double Dirac cone, and substantial uniform pressure is necessary to restore them. In the last chapter I derive the properties of Higgs and Goldstone bosons from Ginzburg-Landau theory, and identify these excitations in a model of an excitonic magnet. N2 - Im letzten Jahrzehnt war die zeitkontinuierliche Hybridisierungsentwicklung (CTHYB) eine der erfolgreichsten Quanten Monte Carlo Methoden zur Behandlung stark korre- lierter Elektronensysteme im Zusammenspiel mit der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Im ersten Teil der Dissertation geht es um Algorithmenentwicklung bezüglich CTHYB und DMFT. Ich leite die CTHYB-Entwicklungsformel vollständig her und diskutiere ausführlich ihre Eigenschaften. Wir haben sie im Rahmen der Thesis für die Behandlung von Spin-Bahn gekoppelten Systemen verallgemeinert, und den Superstate- Sampling Algorithmus entwickelt, der unsere Implementation effizient genug macht, dass man Rechnungen mit allgemeinen Wechselwirkungen, Kristallfeldern und Spin-Bahn Kopplung bei tiefen Temperaturen effizient durchführen kann. Es ist bekannt, dass CTHYB in der Standard-Implementation für Gleichzeit-Korrela- tionsfunktionen, bestimme Greenfunktionen höherer Ordnung und den atomaren Limes nicht funktioniert; wir haben entdeckt, dass der Standard-Estimator für die Greensche Funktion auch inkonsistent ist für Anderson-Störstellen mit endlich großem, diskretem Bad. Dann betrachte ich auch andere Verbesserungen von CTHYB, die wir uns aus- gedacht haben, insbesondere für die Behandlung von Systemen mit f -Orbitalen, und wie man physikalische Symmetrien bei der Berechnung von Observablen bei CTHYB mit einbeziehen kann. Im zweiten Teil der Arbeit präsentiere ich ausgewählte physikalische Anwendungen dieser Methoden. Ich zeige DMFT-Rechnungen mit größtmöglicher Präzision für die el- ementaren Metalle Eisen und Nickel, wobei wir einen neuartigen Mechanismus entdeckt haben, der in Nickel die magnetische Ordnung erzeugt: es ordnen sich lokale magnetische Momente, die von der Bandstruktur erzeugt worden sind. Dann untersuchen wir die Sta- bilität des Phänomens unter hohem Druck und hoher Temperatur, wie sie typischerweise im Erdkern herrschen. Wir finden, dass der Mechanismus diese Bedingungen übersteht und es denkbar ist, dass er einen signifikanten Beitrag zur Erzeugung des Magnetfelds der Erde liefert. Das nächste Beispiel ist, wie sich elektronische Korrelationseffekte auf doppel-Dirac Fermionen auswirken. Wir finden, dass die elektronische Wechselwirkung die doppel-Dirac Cones in Bi2CuO4 zerstört, und nur enormer hydrostatischer Druck sie wiederherstellen kann. Im letzten Kapitel leite ich die Eigenschaften von Higgs- und Goldstone-Bosonen mithilfe der Ginzburg-Landau Theorie her, und identifiziere dann diese Anregungen im Modell eines exzitonischen Magneten. KW - Monte-Carlo-Simulation KW - Vielteilchensystem KW - Fermionensystem KW - Starke Kopplung KW - Quantum Monte Carlo KW - Magnetism KW - Earth's magnetic field KW - Higgs and Goldstone excitations KW - Unconvential fermions Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254444 ER - TY - THES A1 - Schindler, Dorothee T1 - Water Oxidation with Multinuclear Ruthenium Catalysts T1 - Wasseroxidation mit mehrkernigen Ruthenium-Katalysatoren N2 - In terms of the need of environmentally benign renewable and storable energy sources, splitting of water into hydrogen and oxygen by using sunlight is a promising approach. Hereby, water oxidation catalysts (WOCs) are required to perform the water oxidation comprising the transfer of four electrons to provide the reducing equivalents for producing hydrogen. The class of Ru(bda) (bda = 2,2'-bipyridine-6,6'-dicarboxylate) catalysts has proven to be efficient for this reaction. In this thesis, ligand exchange processes in Ru(bda) complexes have been analyzed and the formation of multinuclear macrocyclic WOCs was studied. Based on the knowledge acquired by these studies, new multinuclear cyclic Ru(bda) complexes have been synthesized and their catalytic efficiencies in homogeneous water oxidation have been investigated. Going one step further for setting up functional devices, molecular WOCs have been immobilized on conducting or semiconducting supporting materials. Direct anchoring on carbon nanotubes generated a promising materials for further applications. N2 - Der Klimawandel als die gesellschaftliche Herausforderung des 21. Jahrhunderts ist der Allgemeinheit in den letzten Jahren insbesondere durch Aktivitäten der jüngeren Generation mehr und mehr ins Bewusstsein gerückt. Mit ihrem Engagement in Klimabewegungen machen sie auf die Dringlichkeit aufmerksam, fossile Brennstoffe als Hauptverursacher schädlicher Emissionen zu ersetzen. Angesichts des Bedarfs an umweltfreundlichen erneuerbaren und zugleich speicherbaren Energie¬quellen ist die Erzeugung von Wasserstoff unter Verwendung von Sonnenlicht zur Spaltung von Wasser in seine Bestandteile ein vielversprechender Ansatz (Kapitel 2.1). Die Wasser¬oxidationsreaktion, die die erforderlichen Reduktionsäquivalenten für die Umwandlung von Protonen in molekularen Wasserstoff liefert, umfasst jedoch einen herausfordernden Vier-Elektronen-Transferprozess, der robuste und effiziente Katalysatoren unverzichtbar macht (Kapitel 2.2). In den letzten Jahrzehnten durchgeführte ausführliche Untersuchungen an molekularen Wasser¬oxidations¬katalysatoren (WOCs, engl: water oxidation catalysts) haben gezeigt, dass Katalysatoren, die das katalytisch aktive Ru(bda) Fragment (bda: 2,2'-bipyridin-6,6'-dicarbonsäure) enthalten, eine hohe Effizienz in der Wasseroxidation aufweisen.[41] Basierend auf diesen Erkenntnissen entwickelten Würthner und Mitarbeiter einen supra-molekularen Ansatz, bei dem drei Ru(bda) Einheiten makrozyklisch organisiert werden.[42] Diese makrozyklischen Ru(bda) Komplexe zeigten außerordentlich hohe katalytische Aktivitäten mit bedeutend höherer Umsatzfrequenz (TOF, engl: turnover frequency) und Umsatzzahl (TON, engl: turnover number) sowie einer verbesserten Stabilität des Katalysators im Vergleich zur einkernigen Referenzverbindung Ru(bda)(pic)2.[40] Interessanter¬weise wurde heraus¬gefunden, dass vermutlich ein wasserstoffverbrücktes Wasser¬netzwerk in der Kavität des Makrozyklus für schnelle Protonen-gekoppelte Elektronen-Transfer-Schritte (PCET, engl: protonen-coupled electron transfer) und somit beschleunigte Reaktionsgeschwindigkeiten verantwortlich ist. Darüber hinaus belegten mechanistische Untersuchungen einen Wechsel des katalytischen Weges von einem bimolekularen I2M (Interaktion von zwei M-O Einheiten, engl: interaction of two M-O units) Mechanismus im einkernigen Ru(bda)pic2 Referenzkomplex zu einem mononuklearen WNA (nukleophiler Wasserangriff, engl: water nucleophiilic attack) Mechanismus im dreikernigen makro-zyklischen WOC MC3 (Kapitel 2.3), was letzteren besonders interessant für anwendungs-bezogene Untersuchungen macht. ... KW - Rutheniumkomplexe KW - catalysis KW - Wasser KW - Katalyse KW - Oxidation KW - metallosupramolecular chemistry KW - ruthenium complexes KW - water oxidation KW - Ruthenium Komplexe KW - Metallosupramolekulare Chemie KW - Wasseroxidation Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-233093 ER - TY - THES A1 - Bathe-Peters, Marc T1 - Spectroscopic approaches for the localization and dynamics of β\(_1\)- and β\(_2\)-adrenergic receptors in cardiomyocytes T1 - Spektroskopieansätze zur Bestimmung der Lokalisation und Dynamiken von β\(_1\)- und β\(_2\)-Adrenozeptoren in Kardiomyozyten N2 - In the heart the β\(_1\)-adrenergic receptor (AR) and the β\(_2\)-AR, two prototypical G protein-coupled receptors (GPCRs), are both activated by the same hormones, namely adrenaline and noradrenaline. Both receptors couple to stimulatory G\(_s\) proteins, mediate an increase in cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and influence the contractility and frequency of the heart upon stimulation. However, activation of the β\(_1\)-AR, not the β\(_2\)-AR, lead to other additional effects, such as changes in gene transcription resulting in cardiac hypertrophy, leading to speculations on how distinct effects can arise from receptors coupled to the same downstream signaling pathway. In this thesis the question of whether this distinct behavior may originate from a differential localization of these two receptors in adult cardiomyocytes is addressed. Therefore, fluorescence spectroscopy tools are developed and implemented in order to elucidate the presence and dynamics of these endogenous receptors at the outer plasma membrane as well as on the T-tubular network of intact adult cardiomyocytes. This allows the visualization of confined localization and diffusion of the β\(_2\)-AR to the T-tubular network at endogenous expression. In contrast, the β\(_1\)-AR is found diffusing at both the outer plasma membrane and the T-tubules. Upon overexpression of the β\(_2\)-AR in adult transgenic cardiomyocytes, the receptors experience a loss of this compartmentalization and are also found at the cell surface. These data suggest that distinct signaling and functional effects can be controlled by specific cell surface targeting of the receptor subtypes. The tools at the basis of this thesis work are a fluorescent adrenergic antagonist in combination of fluorescence fluctuation spectroscopy to monitor the localization and dynamics of the lowly expressed adrenergic receptors. Along the way to optimizing these approaches, I worked on combining widefield and confocal imaging in one setup, as well as implementing a stable autofocus mechanism using electrically tunable lenses. N2 - Im Herzen werden der β\(_1\)-adrenerge Rezeptor (AR) und der β\(_2\)-AR, zwei prototypische GPCR, durch die Hormone Adrenalin und Noradrenalin aktiviert. Dabei interagieren beide Rezeptoren mit dem stimulatorischen G\(_s\) Protein, bewirken eine Erhöhung des cyclischen Adenosinmonophosphates (cAMP) und beeinflussen die Kontraktionskraft und Frequenz des Herzens nach einem Stimulus. Jedoch hat die Aktivierung des β\(_1\)-ARs, nicht des β\(_2\)-ARs, auch weitere Effekte, wie z.B. Veränderungen in der Transkription von Genen. Dies wiederum führt zu Spekulationen, wie solch unterschiedliche Effekte von Rezeptoren hervorgerufen werden können, die gleiche Signalwege bedienen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob dieses unterschiedliche Verhalten durch eine ungleiche Verteilung dieser beiden Rezeptoren in adulten Kardiomyozyten hervorgerufen werden könnte. Dazu wird die Lokalisation und die Dynamik dieser endogenen Rezeptoren in der Plasmamembran sowie im T-tubulären Netzwerk von intakten adulten Kardiomyozyten, unter Entwicklung und Verwendung hochsensitiver Fluoreszenzspektroskopiemethoden, bestimmt. Dies ermöglicht die örtliche und dynamische Eingrenzung des β\(_2\)-adrenergen Rezeptors unter endogener Expression ausschließlich auf das T-tubuläre Netzwerk. Dementgegen stellt sich heraus, dass sich der β\(_1\)-adrenerge Rezeptor ubiquitär auf der äußeren Membran und den T-Tubuli befindet und diffundiert. In β\(_2\)-AR überexprimierenden transgenen Kardiomyozyten hingegen werden diese Kompartments nicht beibehalten und es findet eine Umverteilung der Rezeptoren, auch unter Einbezug der Zelloberfläche, statt. Diese Daten können stärker darauf hindeuten, dass einige Rezeptorsubtypen sich gezielt und spezifisch bestimmte Zelloberflächen aussuchen, um somit ihre verschiedenen Signale und funktionären Effekte erzeugen zu können. Zu den Techniken, die in dieser Arbeit die Bestimmung der Lokalisation und der Dynamiken der niedrig exprimierten adrenergen Rezeptoren zulassen, gehört die Anwendung von Fluoreszenzspektroskopiemethoden in Kombination mit einem fluoreszierenden β-adrenergen Antagonisten. Weitere Techniken, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden und in weiterführenden Studien aufschlussreiche Erkenntnisse liefern könnten, umfassen die Entwicklung eines Setups aus einer Kombination aus Weitfeld- und Konfokalmikroskopie und die Implementierung eines stabilen Autofokus mit Hilfe einer elektrisch veränderbaren Linse. KW - G-Protein gekoppelte Rezeptoren KW - Beta-Adrenozeptor KW - Kardiomyozyt KW - Fluoreszenzmikroskopie KW - Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie KW - Fluorescence KW - Fluorescence Microscopy KW - G Protein-Coupled Receptor KW - Autofocus KW - Microscopy KW - Beta-Adrenergic Receptor KW - Cardiomyocyte KW - Fluorescence Correlation Spectroscopy KW - FCS KW - GPCR Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258126 ER - TY - JOUR A1 - Willms, A. G. A1 - Schwab, R. A1 - von Websky, M. W. A1 - Berrevoet, F. A1 - Tartaglia, D. A1 - Sörelius, K. A1 - Fortelny, R. H. A1 - Björck, M. A1 - Monchal, T. A1 - Brennfleck, F. A1 - Bulian, D. A1 - Beltzer, C. A1 - Germer, C. T. A1 - Lock, J. F. T1 - Factors influencing the fascial closure rate after open abdomen treatment: Results from the European Hernia Society (EuraHS) Registry. Surgical technique matters JF - Hernia N2 - Purpose Definitive fascial closure is an essential treatment objective after open abdomen treatment and mitigates morbidity and mortality. There is a paucity of evidence on factors that promote or prevent definitive fascial closure. Methods A multi-center multivariable analysis of data from the Open Abdomen Route of the European Hernia Society included all cases between 1 May 2015 and 31 December 2019. Different treatment elements, i.e. the use of a visceral protective layer, negative-pressure wound therapy and dynamic closure techniques, as well as patient characteristics were included in the multivariable analysis. The study was registered in the International Clinical Trials Registry Platform via the German Registry for Clinical Trials (DRK00021719). Results Data were included from 630 patients from eleven surgical departments in six European countries. Indications for OAT were peritonitis (46%), abdominal compartment syndrome (20.5%), burst abdomen (11.3%), abdominal trauma (9%), and other conditions (13.2%). The overall definitive fascial closure rate was 57.5% in the intention-to-treat analysis and 71% in the per-protocol analysis. The multivariable analysis showed a positive correlation of negative-pressure wound therapy (odds ratio: 2.496, p < 0.001) and dynamic closure techniques (odds ratio: 2.687, p < 0.001) with fascial closure and a negative correlation of intra-abdominal contamination (odds ratio: 0.630, p = 0.029) and the number of surgical procedures before OAT (odds ratio: 0.740, p = 0.005) with DFC. Conclusion The clinical course and prognosis of open abdomen treatment can significantly be improved by the use of treatment elements such as negative-pressure wound therapy and dynamic closure techniques, which are associated with definitive fascial closure. KW - open abdomen KW - peritonitis KW - fascial closure KW - hernia KW - abdominal compartment syndrome KW - abdominal trauma KW - burst abdomen KW - NPWT KW - VAC Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234871 SN - 1265-4906 VL - 26 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Ghafoor, Hina A1 - Nordbeck, Peter A1 - Ritter, Oliver A1 - Pauli, Paul A1 - Schulz, Stefan M. T1 - Can Religiosity and Social Support Explain Effects of Trait Emotional Intelligence on Health-Related Quality of Life: A Cross-Cultural Study JF - Journal of Religion and Health N2 - Religion and social support along with trait emotional intelligence (EI) help individuals to reduce stress caused by difficult situations. Their implications may vary across cultures in reference to predicting health-related quality of life (HRQoL). A convenience sample of N = 200 chronic heart failure (CHF) patients was recruited at cardiology centers in Germany (n = 100) and Pakistan (n = 100). Results indicated that trait-EI predicted better mental component of HRQoL in Pakistani and German CHF patients. Friends as social support appeared relevant for German patients only. Qualitative data indicate an internal locus of control in German as compared to Pakistani patients. Strengthening the beneficial role of social support in Pakistani patients is one example of how the current findings may inspire culture-specific treatment to empower patients dealing with the detrimental effects of CHF. KW - cross-cultural comparison KW - chronic heart failure KW - religion KW - social support KW - trait emotional intelligence KW - health-related quality of life Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-232823 SN - 0022-4197 VL - 61 IS - 1 ER - TY - THES A1 - Dietzsch, Julia T1 - Nucleic acid-mediated fluorescence activation and chromophore assembly T1 - Nukleinsäure-vermittelte Fluoreszenzaktivierung und Chromophorassemblierung N2 - Nucleic acids are not only one of the most important classes of macromolecules in biochemistry but also a promising platform for the defined arrangement of chromophores. Thanks to their precise organization by directional polar and hydrophobic interactions, oligonucleotides can be exploited as suitable templates for multichromophore assemblies with predictable properties. To expand the toolbox of emissive, base pairing nucleobase analogs several barbituric acid merocyanine (BAM) chromophores with tunable spectroscopic properties were synthesized and incorporated into RNA, DNA and glycol nucleic acid (GNA) oligonucleotides. A multitude of duplexes containing up to ten BAM chromophores was obtained and analysis by spectroscopic methods revealed the presence of dipolarly coupled merocyanine aggregates with properties strongly dependent on the chromophore orientation toward each other and the backbone conformation. These characteristics were exploited for various applications such as FRET pair formation and polymerase chain reaction (PCR) experiments. The observed formation of higher-order aggregates implies future applications of these new oligonucleotide-chromophore systems as light-harvesting DNA nanomaterials. Besides oligonucleotide templated covalent assembly of chromophores also non-covalent nucleic acid-chromophore complexes are a broad field of research. Among these, fluorogenic RNA aptamers are of special interest with the most versatile ones based on derivatives of the GFP chromophore hydroxybenzylidene imidazolone (HBI). Therefore, new HBI-derived chromophores with an expanded conjugated system and an additional exocyclic amino group for an enhanced binding affinity were synthesized and analyzed in complex with the Chili aptamer. Among these, structurally new fluorogenes with strong fluorescence activation upon binding to Chili were identified which are promising for further derivatization and application as color-switching sensor devices for example. N2 - Nukleinsäuren sind nicht nur eine der wichtigsten Klassen biochemisch relevanter Makromoleküle, sondern stellen auch eine vielversprechende Plattform für die definierte räumliche Organisation kleiner funktioneller Moleküle, wie beispielsweise Chromophore, dar. Oligonu-kleotide können aufgrund ihrer präzise gegliederten Struktur, die durch gerichtete polare und hydrophobe Wechselwirkungen hervorgerufen wird, als nützliche Template für die mehrfache kovalente und nicht-kovalente Anordnung von Chromophoren zu Aggregaten mit vorhersagbaren spektroskopischen Eigenschaften genutzt werden. Obwohl eine Vielzahl solcher Chromophorsysteme bereits in der Literatur beschrieben ist, basieren die meisten Chromophordesigns nur auf hydrophoben Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Chromophoren und lassen die intrinsische Fähigkeit kanonischer Nukleobasen, komplementäre Basenpaare zu bilden, außen vor. Allerdings liegt es auf der Hand, dass die Berücksichtigung dieser polaren Wechselwirkungen nicht nur zu einer Stabilisierung der Oligonukleotid-Sekundärstruktur führen kann, sondern auch die Interpretation spektroskopischer Effekte vereinfacht. Um das bekannte Spektrum emittierender Nukleobasen-Analoga zu erweitern und den zusätz-lichen Einfluss dieser polaren Wechselwirkungen auszunutzen, wurden im Zuge dieser Arbeit verschiedene, strukturell unterschiedliche Barbitursäure-Merocyanin-Chromophore (BAM) entworfen. Die Barbitursäure-Akzeptoreinheit dieser künstlichen Nukleobasensurrogate ähnelt der Watson-Crick-Basenpaarungsseite der natürlichen T- und U-Nukleobasen und soll somit die Basenpaarung mit Adenosin ermöglichen. Durch die Kombination dieses Akzeptors mit unterschiedlich aufgebauten aromatischen Donoreinheiten, wie zum Beispiel Indol und Benzothiazol, konnten Merocyanine mit interessanten spektroskopischen Eigenschaften erhalten werden. Da die Konstitution des Nukleinsäurerückgrates einen starken Einfluss auf die Strukturparameter und die thermodynamische Stabilität der resultierenden Duplexstruktur hat, wurden die synthetisierten BAM-Chromophore in Phosphoramiditbausteine für die kovalente Assemblierung innerhalb verschiedener Oligonukleotidsysteme umgewandelt. Neben der Synthese entsprechender DNA- und RNA-Nukleotide wurden die BAM-Chromophore auch als Glykolnukleinsäure-Bausteine (GNA) mit einem azyklischen Rückgrat hergestellt. Der erfolgreiche Einbau der erhaltenen künstlichen Nukleoside konnte durch Festphasensynthese erreicht werden, wobei über 100 modifizierte Einzelstränge erhalten werden konnten. Die Hybridisierung der künstlichen Oligonukleotid-Einzelstränge mit ihren jeweiligen Gegensträngen führte zu einer Vielzahl kurzer Duplexstrukturen mit bis zu zehn BAM-Chromophoren in unterschiedlicher Anordnung. Mithilfe verschiedenster spektroskopischer Methoden konnte ein Einblick in die strukturelle Organisation der Merocyanine innerhalb dieser Systeme erhalten werden, wobei sich die Bildung dipolar-gekoppelter Merocyanin-Dimere und -Multimere zeigte. Die hierfür erforderliche ungewöhnliche \textit{syn}-Konformation der BAM-Chromophore wurde weiterhin durch Oligonukleotid-NMR bestätigt. Erstaunlicherweise wiesen die spektroskopischen und thermodynamischen Eigenschaften BAM-modifizierter Nukleinsäuren eine starke Abhängigkeit von der Chromophororientierung und der Konformation des Rückgrates auf. Dieser Effekt konnte für verschiedene Anwendungen wie die Bildung von FRET-Paaren und die Verwendung als internes fluoreszentes Stop-Nukleotid in Polymerasekettenreaktionen ausgenutzt werden. Mithilfe von Rasterkraftmikroskopie wurde außerdem die Bildung von Aggregaten höherer Ordnung beobachtet, was eine zukünftige Verwendung dieser neuen Oligonukleotid-Chromophor-Systeme als Materialien für Lichtsammelkomplexe oder für die DNA-Nanotechnologie denkbar macht. Ein weiteres großes Forschungsfeld neben kovalenten Chromophoranordnungen mit Oligonukleotiden als Templat sind nicht-kovalente Nukleinsäure-Chromophorkomplexe. Insbesondere fluorogene RNA-Aptamere sind hier von großer Bedeutung wobei die wichtigsten auf der Fluoreszenzaktivierung von Derivaten 4-Hydroxybenzylidenimidazolon-Fluorophors (HBI), dem Chromophor des natürlich vorkommenden grün fluoreszierenden Proteins (GFP), beruhen. Allerdings zeigen viele der berichteten Aptamer-Ligand-Systeme signifikante Nachteile wie unter anderem unspezifische Bindung, eine starke Tendenz zu Photoisomerisierung oder ineffiziente Zellpermeabilität. Deshalb wurden im Zuge dieser Arbeit neue, von HBI abgeleitete Chromophore mit einem vergrößerten konjugierten $\uppi$-System und einer zusätzlichen exozykli-schen Aminogruppe für eine erhöhte Bindungsaffinität synthetisiert und im Komplex mit dem bekannten Chili-Aptamer untersucht. Einige dieser strukturell neuen Chromophore zeigten einen starken Anstieg der Emission bei Bindung an dieses Aptamer und wurden daher weiter charakterisiert. Sie stellen eine vielversprechende Möglichkeit für weitere Derivatisierung und die zukünftige Anwendung beispielsweise als schaltbare Aptamer-basierte Fluoreszenzsensoren dar. KW - Nucleinsäuren KW - Merocyanine KW - Grün fluoreszierendes Protein KW - Aptamer KW - Exziton KW - Fluoreszenzaktivierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259761 ER - TY - JOUR A1 - Huang, Mingming A1 - Hu, Jiefeng A1 - Krummenacher, Ivo A1 - Friedrich, Alexandra A1 - Braunschweig, Holger A1 - Westcott, Stephen A. A1 - Radius, Udo A1 - Marder, Todd B. T1 - Base-Mediated Radical Borylation of Alkyl Sulfones JF - Chemistry—A European Journal N2 - A practical and direct method was developed for the production of versatile alkyl boronate esters via transition metal-free borylation of primary and secondary alkyl sulfones. The key to the success of the strategy is the use of bis(neopentyl glycolato) diboron (B\(_{2}\)neop\(_{2}\)), with a stoichiometric amount of base as a promoter. The practicality and industrial potential of this protocol are highlighted by its wide functional group tolerance, the late-stage modification of complex compounds, no need for further transesterification, and operational simplicity. Radical clock, radical trap experiments, and EPR studies were conducted which show that the borylation process involves radical intermediates. KW - boron KW - boronate KW - boronic acid KW - metal-free KW - radical Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257281 VL - 28 IS - 3 ER - TY - THES A1 - Müller, Valentin Leander T1 - Transport signatures of topological and trivial states in the three-dimensional topological insulator HgTe T1 - Transporteigenschaften von topologischen und trivialen Zuständen im dreidimensionalen topologischen Isolator HgTe N2 - The thesis at hand is concerned with improving our understanding of and our control over transport properties of the three-dimensional topological insulator HgTe. Topological insulators are characterized by an insulating bulk and symmetry-protected metallic surface states. These topological surface states hold great promise for research and technology; at the same time, many properties of experimentally accessible topological insulator materials still need to be explored thoroughly. The overall aim of this thesis was to experimentally investigate micrometer-sized HgTe transport devices to observe the ballistic transport regime as well as intercarrier scattering and possibly identify special properties of the topological surface states. Part I of the thesis presents lithographic developments concerned with etching small HgTe devices. The aim was to replace existing processes which relied on dry etching with high-energy \(\text{Ar}^+\) ions and an organic etch mask. This etching method is known to degrade the HgTe crystal quality. In addition, the etch mask turned out to be not durable for long etching processes and difficult to remove completely after etching. First, \(\text{BaF}_2\) was introduced as a new etch mask for dry etching to replace the organic etch mask. With common surface characterization techniques like SEM and XPS it was shown that \(\text{BaF}_2\) etch masks are easy to deposit, highly durable in common dry etching processes for \(\text{Hg}_{1-x}\text{Cd}_x\text{Te}\), and easy to remove in deionized water. Transport results of HgTe devices fabricated with the new etch mask are comparable to results obtained with the old process. At the same time, the new etch mask can withstand longer etching times and does not cause problems due to incomplete removal. Second, a new inductively coupled plasma dry etching process based on \(\text{CH}_4\) and Ar was introduced. This etching process is compatible with \(\text{BaF}_2\) etch masks and yields highly reproducible results. Transport results indicate that the new etching process does not degrade the crystal quality and is suitable to produce high-quality transport devices even in the micrometer range. A comparison with wet-etched samples shows that inductively coupled plasma etching introduces a pronounced edge roughness. This - usually undesirable - property is actually beneficial for some of the experiments in this study and mostly irrelevant for others. Therefore, most samples appearing in this thesis were fabricated with the new process. Part II of the thesis details the advancements made in identifying topological and trivial states which contribute to transport in HgTe three-dimensional topological insulators. To this end, macroscopic Hall bar samples were fabricated from high-quality tensilely strained HgTe layers by means of the improved lithographic processes. All samples were equipped with a top gate electrode, and some also with a modulation doping layer or a back gate electrode to modify the carrier density of the surface states on both sides of the HgTe layer. Due to the high sample quality, Landau levels could be well-resolved in standard transport measurements down to magnetic fields of less than 0.5T. High-resolution measurements of the Landau level dispersion with gate voltage and magnetic field allowed disentangling different transport channels. The main result here is that the upper (electron) branches of the two topological surface states contribute to transport in all experimentally relevant density regimes, while the hole branch is not accessible. Far in n-regime bulk conduction band states give a minor contribution to transport. More importantly, trivial bulk valence band holes come into play close to the charge neutrality point. Further in p-regime, the strong applied gate voltage leads to the formation of two-dimensional, massive hole states at the HgTe surface. The interplay of different states gives rise to rich physics: Top gate-back gate maps revealed that an anticrossing of Landau levels from the two topological surface states occurs at equal filling. A possible explanation for this effect is a weak hybridization of the surface states; however, future studies need to further clarify this point. Furthermore, the superposition of n-type topological and p-type trivial surface states leads to an intriguing Landau level dispersion. The good quantization of the Hall conductance in this situation indicates that the counterpropagating edge states interact with each other. The nature of this interaction will be the topic of further research. Part III of the thesis is focused on HgTe microstructures. These "channel samples" have a typical width of 0.5 to 4µm and a typical length of 5 to 80µm. The quality of these devices benefits particularly from the improved lithographic processes. As a result, the impurity mean free path of the topological surface state electrons is on the order of the device width and transport becomes semiballistic. This was verified by measuring the channel resistance in small magnetic fields in n-regime. The deflection of carriers towards the dissipative channel walls results in a pronounced peak in the magnetoresistance, which scales in a predictable manner with the channel width. To investigate transport effects due to mutual scattering of charge carriers, the differential resistance of channel samples was measured as a function of carrier temperature. Selective heating of the charge carriers - but not the lattice - was achieved by passing a heating current through the channel. Increasing the carrier temperature has two pronounced effects when the Fermi level is situated in proximity to the bulk valence band maximum where the density of states is large. First, when both topological surface state electrons and bulk holes are present, electron-hole scattering leads to a pronounced increase in resistance with increasing carrier temperature. Second, a thermally induced increase of the electron and hole carrier densities reduces the resistance again at higher temperatures. A model considering these two effects was developed, which can well reproduce the experimental results. Current heating experiments in zero-gap HgTe quantum wells and compressively strained HgTe layers are consistent with this model. These observations raise the question as to how electron-hole scattering may affect other transport properties of HgTe-based three-dimensional topological insulators, which is briefly discussed in the outlook. N2 - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem dreidimensionalen topologischen Isolator HgTe. Als topologische Isolatoren bezeichnet man Materialien, die in ihrem Inneren elektrisch isolierend sind, auf ihrer Oberfläche jedoch symmetriegeschützte metallische Zustände aufweisen. Diese topologischen Oberflächenzustände sind aufgrund ihrer speziellen Eigenschaften für die Grundlagenforschung und praktische Anwendungen von großem Interesse. Die Erforschung topologischer Isolatoren ist ein relativ junges Forschungsgebiet, sodass viele Eigenschaften dieser Materialien noch besser verstanden werden müssen. Das übergeordnete Anliegen dieser Arbeit war die experimentelle Untersuchung von HgTe Mikrostrukturen mithilfe von Transportexperimenten. Das Ziel war hier, sowohl das ballistische Transportregime als auch die Streuung von Ladungsträgern untereinander zu beobachten und möglicherweise Besonderheiten der topologischen Oberflächenzustände zu finden. Teil I der Arbeit stellt die Weiterentwicklung lithographischer Prozesse zur Herstellung von HgTe-Mikrostrukturen vor. Der zu Beginn dieser Arbeit genutzte Prozess basierte auf einem Trockenätzprozess mit hochenergetischen \(\text{Ar}^+\) Ionen. Dieses Ionenstrahlätzen beschädigt jedoch die HgTe-Kristallstruktur. Zudem war die verwendete organische Ätzmaske nicht sehr widerstandsfähig gegen Ionenbeschuss und nach dem Ätzvorgang nur schwer zu entfernen. Um diese Probleme zu umgehen, wurde zunächst \(\text{BaF}_2\) als mögliche Alternative zur bestehenden Ätzmaske untersucht. Mithilfe verschiedener Techniken zur Oberflächencharakterisierung wie SEM und XPS konnte gezeigt werden, dass \(\text{BaF}_2\) Ätzmasken einfach herzustellen, sehr widerstandsfähig gegenüber gängigen Trockenätzprozessen für \(\text{Hg}_{1-x}\text{Cd}_x\text{Te}\), und leicht in deionisiertem Wasser zu entfernen sind. Probenpaare, die entweder mit der alten oder der neuen Ätzmaske hergestellt wurden, haben vergleichbare Transporteigenschaften. Allerdings ist die neue \(\text{BaF}_2\) Ätzmaske deutlich robuster gegenüber Trockenätzprozessen und einfacher zu entfernen, was für die weitere Prozessierung eine entscheidende Verbesserung darstellt. Zusätzlich zur neuen Ätzmaske wurde auch induktiv gekoppeltes Plasmaätzen mit \(\text{CH}_4\) und Ar als Prozessgasen eingeführt. Dieses Trockenätzverfahren zeichnet sich durch sehr reproduzierbare Ergebnisse aus. Die Transporteigenschaften der so hergestellten Proben deuten darauf hin, dass induktiv gekoppeltes Plasmaätzen die Kristallqualität nicht merklich beeinträchtigt und dementsprechend auch zur Herstellung kleiner Proben geeignet ist. Der direkte Vergleich mit nasschemisch geätzten Proben zeigt, dass die Kanten der trockengeätzten Proben eine ausgeprägtere Rauigkeit aufweisen. Tatsächlich ist diese - meist unerwünschte - Eigenschaft für einige Experimente in dieser Arbeit von Vorteil oder zumindest nicht problematisch. Die meisten Proben wurden daher mit dem neuen Verfahren hergestellt. Teil II der Arbeit zeigt detailliert, welche topologischen und trivialen Zustände im dreidimensionalen topologischen Isolator HgTe für den Ladungstransport relevant sind. Die zugrundeliegenden Transportexperimente wurden an qualitativ hochwertigen, makroskopischen "Hall bar" Proben aus zugverspannten HgTe-Schichten durchgeführt. Auf alle diese Proben wurde eine "Top Gate"-Elektrode aufgebracht. Zusätzlich waren einige Proben mit einer Modulationsdotierung oder einer weiteren "Back Gate"-Elektrode unter der HgTe Schicht ausgestattet, sodass die Ladungsträgerdichte beider topologischer Oberflächenzustände beeinflusst werden konnte. Aufgrund der hohen Probenqualität konnten bereits bei kleinen Magnetfeldern von weniger als 0.5T Landau-Niveaus aufgelöst werden. Detaillierte Messungen der Landau-Niveaus mit veränderlichen Gatespannungen und Magnetfeldern ermöglichten es, die relevanten Transportkanäle einzeln zu identifizieren. Die wichtigste Erkenntnis ist hierbei, dass die elektronenartigen topologischen Oberflächenzustände in allen experimentell relevanten Dichtebereichen die Transporteigenschaften dominieren, der lochartige Teil dieser Bänder jedoch nicht erreicht werden kann. Weit im n-Bereich werden auch die volumenartigen Zustände des Leitungsbandes besetzt, die jedoch nur einen kleinen Einfluss auf die Transporteigenschaften haben. Die volumenartigen Zustände des Valenzbandes haben hingegen einen großen Einfluss auf Transporteigenschaften, wenn die Gesamtladungsträgerdichte des Systems klein wird. Das Anlegen einer hohen Gatespannung führt weiter im p-Bereich zur Bildung von zweidimensionalen, lochartigen Zuständen an der dem Gate zugewandten HgTe Oberfläche. Aus dem Zusammenspiel dieser Zustände ergeben sich mehrere interessante Effekte: Top- und Back-Gate-abhängige Messungen zeigen deutlich, dass bei gleicher Besetzungszahl die Landau-Niveaus der beiden topologischen Oberflächenzustände nicht direkt kreuzen. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen ist eine schwache Hybridisierung der Oberflächenzustände, die in weiterführenden Studien genauer untersucht werden sollte. Darüber hinaus führt die Überlagerung von elektronenartigen und lochartigen Zuständen zu einem komplexen Verlauf der Landau-Niveaus im Magnetfeld. Die Hall-Leitfähigkeit ist in dieser Situation exakt quantisiert, was auf eine Wechselwirkung zwischen den gegenläufigen Randzuständen schließen lässt. Eine weiterführende Studie wird sich detaillierter mit dieser Wechselwirkung auseinandersetzen. Teil III der Arbeit konzentriert sich auf HgTe Mikrostrukturen. Diese "Kanalproben" haben üblicherweise eine Breite von 0.5 bis 4µm und eine Länge von 5 bis 80µm. Die weiterentwickelten lithographischen Prozesse erlauben die Herstellung solcher Strukturen mit ausreichend hoher Qualität, um im n-Bereich das quasi-ballistische Transportregime zu erreichen. Hier liegt die mittlere freie Weglänge von Elektronen in den topologischen Oberflächenzuständen in derselben Größenordnung wie die Kanalbreite. Dies konnte durch Messung des Kanalwiderstands in kleinen Magnetfeldern nachgewiesen werden. Die Ladungsträger werden hierbei zu den Kanalwänden hin abgelenkt und streuen dort vermehrt. Der Magnetowiderstand zeigt dann ein ausgeprägtes Maximum, was vorhersagbar mit der Kanalbreite skaliert. Die Ladungsträger können auch untereinander streuen. Um diesen Effekt zu untersuchen, wurde der differentielle Kanalwiderstand als Funktion der Ladungsträgertemperatur gemessen. Für diese Messungen wurde ein Heizstrom direkt durch den Kanal geschickt, um die Ladungsträgertemperatur - nicht jedoch die Gittertemperatur - zu erhöhen. Wenn das Fermi-Niveau nah am Valenzbandmaximum mit seiner sehr großen Zustandsdichte liegt, hat die Erhöhung der Ladungsträgertemperatur zwei sehr ausgeprägte Konsequenzen: Zum einen kommt es zu einem starken Anstieg des Widerstands mit steigender Temperatur, verursacht durch die Streuung von Elektronen aus den topologischen Oberflächenzuständen mit Löchern aus dem Valenzband. Zum anderen führt die thermische Umverteilung von Ladungsträgen bei höheren Temperaturen zu einem Abfall des Widerstands. Basierend auf diesen beiden Effekten wurde ein Modell entwickelt, was die experimentellen Beobachtungen zufriedenstellend reproduziert. Dieses Modell fand weitere Bestätigung durch ähnliche Messungen an HgTe Quantentrögen und druckverspannten HgTe Schichten. Diese Ergebnisse führen zu der Frage, inwiefern die Elektronen-Loch Streuung andere Transporteigenschaften des dreidimensionalen topologischen Isolators HgTe beeinflusst. Ein kurzer Ausblick erörtert, wie diese Frage in weiterführenden Studien untersucht werden kann. KW - Topologischer Isolator KW - Quecksilbertellurid KW - Elektronentransport KW - topological insulator KW - HgTe KW - surface states KW - electron-hole scattering Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259521 ER - TY - THES A1 - Reuter-Weissenberger, Philipp T1 - The role of a fungal-specific transcription regulator on vacuolar biology and host interaction in \(Candida\) \(albicans\) T1 - Die Rolle eines pilzspezifischen Transkriptionsfaktors für die Vakuole und Wirtsinteraktion von \(Candida\) \(albicans\) N2 - Microorganisms that colonize the human body face large fluctuations in their surroundings. Therefore, those microbes developed sophisticated mechanisms that allow them to adapt their cell biology and maintain cellular homeostasis. One organelle vital to preserve cell physiology is the vacuole. The vacuole exhibits a wide range of functions and is able to adjust itself in response to both external and internal stimuli. Moreover, it plays an important role in host interaction and virulence in fungi such as Candida albicans. Despite this connection, only a few regulatory proteins have been described to modulate vacuolar biology in fungal pathogens. Furthermore, whether such regulation alters fungus-host interplay remains largely unknown. This thesis focuses on the characterization of ZCF8, a fungus-specific transcription regulator in the human-associated yeast C. albicans. To this end, I combined genome-wide protein-DNA interaction assays and gene expression analysis that identified genes regulated by Zcf8p. Fluorescence microscopy uncovered that several top targets of Zcf8p localize to the fungal vacuole. Moreover, deletion and overexpression of ZCF8 resulted in alterations in vacuolar morphology and in luminal pH and rendered the fungus resistant or susceptible to a vacuole-disturbing drug. Finally, in vitro adherence assays showed that Zcf8p modulates the attachment of C. albicans to human epithelial cells in a vacuole-dependent manner. Given those findings, I posit that the previously uncharacterized transcription regulator Zcf8p modulates fungal attachment to epithelial cells in a manner that depends on the status of the fungal vacuole. Furthermore, the results highlight that vacuolar physiology is a substantial factor influencing the physical interaction between Candida cells and mammalian mucosal surfaces. N2 - Mikroorganismen, die den Menschen besiedeln, sind großen Schwankungen in ihrer Umgebung ausgesetzt. Daher haben sie ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, die es ihnen ermöglichen, ihre Zellbiologie anzupassen und die zelluläre Homöostase aufrechtzuerhalten. Eine für die Aufrechterhaltung der Zellphysiologie wichtige Organelle ist die Vakuole. Sie verfügt über ein breites Spektrum an Funktionen und ist in der Lage, auf externe und interne Stimuli zu reagieren. Außerdem spielt dieses Organell eine wichtige Rolle bei der Pilz-Wirt-Interaktion und somit für die Pathogenität von Pilzen wie Candida albicans. Trotz dieses Zusammenhangs wurden bisher nur wenige regulatorische Proteine beschrieben, welche die Biologie der Vakuolen in pathogenen Pilzen modulieren. Zudem ist weitgehend unbekannt, ob eine solche Regulierung das Zusammenspiel von Pilz und Wirt verändert. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung von ZCF8, einem pilzspezifischen Transkriptionsregulator in der pathogenen Hefe C. albicans. Zu diesem Zweck wurden Protein-DNA-Interaktionstests und Genexpressionsanalysen kombiniert, um Gene zu identifizieren, die direkt von Zcf8p reguliert werden. Fluoreszenzmikroskopie zeigte zudem, dass mehrere der wichtigsten Ziele von Zcf8p in der Pilzvakuole lokalisiert sind. Darüber hinaus führte die Deletion und Überexpression von ZCF8 zu Veränderungen der Morphologie und des luminalen pH-Werts der Vakuole, und veränderte die Sensitivität des Pilzes gegenüber Stoffen, welche Funktionen der Vakuole beeinträchtigen. Schließlich deuteten In-vitro-Adhärenztests daraufhin, dass Zcf8p die Anheftung von C. albicans an menschliche Epithelzellen auf eine Weise moduliert, die abhängig von der Vakuole ist. Angesichts dieser Ergebnisse kann davon ausgegangen werden, dass der bisher unbekannte Transkriptionsregulator ZCF8 die Interaktion zwischen Pilz- und Epithelzellen des Wirts kontrolliert, und das auf eine Weise, die von der Pilzvakuole abhängig ist. Des Weiteren, unterstreichen die Ergebnisse, dass die Physiologie der Vakuole ein wesentlicher Faktor ist, welcher die Interaktion zwischen C. albicans und dem Wirt beeinflusst. KW - Vakuole KW - Transkriptionsfaktor KW - Candida albicans KW - vacuole KW - host colonization KW - Candida albicans KW - transcription regulator Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259287 ER - TY - THES A1 - Muralidhara, Prathibha T1 - Perturbations in plant energy homeostasis alter lateral root plasticity via SnRK1-bZIP63-ARF19 signalling T1 - Störungen in der pflanzlichen Energiehomöostase verändern die laterale Wurzelplastizität vermittelt durch das SnRK1-bZIP63-ARF19-Signalmodul N2 - Photosynthetic plants have a remarkable ability to modify their metabolism and development according to ever changing environmental conditions. The root system displays continuous growth of the primary root and formation of lateral roots enabling efficient water and nutrient uptake and anchorage of the plant in soil. With regard to lateral roots, development is post-embryonic, originating from the pericycle of the primary root. Coordinated activity of several molecular signalling pathways controlled by the hormone auxin is important throughout all stages of lateral root development.At first, two adjacent Xylem Pole Pericycle (XPP) cells are activated and the nuclei of these cells migrate towards a common cell wall.This is followed by XPP cells acquiring volume thus swelling up.The XPP cells then undergo anticlinal cell division, followed by a series of periclinal and anticlinal divisions,leading to lateral root primordia.These break through the radial cell layers and emerge out the primary root. Although root system plasticity is well-described in response to environmental cues such as ion nutrition in the soil, little is known on how root development is shaped according to the endogenous energy status of the plant.In this study, we were able to connect limited perturbations in photosynthetic energy supply to lateral root development.We established two experimental systems – treatment with low light and unexpected darkness which led to short-term energy imbalance in the plant.These short perturbations administered, showed an increase in the emerged lateral root density and decrease in root hexose availability and activation of the low energy marker gene ASN1 (ASPARAGINE SYNTHETASE 1).Although not demonstrated, presumably, these disturbances in the plant energy homeo-stasis activates SnRK1 (SNF1 RELATED KINASE 1),an evolutionary conserved kinase mediat-ing metabolic and transcriptional responses towards low energy conditions. In A. thaliana, two catalytic α-subunits of this kinase (SnRK1.α1 and SnRK1.α2) are functionally active and form ternary complexes with the regulatory β- and γ- subunits. Whereas unexpected darkness results in an increase in emerged lateral root density, the snrk1.α1 loss-of-function mutant displayed decrease in emerged lateral root density. As this effect is not that pronounced in the snrk1.α2 loss-of-function mutant, the α1 catalytic subunit is important for the observed lateral root phenotype under short-term energy perturbations. Moreover, root expression patterns of SnRK1.α1:GFP supports a role of this catalytic subunit in lateral root development. Furthermore, the lateral root response during short-term perturbations requires the SnRK1 downstream transcriptional regulator bZIP63 (BASIC LEU-CINE ZIPPER 63), as demonstrated here by a loss-of-function approach. Phenotypic studies showed that in comparison to wild-type, bzip63 mutants displayed decreased lateral root density upon low-light and unexpected darkness conditions. Previous work has demonstrat-ed that SnRK1 directly phosphorylates bZIP63 at three serine residues. Alanine-exchange mutants of the SnRK1 dependent bZIP63 phosphorylation sites behave similarly to bzip63 loss-of-function mutants and do not display increased lateral root density upon short-term unexpected darkness. This data strongly supports an impact of SnRK1-bZIP63 signalling in mediating the observed lateral root density phenotype. Plants expressing a bZIP63:YFP fu-sion protein showed specific localization patterns in primary root and in all developmental stages of the lateral root. bzip63 loss-of-function mutant lines displayed reduced early stage lateral root initiation events under unexpected darkness as demonstrated by Differen-tial Interference Contrast microscopy (DIC) and the use of a GATA23 reporter line. This data supports a role of bZIP63 in early lateral root initiation. Next, by employing Chromatin Immunoprecitation (ChIP) sequencing, we were able to iden-tify global binding targets of bZIP63, including the auxin-regulated transcription factor (TF) ARF19 (AUXIN RESPONSE FACTOR 19), a well-described central regulator of lateral root development. Additional ChIP experiments confirmed direct binding of bZIP63 to an ARF19 promoter region harboring a G-Box cis-element, a well-established bZIP63 binding site. We also observed that short-term energy perturbation upon unexpected darkness induced tran-scription of ARF19, which was impaired in the bzip63 loss-of-function mutant. These results propose that bZIP63 mediates lateral root development under short-term energy perturba-tion via ARF19. In conclusion, this study provides a novel mechanistic link between energy homeostasis and plant development. By employing reverse genetics, confocal imaging and high-throughput sequencing strategies, we were able to propose a SnRK1-bZIP63-ARF19 signalling module in integrating energy signalling into lateral root developmental programs. N2 - Photosynthestisch aktive Pflanzen haben die bemerkenswerte Fähigkeit, ihren Stoffwechsel und ihre Entwicklung an sich ständig ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Das pflanz- liche Wurzelsystem weist ein kontinuierliches Primärwurzelwachstum und eine Ausbildung von Seitenwurzeln auf, wodurch eine effiziente Wasser- und Nährstoffaufnahme sowie die Verankerung der Pflanze im Boden ermöglicht werden. Die Entwicklung der Seitenwurzeln verläuft post-embryonal, ausgehend vom Perizykel der Primärwurzel. Die koordinierte Aktivi- tät mehrerer molekularer Signalwege, die durch das Hormon Auxin gesteuert werden, ist in allen Stadien der Seitenwurzelentwicklung wichtig. Bei diesem Prozess werden zunächst zwei benachbarte Xylem-Pol-Perizykel-Zellen (XPP) aktiviert, deren Zellkerne zu einer gemeinsa- men Zellwand migrieren. Daraufhin schwillt das Volumen der XPP-Zellen an, bevor sich diese zunächst antiklinal teilen. Durch sukzessive periklinale und antiklinale Teilungen entstehen so Seitenwurzel-Primordien. Diese durchbrechen die radialen Zellschichten und treten aus der Primärwurzel aus. Während die Plastizität des Wurzelsystems als Reaktion auf Umwelteinflüsse, wie z.B. die Ver- sorgung mit Ionen aus dem Boden, bereits umfassend erforscht wurde, so ist die Abhängigkeit der Wurzelentwicklung vom endogenen Energiezustand der Pflanze weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit konnten wir geringfügige Störungen der photosynthetischen Energieversor- gung mit der Seitenwurzelentwicklung in Verbindung bringen. Pflanzen wurden Schwachlicht oder unerwarteter Dunkelheit ausgesetzt und damit ein kurzzeitiges Energieungleichgewicht erzeugt. Hierdurch zeigte sich eine Zunahme der Seitenwurzeldichte bei gleichzeitiger Ab- nahme der Verfügbarkeit von Hexosen in der Wurzel und Aktivierung des Energieverarmungs- Markergens ASN1 (ASPARAGIN-SYNTHETASE 1). Obwohl dieser Mechanismus noch nicht ge- klärt ist, aktiviert die Störung der pflanzlichen Energie-Homöostase vermutlich SnRK1 (SNF1 RELATED KINASE 1), eine evolutionär konservierte Kinase, die metabolische und transkriptio- nelle Reaktionen auf niederenergetische Bedingungen vermittelt. In Arabidopsis sind zwei ka- talytische α-Untereinheiten dieser Kinase (SnRK1.α1 und SnRK1.α2) funktionell aktiv und bil- den ternäre Komplexe mit den regulatorischen β- und γ-Untereinheiten. Während eine uner- wartete Dunkelheit zu einer Zunahme der Dichte der auswachsenden Seitenwurzeln führt, zeigte die Snrk1.α1 Funktionsverlustmutante den gegenteiligen Effekt. Da dieser Effekt in der Funktionsverlustmutante von snrk1.α2 weniger stark ausgeprägt ist, scheint die katalytische Untereinheit α1 für den beobachteten Seitenwurzel-Phänotyp unter kurzfristigen Energiestö- rungen eine wichtige Rolle zu spielen. Das Expressionsmuster von SnRK1.α1:GFP in der Wur- zel unterstützt die mögliche Rolle dieser katalytischen Untereinheit bei der Seitenwurzelent- wicklung weiter. Darüber hinaus erfordert die Seitenwurzelbildung während kurzfristiger Störung des pflanzli- chen Energiehaushalts den SnRK1-nachgeschalteten Transkriptionsregulator bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63). Phänotypische Studien zeigten, dass bzip63-Funktionsverlust-Mutanten im Vergleich zum Wildtyp nach der Kultivierung unter Schwachlicht oder nach unerwarteter Dunkelheit eine geringere Seitenwurzeldichte aufwiesen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass SnRK1 bZIP63 direkt an drei Serinresten phosphoryliert. Alanin-Austauschmutanten der SnRK1-abhängigen bZIP63-Phosphorylierungsstellen verhielten sich ähnlich wie bzip63-Funk- tionsverlustmutanten und zeigten bei kurzzeitiger unerwarteter Dunkelheit keine erhöhte Seitenwurzeldichte. Diese Daten weisen deutlich auf einen Einfluss des SnRK1-bZIP63-Signal- wegs auf den beobachteten Seitenwurzeldichte Phänotyp hin. Pflanzen, die ein bZIP63:YFP- Fusionsprotein exprimieren, zeigten ein spezifisches bZIP63 Lokalisierungsmuster in der Pri- märwurzel, sowie in allen Entwicklungsstadien der Seitenwurzel. bzip63-Funktionsverlustmu- tantenlinien zeigten reduzierte Seitenwurzel- Initiationsereignisse bei unerwarteter Dunkel- heit, wie durch Differentialinterferenzkontrast-Mikroskopie (DIC) und der Verwendung einer GATA23-Reporterlinie nachgewiesen wurde. Diese Ergebnisse deuten auf eine Rolle von bZIP63 bei der frühen Seitenwurzel-Initiierung hin. Durch die Anwendung der Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP)-Sequenzierungsmethode konnten wir daraufhin globale Bindungsziele von bZIP63 identifizieren, einschließlich des au- xinregulierten Transkriptionsfaktors ARF19 (AUXIN RESPONSE FACTOR 19), einem gut be- schriebenen zentralen Regulator der Seitenwurzelentwicklung. Zusätzliche ChIP-Experimente bestätigten die direkte Bindung von bZIP63 an eine ARF19-Promotorregion, die ein G-Box cis- Element, eine bekannte bZIP63-Bindungsstelle, beherbergt. Wir beobachteten auch, dass kurzfristige Energiestörungen bei unerwarteter Dunkelheit die Transkription von ARF19 indu- zierte, die in der bzip63-Funktionsverlustmutante beeinträchtigt war. Diese Ergebnisse legen nahe, dass bZIP63 die Seitenwurzelentwicklung unter kurzfristiger Energiestörung über ARF19 vermittelt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie eine neuartige mechanistische Verbin- dung zwischen Energiehomöostase und Pflanzenentwicklung herstellt. Durch den Einsatz von reverser Genetik, konfokaler Mikroskopie und Hochdurchsatz-Sequenzierungsstrategien konnten wir einen SnRK1-bZIP63-ARF19-Signalweg zur Integration von Energiesignalen in Sei- tenwurzelentwicklungsprogramme aufdecken. KW - Arabidopsis thaliana KW - Lateral root development KW - SnRK1-bZIP complex Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-205636 ER - TY - THES A1 - Höcker, Julian Harald T1 - High-quality Organolead Trihalide Perovskite Crystals: Growth, Characterisation, and Photovoltaic Applications T1 - Qualitativ-hochwertige bleiorganische Trihalogenid-Perowskit-Kristalle: Wachstum, Charakterisierung und photovoltaische Anwendungen N2 - Overview of the Organolead Trihalide Perovskite Crystal Area Studies of perovskite single crystals with high crystallographic quality is an important technological area of the perovskite research, which enables to estimate their full optoelectronic potential, and thus to boost their future applications [26]. It was therefore essential to grow high-quality single crystals with lowest structural as well as chemical defect densities and with a stoichiometry relevant for their thin-film counterparts [26]. Optoelectronic devices, e.g. solar cells, are highly complex systems in which the properties of the active layer (absorber) are strongly influenced by the adjacent layers, so it is not always easy to define the targeted properties and elaborate the design rules for the active layer. Currently, organolead trihalide perovskite (OLTP) single crystals with the structure ABX3 are one of the most studied crystalline systems. These hybrid crystals are solids composed of an organic cation such as methylammonium (A = MA+) or formamidinium (A = FA+) to form a three-dimensional periodic lattice together with the lead cation (B = Pb2+) and a halogen anion such as chloride, bromide or iodide (X = Cl-, Br- or I-) [23]. Among them are methylammonium lead tribromide (MAPbBr3), methylammonium lead triiodide (MAPbI3), as well as methylammonium lead trichloride (MAPbCl3) [62, 63]. Important representatives with the larger cation FA+ are formamidinium lead tribromide (FAPbBr3) and formamidinium lead triiodide (FAPbI3) [23, 64]. Besides the exchange of cations as well as anions, it was possible to grow crystals containing two halogens to obtain mixed crystals with different proportions of chlorine to bromine and bromine to iodine, as it is shown in Figure 70. By varying the mixing ratio of the halogens, it was therefore possible to vary the colour and thus the absorption properties of the crystals [85], as it can be done with thin polycrystalline perovskite films. In addition, since a few years it is also doable to grow complex crystals that contain several cations as well as anions [26, 80, 81]. These include the perovskites double cation – double halide formamidinium lead triiodide – methylammonium lead tribromide (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.1 (FAMA) [26, 80] and formamidinium lead triiodide – methylammonium lead tribromide – caesium lead tribromide (FAPbI3)0.9(MAPbBr3)0.05(CsPbBr3)0.05 (CsFAMA) [81], which have made a significant contribution to increase the power conversion efficiency (PCE) in thin-film photovoltaics [47, 79, 182]. The growth of crystals to this day is performed exclusively from solution [23, 26, 56, 62]. Important preparation methods are the cooling acid-based precursor solution crystallisation [22], the inverse temperature crystallisation (ITC) [62], and the antisolvent vapour-assistant crystallisation (AVC) [137]. In the cooling crystallisation, the precursor salts AX and PbX2 are dissolved in an aqueous halogen-containing acid at high temperatures [56]. Controlled and slow cooling finally results in a supersaturated precursor solution, which leads to spontaneous nucleation of crystal nuclei, followed by subsequent crystal growth. The ITC method is based on the inverse or retrograde solubility of a dissociated perovskite in an organic solvent [23, 64]. With increasing temperature, the solubility of the perovskite decreases and mm-sized crystals can be grown within a few hours [23]. In the AVC method, the precursors are also dissolved in an organic solvent as well [137]. By slow evaporation of a so-called antisolvent [137], the solubility of the perovskite in the now present solvent mixture decreases and it finally precipitates. In addition, there are many other methods with the goal of growing high quality and large crystals in a short period of time [60, 61, 233, 310]. N2 - Mit der Antisolvent-Kristallisation (AVC) und der inversen Temperaturkristallisation (ITC) konnten alle aus der Dünnschichtanwendungen bekannten Perowskite auf Basis von Methylammonium als mm-große Kristalle gezüchtet werden. Detaillierte qualitative und quantitative Analysen ergaben die gleichen Stöchiometrie der Kristalle wie die ihrer entsprechenden Vorläuferlösung. Wie bereits erwähnt, war es möglich Kristalle mit einer Vielzahl unterschiedlicher Farben und dementsprechend variierenden Bandlücken zu erhalten, die durch selektive Änderung des Halogenverhältnisses als Photodetektoren im UV-VIS/NIR Bereich dienen könnten. Die Variation der Halogene führt jedoch nicht nur zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften, sondern auch zu einer Erhöhung der Gitterkonstante mit zunehmendem Brom/Chlor- bzw. Iod/Brom-Verhältnis. Darüber hinaus ändert sich die Gitterstruktur von einem einfachen kubischen Gitter für MAPbCl3 und MAPbBr3 zu einem tetragonal-raumzentrierten Gitter für MAPbI3. Die Zahl der Verfahren zur Züchtung von OLTP-Einkristallen nimmt ständig zu. Die oben genannten Kristallisationsverfahren können kombiniert werden, um qualitativ hochwertige Perowskitkristalle zu züchten. Ein mechanischer Ansatz zur Züchtung komplexer und großformatiger Kristalle ohne Verwendung von Impfkristallen wurde mit der Wiederauffüllbaren-Kristallisationsmethode (RFCM) realisiert, die auf der inversen Löslichkeit von ITC beruht. Durch das Einleiten einer frischen Vorläuferlösung und die gleichzeitige Entfernung der verbrauchten Lösung war es möglich in-situ große Kristalle mit hervorragender struktureller Qualität zu züchten, wie die Röntgenbeugungsmessung (XRD) und die Rocking-Kurve eines FAMA-Einkristalls bestätigen. Die Methode ermöglicht nicht nur die Züchtung komplexer großer FAMA- und CsFAMA-Kristalle, sondern ist auch der etablierten Impfkristalltechnik überlegen, wie die radiographischen Messungen der Kristalloberfläche und des Kristallinneren zeigten. Um die Herausforderung der elektrischen Kontaktierung zu meistern, wurden Leiterplatten entwickelt, die die Kristalle sanft kontaktieren, um so elektronische Messungen zu ermöglichen. Ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der inversen Löslichkeit wurde durch die Entwicklung eines neuen Kristallisationsverfahrens geleistet, das als reaktive inverse Temperaturkristallisation (RITC) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Kombination aus reaktiver und inverser Temperaturkristallisation. Durch Zugabe einer geringen Menge eines primären Alkohols zur Perowskit-Vorläuferlösung konnte die inverse Löslichkeit des Perowskits drastisch reduziert werden. Dies konnte durch die Polaritätswerte der Alkohole bestimmt werden, wobei die Löslichkeit der Lösung mit abnehmender Polarität sank. Durch die geringere Löslichkeit konnten die Kristalle bei viel niedrigeren Temperaturen als mit der ITC-Methode gewachsen werden. Darüber hinaus eignet sich die Methode für die Züchtung aller bekannten bleiorganischen Trihalogenid-Perowskite und ermöglichte die Züchtung von qualitativ hochwertigen Einkristallen, was durch Röntgenmessungen bestätigt wurde. Um Perowskit-Kristalle für photovoltaische Anwendungen zu nutzen, müssen sie wie die entsprechenden polykristallinen Dünnschichten in ihrer Dicke reduziert werden, da mm-dicke Kristalle für diesen Zweck weniger geeignet sind. Bevor jedoch µm-dicke Kristalle gezüchtet wurden, wurden polykristalline MAPbI3-Dünnschichten mit einigen 100 nm auf dem Lochleiter Poly[N,N’-bis(4-butilphenyl) - N,N’-bis(phenyl)-benzidine] (polyTPD) prozessiert, um im Folgenden effiziente Solarzellen herzustellen. Die erzielten Ergebnisse lieferten nicht nur einen weiteren wichtigen Beitrag zur Perowskit-Dünnschichtphotovoltaik, sondern die gewonnenen Erkenntnisse ermöglichten im Folgenden auch ein besseres Verständnis für die Herstellung von halbleitenden Bauteilen auf Basis von Kristallwafern und Kristall-„Filmen“. Insbesondere die hydrophobe Eigenschaft von Poly(triaryl)aminen erleichterte die Handhabung von MAPbI3-Wafern. Um die Waferdicke zu kontrollieren und Kristalle mit einer hohen Strukturqualität zu züchten, wurde ein selbst gebauter Aufbau verwendet. Ein Kristallwafer kann leicht auf einem mit Poly[bis(4-phenyl) (2,4,6-trimethylphenyl) amine] (PTAA)-beschichteten Siliziumwafer gezüchtet werden, wobei die Wachstumshöhe des Kristalls durch Abstandshalter begrenzt ist. Die gewachsenen MAPbI3-Wafer mit einer Dicke von wenigen hundert µm erwiesen sich als sehr vielversprechend für die Herstellung eines Photodetektor-Prototyps, was durch die Auswertung des Photostroms und der Photoresponsivität in Abhängigkeit von der Zeit bestätigt wurde. Schließlich gelang es die Dicke der Perowskitkristalle MAPbBr3 und MAPbI3 mit Hilfe der raumbegrenzten RITC-Methode auf nur 10 bis 15 µm zu reduzieren. Wie die Wafer, wiesen auch die Kristall-„Filme“ eine hohe Strukturqualität auf und wurden für die Fabrikation einer MAPbI3-basierten Solarzelle verwendet. Die Auswertung der charakteristischen Solarzellenparameter der MAPbI3-Kristall-„Film“-Solarzelle lieferte erste vielversprechende Ergebnisse und zeigt das Potenzial der Verwendung von Kristallen für photovoltaische Zellen, auch wenn die Herstellung von dünnen Perowskit-Kristall-Solarzellen heute noch sehr schwierig ist. KW - Perowskit KW - Kristall KW - Perovskite KW - Crystal Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258590 ER - TY - THES A1 - Wanner, Jonas Paul T1 - Artificial Intelligence for Human Decision-Makers: Systematization, Perception, and Adoption of Intelligent Decision Support Systems in Industry 4.0 T1 - Künstliche Intelligenz für menschliche Entscheidungsträger: Systematisierung, Wahrnehmung und Akzeptanz von intelligenten Entscheidungsunterstützungssystemen im Kontext der Industrie 4.0 N2 - Innovative possibilities for data collection, networking, and evaluation are unleashing previously untapped potential for industrial production. However, harnessing this potential also requires a change in the way we work. In addition to expanded automation, human-machine cooperation is becoming more important: The machine achieves a reduction in complexity for humans through artificial intelligence. In fractions of a second large amounts of data of high decision quality are analyzed and suggestions are offered. The human being, for this part, usually makes the ultimate decision. He validates the machine’s suggestions and, if necessary, (physically) executes them. Both entities are highly dependent on each other to accomplish the task in the best possible way. Therefore, it seems particularly important to understand to what extent such cooperation can be effective. Current developments in the field of artificial intelligence show that research in this area is particularly focused on neural network approaches. These are considered to be highly powerful but have the disadvantage of lacking transparency. Their inherent computational processes and the respective result reasoning remain opaque to humans. Some researchers assume that human users might therefore reject the system’s suggestions. The research domain of explainable artificial intelligence (XAI) addresses this problem and tries to develop methods to realize systems that are highly efficient and explainable. This work is intended to provide further insights relevant to the defined goal of XAI. For this purpose, artifacts are developed that represent research achievements regarding the systematization, perception, and adoption of artificially intelligent decision support systems from a user perspective. The focus is on socio-technical insights with the aim to better understand which factors are important for effective human-machine cooperation. The elaborations predominantly represent extended grounded research. Thus, the artifacts imply an extension of knowledge in order to develop and/ or test effective XAI methods and techniques based on this knowledge. Industry 4.0, with a focus on maintenance, is used as the context for this development. N2 - Durch innovative Möglichkeiten der Datenerhebung, Vernetzung und Auswertung werden Potenziale für die Produktion freigesetzt, die bisher ungenutzt sind. Dies bedingt jedoch eine Veränderung der Arbeitsweise. Neben einer erweiterten Automatisierung wird die Mensch-Maschinen-Kooperation wichtiger: Die Maschine erreicht durch Künstliche Intelligenz eine Komplexitätsreduktion für den Menschen. In Sekundenbruchteilen werden Vorschläge aus großen Datenmengen von hoher Entscheidungsqualität geboten, während der Mensch i.d.R. die Entscheidung trifft und diese ggf. (physisch) ausführt. Beide Instanzen sind stark voneinander abhängig, um eine bestmögliche Aufgabenbewältigung zu erreichen. Es scheint daher insbesondere wichtig zu verstehen, inwiefern eine solche Kooperation effektiv werden kann. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Künstlichen Intelligenz zeigen, dass die Forschung hierzu insbesondere auf Ansätze Neuronaler Netze fokussiert ist. Diese gelten als hoch leistungsfähig, haben aber den Nachteil einer fehlenden Nachvollziehbarkeit. Ihre inhärenten Berechnungsvorgänge und die jeweilige Ergebnisfindung bleiben für den Menschen undurchsichtig. Einige Forscher gehen davon aus, dass menschliche Nutzer daher die Systemvorschläge ablehnen könnten. Die Forschungsdomäne erklärbare Künstlichen Intelligenz (XAI) nimmt sich der Problemstellung an und versucht Methoden zu entwickeln, um Systeme zu realisieren die hoch-leistungsfähig und erklärbar sind. Diese Arbeit soll weitere Erkenntnisse für das definierte Ziel der XAI liefern. Dafür werden Artefakte entwickelt, welche Forschungsleistungen hinsichtlich der Systematisierung, Wahrnehmung und Adoption künstlich intelligenter Entscheidungsunterstützungssysteme aus Anwendersicht darstellen. Der Fokus liegt auf sozio-technischen Erkenntnissen. Es soll besser verstanden werden, welche Faktoren für eine effektive Mensch-Maschinen-Kooperation wichtig sind. Die Erarbeitungen repräsentieren überwiegend erweiterte Grundlagenforschung. Damit implizieren die Artefakte eine Erweiterung des Wissens, um darauf aufbauend effektive XAI-Methoden und -Techniken zu entwickeln und/ oder zu erproben. Als Kontext der eigenen Erarbeitung wird die Industrie 4.0 mit Schwerpunkt Instandhaltung genutzt. KW - Künstliche Intelligenz KW - Entscheidungsunterstützungssystem KW - Industrie 4.0 KW - Explainable AI KW - Erklärbare Künstliche Intelligenz KW - Artificial Intelligence KW - Industry 4.0 KW - Decision Support Systems Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259014 ER - TY - THES A1 - Bangelesa, Freddy Fefe T1 - Impacts of climate variability and change on Maize (\(Zea\) \(mays\)) production in tropical Africa T1 - Auswirkungen von Klimavariabilität und Veränderungen auf die Mais (\(Zea\) \(mays\)) Produktion im tropischen Afrika N2 - Climate change is undeniable and constitutes one of the major threats of the 21st century. It impacts sectors of our society, usually negatively, and is likely to worsen towards the middle and end of the century. The agricultural sector is of particular concern, for it is the primary source of food and is strongly dependent on the weather. Considerable attention has been given to the impact of climate change on African agriculture because of the continent’s high vulnerability, which is mainly due to its low adaptation capac- ity. Several studies have been implemented to evaluate the impact of climate change on this continent. The results are sometimes controversial since the studies are based on different approaches, climate models and crop yield datasets. This study attempts to contribute substantially to this large topic by suggesting specific types of climate pre- dictors. The study focuses on tropical Africa and its maize yield. Maize is considered to be the most important crop in this region. To estimate the effect of climate change on maize yield, the study began by developing a robust cross-validated multiple linear regression model, which related climate predictors and maize yield. This statistical trans- fer function is reputed to be less prone to overfitting and multicollinearity problems. It is capable of selecting robust predictors, which have a physical meaning. Therefore, the study combined: large-scale predictors, which were derived from the principal component analysis of the monthly precipitation and temperature; traditional local-scale predictors, mainly, the mean precipitation, mean temperature, maximum temperature and minimum temperature; and the Water Requirement Satisfaction Index (WRSI), derived from the specific crop (maize) water balance model. The projected maize-yield change is forced by a regional climate model (RCM) REMO under two emission scenarios: high emission scenario (RCP8.5) and mid-range emission scenario (RCP4.5). The different effects of these groups of predictors in projecting the future maize-yield changes were also assessed. Furthermore, the study analysed the impact of climate change on the global WRSI. The results indicate that almost 27 % of the interannual variability of maize production of the entire region is explained by climate variables. The influence of climate predictors on maize-yield production is more pronounced in West Africa, reaching 55 % in some areas. The model projection indicates that the maize yield in the entire region is expected to decrease by the middle of the century under an RCP8.5 emission scenario, and from the middle of the century to the end of the century, the production will slightly recover but will remain negative (around -10 %). However, in some regions of East Africa, a slight increase in maize yield is expected. The maize-yield projection under RCP4.5 remains relatively unchanged compared to the baseline period (1982-2016). The results further indicate that large-scale predictors are the most critical drivers of the global year-to-year maize-yield variability, and ENSO – which is highly correlated with the most important predictor (PC2) – seems to be the physical process underlying this variability. The effects of local predictors are more pronounced in the eastern parts of the region. The impact of the future climate change on WRSI reveals that the availability of maize water is expected to decrease everywhere, except in some parts of eastern Africa. N2 - Weil die Folgen des Klimawandels die Lebensgrundlagen aller Lebewesen beeinträchtigen, ist der Klimawandel ein sehr relevantes Thema des 21. Jahrhunderts. Seine negativen Effekte betreffen bereits viele Sektoren unserer Gesellschaft und die Prognosen zeigen, dass sich die Auswirkungen des Klimawandels Mitte und Ende dieses Jahrhunderts ver- schärfen werden. Die Landwirtschaft ist besonders betroffen, denn sie ist sehr abhängig vom Klima. Da die Landwirtschaft als Hauptnahrungsquelle der Menschen gilt, ist es erforderlich sich mit den Problemen des Klimawandels rechtzeitig zu beschäftigen, um in der Zukunft die Ernährung der Menschheit gewährleisten zu können. Viele Forscher beschäftigen sich mit den Folgen des Klimawandels in der Landwirtschaft. Besonders in Afrika wurde viel geforscht, weil die Landwirtschaft in Afrika sich technisch schlecht anpassen kann, um die Schwierigkeiten, die mit dem Klimawandel einhergehen, zu über- winden. Mehrere Studien wurden durchgeführt, um die Auswirkungen des Klimawan- dels in Afrika zu bewerten. Aufgrund der unterschiedlichen verwendeten statistischen Methoden, Modellierungen der Umweltprozesse oder Ertragsdaten sind die Ergebnisse teilweise kontrovers. Diese Studie versucht, einen wesentlichen Beitrag zum Einfluss des Klimawandels auf die Landwirtschaft in Westafrika zu leisten, indem sie spezifis- che Methoden vorschlägt, um das Klima der Zukunft projizieren zu können. Diese Studie behandelt Maiserträge in den Tropen Afrikas, da Mais dort die wichtigste Nutzpflanze ist. Um die Auswirkungen des Klimawandels auf den Maisertrag abzuschätzen, wurde ein Regressionsmodell (aus dem Englischen: robust cross-validated multiple) entwickelt, das Klimaprädiktoren und Maiserträge koppelt. Diese entwickelte statistische Übertra- gungsfunktion ist zuverlässiger bei Schwierigkeiten mit der Überanpassung und der Mul- tikollinearität. Außerdem ist sie auch in der Lage robuste Prädiktoren mit physikalischer Bedeutung auszuwählen. Deshalb wurden in der Studie großräumige und lokale Prädik- toren kombiniert. Erstere entstammen der Analyse der Komponenten des monatlichen Niederschlags und der Temperatur, letztere basieren basieren auf den mittleren und Ex- tremtemperaturen sowie dem mittleren Niederschlag. Zusätzlich zu den Prädiktoren wurde ein Index der Wasserbedarfsdeckung (Water Requirement Satisfaction Index, WRSI) verwendet, der auf einem Wasserhaushaltsmodell der Nutzpflanzen basiert. Die erwartete Mais-Ertragsänderung wird mithilfe eines regionalen Klimamodells (RCM) REMO für die Emissionsszenarien RCP8.5 und RCP4.5 simuliert. Die einzelnen Effekte der Prädiktoren- Gruppen bei der Prognose der zukünftigen Mais-Ertragsänderungen wurden ebenfalls bewertet. Darüber hinaus analysierte die Studie die Auswirkungen des Klimawandels auf den WSRI. Durchschnittlich zeigen die Ergebnisse eine jährliche Maisproduktionsän- derung von ca. 27 % in der gesamten Region. Diese Änderung, die in Westafrika mit ca. 55 % stärker ausgeprägt ist, ist eine Folge des Klimawandels. Die Simulationen des Mod- ells anhand von RCP8.5-Emissionsszenario zeigen auch, dass der Maisertrag der gesamten Region voraussichtlich bis Mitte des Jahrhunderts abnehmen wird. Danach findet eine geringe Ertragserhöhung statt, die jedoch um ca. 10 % unter der ursprünglichen Menge liegt. Im Gegensatz zu Westafrika wird in einigen Regionen Ostafrikas wird ein leichter Anstieg des Maisertrags simuliert. Die Mais-Ertragsprognose für die gesamte Region mittels RCP4.5 bleibt relativ unverändert im Vergleich zum ursprünglichen Ertrag. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die großräumigen Prädiktoren die wichtigste Rolle bei den globalen jährlichen Maisertragsschwankungen spielen. ENSO ist stark mit dem wichtigsten Prädiktor korreliert, was auf den physikalischen Prozess hinweist, der diese Ertragsänderung erklärt. Die Relevanz der lokalen Prädiktoren ist in den östlichen Re- gionen Afrikas stärker ausgeprägt. Sie beeinflussen den WRSI, sodass der Maisertrag im Verhältnis zur Wasserverfügbarkeit voraussichtlich überall abnehmen wird. Ausgenom- men sind einigen Regionen Ostafrikas. KW - Climate change KW - Food security KW - Modelling Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259347 ER - TY - THES A1 - Harder, Tristan H. T1 - Topological Modes and Flatbands in Microcavity Exciton-Polariton Lattices T1 - Topologische Moden und Flachbänder in Mikrokavitäts-Exziton-Polariton-Gittern N2 - The fascination of microcavity exciton-polaritons (polaritons) rests upon the combination of advanced technological control over both the III-V semiconductor material platform as well as the precise spectroscopic access to polaritonic states, which provide access to the investigation of open questions and complex phenomena due to the inherent nonlinearity and direct spectroscopic observables such as energy-resolved real and Fourier space information, pseudospin and coherence. The focus of this work was to advance the research area of polariton lattice simulators with a particular emphasis on their lasing properties. Following the brief introduction into the fundamental physics of polariton lattices in chapter 2, important aspects of the sample fabrication as well as the Fourier spectroscopy techniques used to investigate various features of these lattices were summarized in chapter 3. Here, the implementation of a spatial light modulator for advanced excitation schemes was presented. At the foundation of this work is the capability to confine polaritons into micropillars or microtraps resulting in discrete energy levels. By arranging these pillars or traps into various lattice geometries and ensuring coupling between neighbouring sites, polaritonic band structures were engineered. In chapter 4, the formation of a band structure was visualised in detail by investigating ribbons of honeycomb lattices. Here, the transition of the discrete energy levels of a single chain of microtraps to the fully developed band structure of a honeycomb lattice was observed. This study allows to design the size of individual domains in more complicated lattice geometries such that a description using band structures becomes feasible, as it revealed that a width of just six unit cells is sufficient to reproduce all characteristic features of the S band of a honeycomb lattice. In particular in the context of potential technological applications in the realms of lasing, the laser-like, coherent emission from polariton microcavities that can be achieved through the excitation of polariton condensates is intriguing. The condensation process is significantly altered in a lattice potential environment when compared to a planar microcavity. Therefore, an investigation of the polariton condensation process in a lattice with respect to the characteristics of the excitation laser, the exciton-photon detuning as well as the reduced trap distance that represents a key design parameter for polaritonic lattices was performed. Based on the demonstration of polariton condensation into multiple bands, the preferred condensation into a desired band was achieved by selecting the appropriate detuning. Additionally, a decreased condensation threshold in confined systems compared to a planar microcavity was revealed. In chapter 5, the influence of the peculiar feature of flatbands arising in certain lattice geometries, such as the Lieb and Kagome lattices, on polaritons and polariton condensates was investigated. Deviations from a lattice simulator described by a tight binding model that is solely based on nearest neighbour coupling cause a remaining dispersiveness of the flatbands along certain directions of the Brillouin zone. Therefore, the influence of the reduced trap distance on the dispersiveness of the flatbands was investigated and precise technological control over the flatbands was demonstrated. As next-nearest neighbour coupling is reduced drastically by increasing the distance between the corresponding traps, increasing the reduced trap distance enables to tune the S flatbands of both Lieb and Kagome lattices from dispersive bands to flatbands with a bandwidth on the order of the polariton linewidth. Additionally to technological control over the band structures, the controlled excitation of large condensates, single compact localized state (CLS) condensates as well as the resonant excitation of polaritons in a Lieb flatband were demonstrated. Furthermore, selective condensation into flatbands was realised. This combination of technological and spectroscopic control illustrates the capabilities of polariton lattice simulators and was used to study the coherence of flatband polariton condensates. Here, the ability to tune the dispersiveness from a dispersive band to an almost perfect flatband in combination with the selectivity of the excitation is particularly valuable. By exciting large flatband condensates, the increasing degree of localisation to a CLS with decreasing dispersiveness was demonstrated by measurements of first order spatial coherence. Furthermore, the first order temporal coherence of CLS condensates was increased from τ = 68 ps for a dispersive flatband, a value typically achieved in high-quality microcavity samples, to a remarkable τ = 459 ps in a flatband with a dispersiveness below the polarion linewidth. Corresponding to this drastic increase of the first order coherence time, a decrease of the second order temporal coherence function from g(2)(τ =0) = 1.062 to g(2)(0) = 1.035 was observed. Next to laser-like, coherent emission, polariton condensates can form vortex lattices. In this work, two distinct vortex lattices that can form in polariton condensates in Kagome flatbands were revealed. Furthermore, chiral, superfluid edge transport was realised by breaking the spatial symmetry through a localised excitation spot. This chirality was related to a change in the vortex orientation at the edge of the lattice and thus opens the path towards further investigations of symmetry breaking and chiral superfluid transport in Kagome lattices. Arguably the most influential concept in solid-state physics of the recent decades is the idea of topological order that has also provided a new degree of freedom to control the propagation of light. Therefore, in chapter 6, the interplay of topologically non-trivial band structures with polaritons, polariton condensates and lasing was emphasised. Firstly, a two-dimensional exciton-polariton topological insulator based on a honeycomb lattice was realised. Here, a topologically non-trivial band gap was opened at the Dirac points through a combination of TE-TM splitting of the photonic mode and Zeeman splitting of the excitonic mode. While the band gap is too small compared to the linewidth to be observed in the linear regime, the excitation of polariton condensates allowed to observe the characteristic, topologically protected, chiral edge modes that are robust against scattering at defects as well as lattice corners. This result represents a valuable step towards the investigation of non-linear and non-Hermitian topological physics, based on the inherent gain and loss of microcavities as well as the ability of polaritons to interact with each other. Apart from fundamental interest, the field of topological photonics is driven by the search of potential technological applications, where one direction is to advance the development of lasers. In this work, the starting point towards studying topological lasing was the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model, since it combines a simple and well-understood geometry with a large topological gap. The coherence properties of the topological edge defect of an SSH chain was studied in detail, revealing a promising degree of second order temporal coherence of g(2)(0) = 1.07 for a microlaser with a diameter of only d = 3.5 µm. In the context of topological lasing, the idea of using a propagating, topologically protected mode to ensure coherent coupling of laser arrays is particularly promising. Here, a topologically non-trivial interface mode between the two distinct domains of the crystalline topological insulator (CTI) was realised. After establishing selective lasing from this mode, the coherence properties were studied and coherence of a full, hexagonal interface comprised of 30 vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was demonstrated. This result thus represents the first demonstration of a topological insulator VCSEL array, combining the compact size and convenient light collection of vertically emitting lasers with an in-plane topological protection. Finally, in chapter 7, an approach towards engineering the band structures of Lieb and honeycomb lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites within each unit cell was presented. For Lieb lattices, this technique opens up a path towards controlling the coupling of a flatband to dispersive bands and could enable a detailed study of the influence of this coupling on the polariton flatband states. In an unbalanced honeycomb lattice, a quantum valley Hall boundary mode between two distinct, unbalanced honeycomb domains with permuted sites in the unit cells was demonstrated. This boundary mode could serve as the foundation for the realisation of a polariton quantum valley Hall effect with a truly topologically protected spin based on vortex charges. Modifying polariton lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites that comprise a unit cell was thus identified as an additional, promising path for the future development of polariton lattice simulators. N2 - Die Faszination von Exziton-Polaritonen (Polaritonen) basiert auf der einzigartigen Kombination aus technologischer Kontrolle über die III-V Halbleiterplattform und umfassendem spektroskopischen Zugang zu polaritonischen Zuständen, die aufgrund ihrer inhärenten Nichtlinearität und vielfältigen Observablen, wie zum Beispiel Real- und Fourierraumspektren, Pseudospin und Kohärenz, Zugang zu diversen offenen Fragen und komplexen physikalischen Phänomenen bieten. Im Fokus dieser Arbeit lag die Weiterentwicklung von Polaritongittern als Simulatoren für diverse physikalische Phänomene. Dabei wurde insbesondere die das kohärente, Laser-artige Licht, das von Polaritonkondensaten ausgesendet wird, untersucht. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Zusammenfassung der für das Verständnis relevanten physikalischen Grundlagen in Kapitel 2, gefolgt von einer Beschreibung der Probenherstellung sowie der spektroskopischen Methoden, die für die Untersuchung der polaritonischen Gitter verwendet wurden, in Kapitel 3. Hier wurde insbesondere die Implementierung eines Spatial Light Modulators für die Erzeugung beliebig definierbarer Anregungsmuster präsentiert. Diese Arbeit basiert auf der Fähigkeit, Einschlusspotentiale in Form von Mikrotürmchen oder Mikrofallen für Polaritonen zu erzeugen, die zu einem diskretisierten Modenspektrum führen. Wird nun ein Gitter aus solchen Türmchen oder Fallen hergestellt, führt die Kopplung zwischen benachbarten Gitterpositionen zur Ausbildung von Bandstrukturen. Die Ausbildung einer solchen Bandstruktur wurde in Kapitel 4 anhand von Streifen eines Honigwabengitters veranschaulicht. Dabei konnte der Übergang vom diskreten Energiespektrum einer eindimensionalen Kette bis hin zur vollständig ausgebildeten Bandstruktur eines Honigwabengitters dargestellt werden. Diese systematische Untersuchung ermöglicht das gezielte Design neuer, komplizierterer Gittergeometrien, die aus verschiedenen Domänen bestehen, da gezeigt werden konnte, dass eine Domänengröße von sechs Einheitszellen ausreicht, um eine Bandstruktur zu erzeugen. Neben der Ausbildung von Bandstrukturen in Gittern ist das Phänomen der Polaritonkondensation, das zur Emission von kohärenter Strahlung führt, besonders spannend, da es in direktem Bezug zu möglichen technologischen Anwendungen als Laser steht. Da sich der Kondensationsprozess in einem Gitter grundsätzlich vom Kondensationsprozess in einer planaren Kavität unterscheidet, wurde dieser detailliert untersucht. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss des Anregungslasers, der Verstimmung zwischen Exziton und Photon, sowie des reduzierten Fallenabstandes, der einen wichtigen Parameter im Design neuer Gitter darstellt, untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte die Polaritonkondensation in mehrere Bänder nachgewiesen werden. Außerdem wurde selektive Kondensation in ein gewünschtes Band durch die Wahl einer geeigneten Verstimmung zwischen Exziton und Photon erreicht. Abschließend konnte eine Verringerung der Kondensationsschwelle in einem Gitter gegenüber einer planaren Kavität nachgewiesen werden. Ein bemerkenswertes Phänomen, das zum Beispiel in den Bandstrukturen von Lieb- und Kagomegittern auftritt, sind Flachbänder, deren Einfluss auf Polaritonen und Polaritonkondensate, insbesondere in Bezug zu ihren Kohärenzeigenschaften, in Kapitel 5 untersucht wurde. Abweichungen von einem Gittersimulator, der sich mit einem Tight Binding Modell, das nur Kopplung zwischen nächsten Nachbarn berücksichtigt, beschreiben lässt, führen dazu, dass Flachbänder entlang bestimmter Richtungen in der Brillouinzone dispersiv werden. Mit einer Untersuchung des Einflusses des reduzierten Fallenabstandes auf Flachbänder konnte technologische Kontrolle über diese Dispersivität gezeigt werden. Da die Kopplung zwischen übernächsten Nachbarn mit steigendem Abstand zwischen den Fallen stark abnimmt, lassen sich die Flachbänder in den S Bändern von Lieb und Kagomegittern von dispersiven in nahezu perfekte Flachbänder, deren Bandbreite in der Größenordnung der polaritonischen Linienbreite liegt, überführen, indem der reduzierte Fallenabstand vergrößert wird. Zusätzlich zur technologischen Kontrolle über die Dispersivität der Flachbänder wurde die kontrollierte Anregung von großen Flachbandkondensaten, Kondensaten in einzelnen Compact Localised States (CLS), sowie die resonante Anregung von Polaritonen in einem Lieb Flachband demonstriert. Insbesondere für das Flachband des Kagomegitters konnte selektive Kondensation realisiert werden. Diese Kombination aus technologischer und spektroskopischer Kontrolle verdeutlicht das Potential polaritonischer Gittersimulatoren. Aufbauend auf der Kontrolle über polaritonische Flachbänder wurde die Kohärenz von Flachbandkondensaten untersucht. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination aus der Möglichkeit, die Dispersivität des Flachbandes zu beeinflussen, und der selektiven Kondensation als besonders wertvoll. Durch interferometrische Messungen an großen Flachbandkondensaten konnte gezeigt werden, dass sich die Kohärenz mit abnehmender Dispersivität des Flachbandes auf einen CLS lokalisiert. Außerdem konnte eine Steigerung der Kohärenzzeit von τ = 68 ps, einem für hochwertige Mikrokavitäten typischen Wert, in einem dispersiven Flachband zu beeindruckenden τ = 459 ps in einem Flachband, dessen Dispersivität kleiner als die polaritonische Linienbreite ist, gezeigt werden. Passend zu dieser deutlichen Steigerung der Kohärenzzeit erster Ordnung konnte eine Abnahme der Kohärenzfunktion zweiter Ordnung von g(2)(τ =0) = 1.062 zu g(2)(0) = 1.035 beobachtet werden. Neben den mit einem Laser vergleichbaren Emissionseigenschaften können Polaritonkondensate Gitter aus Vortices ausbilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Vortexgitter nachgewiesen. Außerdem konnte durch Symmetriebrechung mittels eines lokalisierten Anregungslasers chiraler, superfluider Randtransport realisiert werden. Diese Chiralität konnte mit einer Änderung der Vortexausrichtung am Rand des Gitters in Verbindung gebracht werden und motiviert daher weitere Untersuchungen zu Symmetriebrechung und chiralem, superfluidem Transport in Kagomegittern. Das vermutlich einflussreichste Konzept in der Festkörperphysik der letzten Jahrzehnte ist die Idee einer topologischen Ordnung, die auch einen neuen Freiheitsgrad zur Kontrolle der Propagation von Licht bietet. Daher wurde in Kapitel 6 das Zusammenspiel aus topologisch nicht-trivialen Bandstrukturen und Polaritonen, Polarionkondensaten und Lasern untersucht. Zuerst wurde ein zweidimensionaler, polaritonischer, topologischer Isolator, der auf einem Honigwabengitter basiert, realisiert. Die topologisch nicht-triviale Bandlücke wurde durch eine Kombination aus einer Modenaufspaltung zwischen der transversal-elektrischen und der transversal-magnetischen Komponente der photonischen Mode sowie einer Zeeman-Aufspaltung der exzitonischen Mode geöffnet. Da die Bandlücke zu klein gegenüber der Linienbreite war, um sie im linearen Regime nachweisen zu können, wurden Polaritonkondensate angeregt. Mithilfe dieser Kondensate war es möglich, die charakteristischen, topologisch geschützten, chiralen Randmoden, die robust gegenüber Rückstreuung und Streuung an Defekten sowie den Ecken des Gitters sind, nachzuweisen. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt in der Untersuchung nicht-linearer und nichthermitischer, topologischer Systeme dar, da Mikrokavitäten eine intrinsische Nichtlinearität aufweisen und Polaritonen untereinander wechselwirken können. Neben dem fundamentalen Interesse wird das Feld der topologischen Photonik vor allem durch die Suche nach neuen technologischen Anwendungen vorangetrieben. Eine wichtige Forschungsrichtung ist dabei die Entwicklung neuer Laser. In dieser Arbeit war der Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Laser das Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Modell, da es eine einfache, gut verstandene Geometrie und eine große topologische Bandlücke bietet. Die Kohärenzeigenschaften des topologischen Randdefekts in SSH Ketten wurden detailliert untersucht und ein Grad zeitlicher Kohärenz zweiter Ordnung von g(2)(0) = 1.07 erreicht. Für einen Mikrolaser mit einem Durchmesser von nur d = 3.5 µm ist dies ein sehr gutes Ergebnis. Besonders vielversprechend in der Entwicklung topologischer Laser ist allerdings vor allem die kohärente Kopplung vieler Laser mithilfe einer propagierenden, topologisch geschützten Mode. Um diese Kopplung zu untersuchen wurde eine topologisch nichttriviale Mode an der Domänengrenze zwischen zwei kristallinen, topologischen Isolatoren implementiert. Nachdem selektive Laseremission aus dieser Mode erreicht wurde, wurden insbesondere die Kohärenzeigenschaften untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass 30 vertikal emittierende Laser, die eine geschlossene, hexagonale Domänengrenze bilden, kohärent gekoppelt werden können. Dieser erste Nachweis eines topologisch geschützten Gitters aus gekoppelten, vertikal emittieren Lasern überzeugt vor allem durch die Kombination der kompakten Bauform und einfachen Bündelung der Laseremission vertikal emittierenden Laser mit dem topologischen Schutz der zwischen den Lasern propagierenden Mode. Zuletzt wurde in Kapitel 7 untersucht, wie die Bandstrukturen von Lieb- und Honigwabengittern durch die Einführung eines Energieunterschiedes zwischen den Untergittern gezielt verändert werden können. In Liebgittern bietet diese Technologie einen Weg, die Kopplungsumgebung des Flachbandes drastisch zu ändern, da das Flachband nun nicht mehr einen Dirac-Punkt mit linearer Dispersion schneidet, sondern ein dispersives Band an einem Potentialminimum berührt. In Honigwabengittern konnte eine Quantum Valley Hall Mode an der Grenzfläche zwischen zwei Domänen mit invertiertem Untergitter gezeigt werden. Diese Mode könnte die Basis für die Entwicklung eines Quantum Valley Hall Zustandes mit echtem topologischem Schutz auf der Basis von Vortizes bilden. Eine Variation der Eigenenergien der Untergitter stellt also einen vielversprechenden, weiteren Weg für zukünftige Experimente mit polaritonischen Gittersimulatoren dar. KW - Exziton-Polariton KW - Topologie KW - Laser KW - Fourier-Spektroskopie KW - Topologische Laser KW - Gittersimulator Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259008 ER - TY - THES A1 - Youssef, Almoatazbellah T1 - Fabrication of Micro-Engineered Scaffolds for Biomedical Application T1 - Fabrikation von Scaffolds mit optimierter Mikroarchitektur für biomedizinische Anwendungen N2 - Thermoplastic polymers have a history of decades of safe and effective use in the clinic as implantable medical devices. In recent years additive manufacturing (AM) saw increased clinical interest for the fabrication of customizable and implantable medical devices and training models using the patients’ own radiological data. However, approval from the various regulatory bodies remains a significant hurdle. A possible solution is to fabricate the AM scaffolds using materials and techniques with a clinical safety record, e.g. melt processing of polymers. Melt Electrowriting (MEW) is a novel, high resolution AM technique which uses thermoplastic polymers. MEW produces scaffolds with microscale fibers and precise fiber placement, allowing the control of the scaffold microarchitecture. Additionally, MEW can process medical-grade thermoplastic polymers, without the use of solvents paving the way for the production of medical devices for clinical applications. This pathway is investigated in this thesis, where the layout is designed to resemble the journey of a medical device produced via MEW from conception to early in vivo experiments. To do so, first, a brief history of the development of medical implants and the regenerative capability of the human body is given in Chapter 1. In Chapter 2, a review of the use of thermoplastic polymers in medicine, with a focus on poly(ε-caprolactone) (PCL), is illustrated, as this is the polymer used in the rest of the thesis. This review is followed by a comparison of the state of the art, regarding in vivo and clinical experiments, of three polymer melt AM technologies: melt-extrusion, selective laser sintering and MEW. The first two techniques already saw successful translation to the bedside, producing patient-specific, regulatory-approved AM implants. To follow in the footsteps of these two technologies, the MEW device parameters need to be optimized. The MEW process parameters and their interplay are further discussed in Chapter 3 focusing on the importance of a steady mass flow rate of the polymer during printing. MEW reaches a balance between polymer flow, the stabilizing electric field and moving collector to produce reproducible, high-resolution scaffolds. An imbalance creates phenomena like fiber pulsing or arcing which result in defective scaffolds and potential printer damage. Chapter 4 shows the use of X-ray microtomography (µCT) as a non-destructive method to characterize the pore-related features: total porosity and the pore size distribution. MEW scaffolds are three-dimensional (3D) constructs but have long been treated in the literature as two-dimensional (2D) ones and characterized mainly by microscopy, including stereo- and scanning electron microscopy, where pore size was simply reported as the distance between the fibers in a single layer. These methods, together with the trend of producing scaffolds with symmetrical pores in the 0/90° and 0/60/120° laydown patterns, disregarded the lateral connections between pores and the potential of MEW to be used for more complex 3D structures, mimicking the extracellular matrix. Here we characterized scaffolds in the aforementioned symmetrical laydown patterns, along with the more complex 0/45/90/135° and 0/30/60/90/120/150° ones. A 2D pore size estimation was done first using stereomicroscopy, followed by and compared to µCT scanning. The scaffolds with symmetrical laydown patterns resulted in the predominance of one pore size, while those with more complex patterns had a broader distribution, which could be better shown by µCT scans. Moreover, in the symmetrical scaffolds, the size of 3D pores was not able to reach the value of the fiber spacing due to a flattening effect of the scaffold, where the thickness of the scaffold was less than the fiber spacing, further restricting the pore size distribution in such scaffolds. This method could be used for quality assurance of fabricated scaffolds prior to use in in vitro or in vivo experiments and would be important for a clinical translation. Chapter 5 illustrates a proof of principle subcutaneous implantation in vivo experiment. MEW scaffolds were already featured in small animal in vivo experiments, but to date, no analysis of the foreign body reaction (FBR) to such implants was performed. FBR is an immune reaction to implanted foreign materials, including medical devices, aimed at protecting the host from potential adverse effects and can interfere with the function of some medical implants. Medical-grade PCL was used to melt electrowrite scaffolds with 50 and 60 µm fiber spacing for the 0/90° and 0/60/120° laydown patterns, respectively. These implants were implanted subcutaneously in immunocompetent, outbred mice, with appropriate controls, and explanted after 2, 4, 7 and 14 days. A thorough characterization of the scaffolds before implantation was done, followed by a full histopathological analysis of the FBR to the implants after excision. The scaffolds, irrespective of their pore geometry, induced an extensive FBR in the form of accumulation of foreign body giant cells around the fiber walls, in a manner that almost occluded available pore spaces with little to no neovascularization. This reaction was not induced by the material itself, as the same reaction failed to develop in the PCL solid film controls. A discussion of the results was given with special regard to the literature available on flat surgical meshes, as well as other hydrogel-based porous scaffolds with similar pore sizes. Finally, a general summary of the thesis in Chapter 6 recapitulates the most important points with a focus on future directions for MEW. N2 - Thermoplastische Polymere werden seit Jahrzehnten erfolgreich in der Klinik eingesetzt und für die Herstellung von Medizinprodukten verwendet. Vorangetrieben durch das zunehmende klinische Interesse an additiven Fertigungsverfahren, z.B. zur Herstellung patientenspezifischer Trainingsmodelle und implantierbarer Medizinprodukte, rücken thermoplastische Materialien noch mehr in den Fokus der klinischen Forschung. Allerdings stellt die Marktzulassung durch die verschiedenen Gesundheitsbehörden eine große Hürde dar. Eine mögliche Lösung ist die Gerüstfabrikation mit Materialien und Verfahren, die bereits etablierte Sicherheitsstandards durchlaufen haben, z. B. die Schmelzverarbeitung der Polymere. Ein neuartiges und hochauflösendes additives Fertigungsverfahren, welches die Verarbeitung von Thermoplasten ermöglicht, ist Melt Electrowriting (MEW). Mittels MEW lassen sich Gerüste, die aus Fasern mit Durchmessern im Mikrometerbereich zusammengesetzt sind, herstellen. Neben der hohen Kontrolle über den Faserdurchmesser ermöglicht MEW auch eine genaue Ablage der Fasern und erlaubt dadurch, die Mikroarchitektur der Konstrukte vorzugeben. Zudem kann das Verfahren medizinisch zugelassene thermoplastische Polymere ohne die Verwendung von Lösungsmitteln verarbeiten und ist somit für die Herstellung medizinischer Produkte sehr relevant. Diese Relevanz sollte im Rahmen der vorliegenden Dissertation evaluiert werden, indem der Weg, den ein Medizinprodukt von der Konzeption bis hin zu in vivo Vorversuchen durchlaufen muss, anhand von Konstrukten, die mittels MEW hergestellt wurden, nachgeahmt wurde. Um eine Basis für das Verständnis dieses Prozesses zu schaffen, wird in Kapitel 1 erst die Geschichte der Entwicklung medizinischer Implantate zusammengefasst sowie ein Einblick in die regenerativen Fähigkeiten des menschlichen Körpers gegeben. Das zweite Kapitel befasst sich mit der Anwendung von thermoplastischen Polymeren im Bereich implantierbarer Medizinprodukte, wobei der Hauptfokus auf Poly(ε-caprolactone) (PCL) liegt, da dies der in der vorliegenden Arbeit verwendete Thermoplast ist. Es folgt ein Vergleich von in vivo sowie klinischen Versuchen dreier für die Biomedizin relevanten additiven Fertigungsverfahren, mit denen sich thermoplastische Polymere verarbeiten lassen: Die Mikro-Schmelzextrusion, das selektive Lasersintern und das MEW. Die ersten zwei Verfahren sind bereits erfolgreich in klinischen Anwendungen etabliert und ermöglichen die routinemäßige Herstellung von additiv gefertigten, patientenspezifischen, auf dem Markt zugelassenen Implantaten. Damit MEW in diese Fußstapfen treten kann, müssen die Prozessparameter und deren Zusammenspiel genau analysiert werden. Dieser Thematik widmet sich Kapitel 3, wobei die Untersuchung des Massendurchsatzes des Polymers während des Druckens diskutiert wird. Um den MEW-Prozess kontrollieren zu können, muss eine Balance zwischen Polymerdurchsatz, dem stabilisierenden elektrischen Feld und dem beweglichen Kollektor erreicht werden. Dies ist Grundlage für die reproduzierbare Herstellung hochaufgelöster Konstrukte. Ein Ungleichgewicht der Prozessparameter verursacht Phänomene wie Fiber Pulsing oder sogar elektrischen Durchschlag, welche zu defekten Konstrukten oder sogar zur Schädigung des Druckers führen können. Kapitel 4 zeigt die Anwendung der Röntgenmikrocomputertomographie (µCT) als eine zerstörungsfreie Charakterisierungsmethode für MEW-Konstrukte, die die Quantifizierung charakteristischer Eigenschaften wie der Porosität und der Porengrößenverteilung ermöglicht. MEW-Konstrukte wurden in der Literatur lange als zweidimensional behandelt und hauptsächlich durch mikroskopische Verfahren wie die Stereo- und Rasterelektronmikroskopie charakterisiert. Die zweidimensionale Porengröße wurde hauptsächlich durch die Bestimmung des Faserabstands definiert und daraus errechnet, mit einer Tendenz der Herstellung der Konstrukte mit symmetrischen Poren in 0/90° und 0/60/120° Ablagemustern. Da es sich bei den Konstrukten jedoch um dreidimensionale (3D) Fasergerüste handelt, wurden die seitlichen Verbindungen zwischen den Poren und das Potential der Anwendung des MEW für die Herstellung von komplexeren 3D-Strukturen, wie bei der extrazellulären Matrix mit interkonnektierenden Poren, vernachlässigt. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit µCT-Scans verwendet, um die Porosität der Konstrukte besser wiedergeben zu können. Hierzu wurden verschiedene Ablagemuster mit symmetrischen Poren in 0/90° und 0/60/120° Mustern und komplexere Porenstrukturen durch Ablagen von 0/45/90/135° und 0/30/60/90/120/150° Geometrien hergestellt. Diese Konstrukte wurden dann mittels mikroskopischer und tomographischer Aufnahmen charakterisiert und die Ergebnisse miteinander verglichen. Es zeigte sich, dass symmetrische Ablagemuster zu Konstrukten mit der Prädominanz einer Porengröße geführt haben. Bei den komplexeren Strukturen ergab sich jedoch ein klarer Unterschied, weil die interkonnektierenden Poren nur mit Hilfe von µCT-Scans erfasst werden konnten. Dies zeigte sich durch eine breitere Porenverteilung bei der Auswertung der rekonstruierten Scans. Die Porengrößen in den Konstrukten mit den symmetrischen Mustern konnten aufgrund einer Verflachungswirkung nicht die des Faserabstands erreichen. Die Dicke der Konstrukte war geringer als der Faserabstand mit einer weiteren einschränkenden Wirkung auf die Porenverteilung in den symmetrischen Konstrukten. µCT kann deshalb für die Qualitätssicherung von medizinischen Produkten, die mittels MEW hergestellt wurden, eingesetzt werden. Da die Methode zerstörungsfrei ist, könnte sie auch vor in vitro oder in vivo Versuchen verwendet werden. Kapitel 5 präsentiert eine Machbarkeitsstudie eines subkutanen in vivo Implantationsversuchs. Aus der Literatur ist zwar bekannt, dass MEW-Konstrukte bereits in vivo in Kleintierversuchen verwendet wurden, eine Analyse der Fremdkörperreaktion (FKR) zu solchen Implantaten wurde bisher jedoch noch nicht durchgeführt. FKR ist eine Immunreaktion gegen fremde, implantierte Materialien, einschließlich medizinischer Geräte, um den Wirt vor potenziellen Nebenwirkungen zu schützen. Allerdings könnte sie die Funktion verschiedener medizinischer Implantate beeinträchtigen Um dieser Fragestellung nachzugehen, wurde im Rahmen der vorliegenden Dissertation PCL mittels MEW zu Konstrukten mit 50 und 60 µm Fiberabstand in 0/90° bzw. 0/60/120° Ablagemuster verarbeitet. Diese Konstrukte wurden subkutan in immunkompetente, fremdgezüchtete Mäuse mit entsprechenden Kontrollen implantiert und nach 2, 4, 7 und 14 Tagen explantiert. Vor der Implantation wurde die Konstrukte ausführlich charakterisiert, gefolgt von einer vollen histopathologischen Analyse des FKR. Unabhängig von der Porengeometrie haben die Konstrukte eine deutliche Immunreaktion im Sinne einer Ansammlung von Fremdkörperriesenzellen um die Fasern der Konstrukte hervorgerufen. Hierbei wurden die Poren fast komplett verschlossen, ohne dass es zu einer Neovaskularisation kam. Es konnte nachgewiesen werden, dass die deutliche Immunantwort nicht durch das Material hervorgerufen wurde, da sie bei der Implantation von dichtem PCL-Film nicht beobachtet wurde. Eine Diskussion der Ergebnisse erfolgte unter Berücksichtigung aktueller Literatur zu klinischen Versuchen von flachen chirurgischen Netzen sowie porösen Hydrogel-basierten Implantaten mit vergleichbarer Porengröße. Abschließend wird die Arbeit in Kapitel 6 zusammengefasst und die wichtigsten Punkte rekapituliert. Der Fokus des Kapitels liegt hierbei auf dem zukünftigen Potential des MEW als Fabrikationsmethode für medizinische Produkte. KW - melt electrowriting KW - medical device KW - biomaterials KW - subcutaneous implanation KW - x-ray micro computed tomography Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-235457 ER - TY - THES A1 - Niklaus, Lukas T1 - Electrochromic systems based on metallopolymers and metal oxides: towards neutral tint and near-infrared transmission modulation T1 - Elektrochrome Systeme basierend auf Metallopolymeren und Metalloxiden: Auf dem Weg Richtung Neutralfärbung und Modulation im infraroten Bereich N2 - While the field of electrochromic (EC) materials and devices (ECDs) continues to advance in terms of color palette and understanding the underlying mechanism, several scientific and technological challenges need to be addressed by optimizing the materials and understanding the electrochemical interplay of these materials in full cells. The main issue here is to further improve the EC profile for color neutrality and cycling stability in order to commercialize dimmable EC products. The transparent conductive substrates used in this work (FTO and ultra-thin ITO glass) have high visible light transmittance (τv > 85%) and low sheet resistance (< 25 Ω·sq-1). In addition, the Li+-containing gel electrolyte has sufficient ionic conductivity (2.8·10-4 S·cm-1 at 25 °C), so the investigated ECDs could achieve a fast response (required ionic conductivity is between 10−3 and 10−7 S·cm-1). This work shows that the combination of cathodically-coloring Fe-MEPE with anodically-coloring non-stoichiometric nickel oxide (Ni1-xO) electrodes (prepared by the National Institute of Chemistry in Ljubljana, Slovenia) can be used in neutral-coloring type III ECDs. The Fe-MEPE/Ni1-xO ECD with the underbalanced CE (ECD1-1, 2: 1) and the balanced configuration (ECD1-2, 1: 1) are both nearly neutrally-colored (ECD1-1: a* = -6.7, b* = 8.8; ECD1-2: a* = -9.0, b* = 10.1) in the bright state with a τv of almost 70%. Due to the overbalancing of the CE (ECD1-3, 1:3), a deviation (a* = -2.8, b* = 19.9) from the neutral coloration occurred here. The balanced as well as the overbalanced ECD configurations show high electrochemical cycling stability (over 1,000 potentiostatic switching cycles). In general, the overbalanced configuration offers the advantage of a smaller operating voltage range (-1 V ↔ 2.5 V to -1 V ↔ 1.5 V), i.e., avoiding possible electrochemical degradation of the EC materials, electrolyte, or conductive layers. By using a Li RE in the full cell, insights into the optimal matching of electrochemical and optical properties between the two electrodes are obtained to achieve more stable ECDs. Thereby, the redox potentials of both EC electrodes (Fe-MEPE and Ni1-xO) can be measured during operation. The incomplete decolorization of ECD1-1 can be explained by the measured electrode potentials (below the required 4 V vs. Li/Li+), excluding side reactions and degradation at both electrodes. The results demonstrate the importance of using balanced and (slightly) overbalanced ECD configurations with complementary-coloring EC electrodes to achieve high cycling stability and fast switching at low operating voltages. Therefore, this three-electrode configuration provides an excellent method for in situ electrochemical characterization of the individual EC electrodes to better understand the redox processes during device operation and to further improve the optical contrast and cycle stability of ECDs. The Fe-MEPE/Ni1-xO combination was tested on flexible ultrathin ITO glass (ECD1-4). Here, by applying a low voltage of -1 V ↔ 2.5 V, the MEPE/Ni1-xO ECDs can be reversibly switched from a colored (L* = 35.6, a* = 19.4, b* = -26.7) to a nearly colorless (L* = 78.5, a* = -14.0, b* = 21.3) state. This is accompanied by a change in τv from 6% to 53%. The ECDs exhibit fast response and good cycling stability (5% loss of optical contrast over 100 switching cycles). To further improve color neutrality and cycling stability, ECDs combining Fe-MEPE and mixed metal oxides as ion storage layers were investigated. Titanium manganese oxide (TMO, Fraunhofer IST) and titanium vanadium oxide (TiVOx, EControl-Glas GmbH & Co. KG) electrodes are compared for use as optically-passive ion storage layers. TiVOx with a maximum charge density of approx. 27 mC·cm-2 and a coloration efficiency of η = 2 cm·C-1 at 584 nm shows a color change from yellow to light gray at 2 V vs. Ag/AgCl, while the slightly anodically-coloring Ti-rich TMO (10.5 mC·cm-², η584 nm = -4 cm·C-1) switches from light yellow to colorless at -2.5 V vs. Ag/AgCl. These materials show only a slight change in τv value from 85% to 75% and from 72% to 81%, respectively, thus reaching the requirements for highly transmissive optical-passive ion storage layers. The ECDs with Fe-MEPE in combination with TiVOx (ECD2-1) and TMO-1 (ECD2-2) are blue-purple in the dark state (0 V) and turn colorless by applying a voltage of 1.5 V, changing the τv value from 28% to 69% and from 21% to 57% in 3 s and 13 s, respectively. The ECDs show fast responses and high cyclability over more than 100 cycles. In the last section, the simplification of cell architecture by using redox mediators shows that different redox mediators (KHCF(III), Fc-PF6, Fc-BF4, and TMTU) can be used in type II ECDs (4 instead of 5 layers) consisting of Fe-MEPE or Ni1-xO thin film electrodes. The combination of KHCF(III) with Fe-MEPE has a low cycling stability due to the electrochemical formation of Prussian blue (PB). This side reaction is undesirable as it decreases the optical contrast. It can be avoided by using Fc+- (ECD3-5/6) or TMTU-based (ECD3-7) redox mediators, which exhibit reversible redox behavior. A high τv value of 72% is obtained for the use of TMTU. Low concentrations (<0.1 M) of redox mediators decrease the cell voltage for complete switching without affecting the optical properties of the ECDs. The redox couple TMTU/TMFDS2+ (molar ratio of 1:0.1 in 1 M LiClO4/PC as electrolyte) works well in combination with Ni1-xO electrodes (ECD3-10), with a change in τv value from 38% (colored at 2 V, L* = 67.1, a* = 3.9, b* = 17.2) to 70% at (decolored at -2 V, L* = 86.6, a* = -0.6, b* = 17.2). This result implies that incorporating redox mediators into the electrolyte is an effective means to simplify the cell assembly and color neutrality can be obtained with one optically active WE and a color-neutral redox mediator. Moreover, the combination of Ni1-xO and the colorless TMTU/TMFDS2+ redox mediator is a potential candidate to obtain neutrally colored ECDs. It is shown that the lab-sized FTO- and ultra-thin ITO-glass-based ECDs are very attractive for energy-efficient EC applications, e.g., in architectural or automotive glazing, aircraft, ships, home appliances and displays. To monitor the EC performance and to prevent diverging electrode potentials during the switching process, the studied three-electrode configuration can help to extend the cycle stability as well as to improve the charge balancing of dimmable applications. The studied ECDs display a route towards neutral tint, e.g., EC active Ni1-xO, optically-inactive mixed metal oxides, and colorless redox mediators. Nevertheless, color neutrality should be further improved to meet the requirements for industrial applications. For future work, a scale-up process from lab-sized (few cm²) to prototype (few m²) ECDs will be necessary. N2 - Während das Gebiet der elektrochromen (EC) Materialien in Bezug auf die Farbpalette und das Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus weiter erforscht wird, bleiben einige wissenschaftliche und technologische Herausforderungen bestehen, die sowohl durch Optimierung der EC Materialien als auch durch tiefergehendes Verständnis des elektrochemischen Zusammenspiels dieser Materialien in elektrochromen Elementen (ECD) angegangen werden müssen. Hier geht es vor allem darum, das EC-Profil in Bezug auf Farbneutralität und Stabilität weiter zu verbessern, um kostengünstige und energieeffiziente Produkte zu kommerzialisieren. Die in der Arbeit verwendeten Substrate (FTO-Glas und ultradünnes ITO-Glas) weisen einen hohen Transmissionsgrad (τv > 85 %) und einen geringen Oberflächenwiderstand (< 25 Ω·sq-1) auf. Zusätzlich hat der eingesetzte Li+-haltige Elektrolyt ausreichend Ionenleitfähigkeit (2.8·10-4 S·cm-1 bei 25 °C), so dass die untersuchten ECDs schnelle Schaltzeiten erreichen konnten (erforderliche Ionenleitfähigkeit: 10-3 und 10-7 S·cm-1). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Kombination aus kathodisch färbenden Fe-MEPE-Elektroden mit anodisch färbenden Ni1-xO Gegenelektroden (National Institute of Chemistry, Ljubljana, Slovenia) in neutralfärbenden Typ III ECDs verwendet werden kann. Sowohl die Fe-MEPE/Ni1-xO ECD mit einer unterdimensionierten Gegenelektrode (ECD1-1, 2: 1) und die balancierte Konfiguration (ECD1-2, 1: 1) sind beide im entfärbten Zustand mit einem τv von fast 70 % zudem fast neutral gefärbt (ECD1-1: a* = -6,7, b* = 8,8; ECD1-2: a* = -9,0, b* = 10,1). Durch die Überdimensionierung der Gegenelektrode (ECD1-3, 1:3) entstand hier eine Abweichung (a* = -2,8, b* = 19,9) von der geforderten Neutralfärbung. Die balancierte sowie die überdimensionierte ECD-Konfiguration zeigen eine hohe elektrochemische Zyklenstabilität (über 1.000 potentiostatische Schaltvorgänge). Im Allgemeinen bot die überdimensionierte Konfiguration den Vorteil eines kleineren Spannungsfensters (-1 V ↔ 1,5 V statt -1 V ↔ 2,5 V), d.h. der Vermeidung einer möglichen Degradation der EC Materialien, des Elektrolyten oder der leitfähigen Schichten. Durch den Einsatz einer Li RE in der ECD wurden Erkenntnisse über die optimale Anpassung der elektrochemischen und optischen Eigenschaften zwischen beiden Elektroden erhalten. Hierdurch konnten die Redoxpotentiale beider EC Elektroden (Fe-MEPE und Ni1-xO) während des Schaltvorgangs gemessen werden. Das unvollständige Entfärben von ECD1-1 kann durch die gemessenen Elektrodenpotentiale (unter den geforderten 4 V vs. Li/Li+) erklärt werden, wobei Nebenreaktionen und Degradation an beiden Elektroden ausgeschlossen sind. Die Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, balancierte und (leicht) überdimensionierte Konfigurationen mit komplementär färbenden Elektroden für stabil schaltende ECDs mit niedriger Zellenspannung zu verwenden. Somit bietet die Drei-Elektroden-Konfiguration eine hervorragende Methode zur elektrochemischen in situ Charakterisierung der einzelnen EC-Elektroden, um die Redoxprozesse während des Schaltvorgangs besser zu verstehen und den optischen Kontrast und die Stabilität von ECDs weiter zu verbessern. Die Fe-MEPE/Ni1-xO Kombination wurde auf flexibles ultradünnes ITO-Glas übertragen (ECD1-4). Hier schaltet die MEPE/Ni1-xO-ECD durch das Anlegen einer niedrigen Spannung von -1 V ↔ 2,5 V reversibel von einem gefärbten Zustand (L* = 35,6, a* = 19,4, b* = -26,7) in einen nahezu farblosen Zustand (L* = 78,5, a* = -14,0, b* = 21,3). Dies geht mit einer Änderung des τv-Wertes von 6% auf 53% einher. Die ECD weist schnelle Schaltzeiten sowie eine gute Zyklenstabilität (5% Verlust des optischen Kontrasts über 100 Schaltzyklen) auf. Um die Farbneutralität und Langzeitstabilität weiter zu verbessern, werden ECDs aus Fe-MEPE Arbeits- und mischmetalloxidische Ionenspeicherelektroden untersucht. Titan-Manganoxid (TMO)-Elektroden (vom Fraunhofer IST) wurden mit kommerziell erhältlichem Titan-Vanadiumoxid (TiVOx, EControl-Glas GmbH & Co. KG) zur Verwendung als optisch passive Ionenspeicherschichten verglichen. TiVOx mit einer maximalen Ladungsdichte von ca. 27 mC·cm-² und einer Färbeeffizienz von η584 nm = 2 cm·C-1 weist eine Farbänderung von gelb nach hellgrau bei 2 V vs. Ag/AgCl, während das anodisch färbende Ti-reichen TMO (10,5 mC·cm-², η584 nm = -4 cm·C-1) bei -2,5 V vs. Ag/AgCl von hellgelb nach farblos schaltete. Diese Materialien zeigen nur eine geringe Änderung des τv-Wertes von 85 % auf 75 % bzw. von 72 % auf 81 %, wodurch die Anforderungen an hoch transmissive optisch-passive Ionenspeicherschichten erfüllt sind. Die ECDs mit Fe-MEPE in Kombination mit TiVOx (ECD2-1) und TMO-1 (ECD2-2) sind im gefärbten Zustand (0 V) blau-lila gefärbt und werden durch Anlegen einer Zellspannung von 1,5 V farblos, wobei sich der τv-Wert in 3 s bzw. 13 s von 28 % auf 69 % und von 21 % auf 57 % ändert. Die ECDs zeigen schnelle Reaktionen und eine gute Reversibilität (> 100 Zyklen). Kapitel 4 befasste sich mit der Vereinfachung der Zellarchitektur durch Verwendung von Redoxmediatoren. Diese Arbeit zeigt, dass verschiedene Redoxmediatoren (KHCF (III), Fc-PF6, Fc-BF4 und TMTU) in Typ II ECDs (4 statt 5 Schichten) verwendet werden können, die aus Fe-MEPE oder Ni1-xO Elektroden bestehen. Die Kombination von KHCF(III) mit Fe-MEPE-Elektroden hat aufgrund der Bildung von Preußisch Blau (PB) eine geringe Zyklenstabilität. Diese Nebenreaktion ist unerwünscht, da sie den optischen Kontrast vermindert. Sie kann durch die Verwendung von Redoxmediatoren auf Fc+- (ECD3-5/6) oder TMTU-Basis (ECD3-7) vermieden werden, da diese ein reversibles Redoxverhalten aufweisen. Für den Einsatz von TMTU wurde ein hoher τv-Wert von 72 % (L* = 87,7, a* = -9,2, b* = 11,6) erhalten. Niedrige Konzentrationen von Redoxmediatoren (< 0,1 M) verringern die Zellspannung, ohne die optischen Eigenschaften der ECDs zu beeinflussen. TMTU/TMFDS2+ (Molverhältnis von 1:0,1 in 1 M LiClO4/PC als Elektrolyt) wurde erfolgreich als Redoxmediator in Kombination mit Ni1-xO-Elektroden eingesetzt, wobei eine Änderung des τv-Wertes von 38 % (gefärbt bei 2 V, L* = 67,1, a* = 3,9, b* = 17,2) auf 70 % bei (entfärbt bei -2 V, L* = 86,6, a* = -0,6, b* = 17,2) erzielt wurde. Dieses Ergebnis impliziert, dass der Einsatz von Redoxmediatoren in den Elektrolyten ein effektives Mittel zur Vereinfachung des Zellaufbaus sind und Farbneutralität mit einer optisch aktiven WE und einem farbneutralen Redoxmediator erreicht werden kann. Ein exzellentes Beispiel ist hierfür die Kombination von Ni1-xO und des farblose TMTU/TMFDS2+-Redoxmediator. Es wurde gezeigt, dass FTO- und ultradünnen ITO-Glas-basierte ECDs sehr attraktiv für energieeffiziente EC-Anwendungen sind, z. B. in Architektur- oder Automobilverglasungen, Flugzeugen, Schiffen, Haushaltsgeräten und Displays. Um die Änderung der Elektrodenpotentiale während des Schaltvorgangs zu überwachen, kann die Drei-Elektroden-Konfiguration helfen, die Zyklenstabilität zu verbessern. Die untersuchten ECDs zeigen einen Weg zur Farbneutralität auf, z.B. EC-aktives Ni1-xO, optisch inaktive Mischmetalloxide und farblose Redoxmediatoren. Dennoch sollte die Farbneutralität weiter verbessert werden, um die Anforderungen für industrielle Anwendungen zu erfüllen und für zukünftige Arbeiten ist ein Scale-up-Prozess von Laborgröße (wenige cm²) zu Prototypen (wenige m²) ECDs notwendig. KW - Elektrochromie KW - metallopolymers KW - metal oxides KW - electrochromic device KW - neutral tint Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258554 ER - TY - INPR A1 - Sednev, Maksim V. A1 - Liaqat, Anam A1 - Höbartner, Claudia T1 - High-Throughput Activity Profiling of RNA-Cleaving DNA Catalysts by Deoxyribozyme Sequencing (DZ-seq) T2 - Journal of the American Chemical Society N2 - RNA-cleaving deoxyribozymes have found broad application as useful tools for RNA biochemistry. However, tedious in vitro selection procedures combined with laborious characterization of individual candidate catalysts hinder the discovery of novel catalytic motifs. Here, we present a new high-throughput sequencing method, DZ-seq, which directly measures activity and localizes cleavage sites of thousands of deoxyribozymes. DZ-seq exploits A-tailing followed by reverse transcription with an oligo-dT primer to capture the cleavage status and sequences of both deoxyribozyme and RNA substrate. We validated DZ-seq by conventional analytical methods and demonstrated its utility by discovery of novel deoxyribozymes that allow for cleaving challenging RNA targets or the analysis of RNA modification states. KW - RNA-Cleaving Deoxyribozymes KW - High-Throughput Sequencing Method, DZ-seq KW - Analysis of RNA Modifications Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258520 ER - TY - THES A1 - Gall, Dominik T1 - Increasing the effectiveness of human-computer interfaces for mental health interventions T1 - Steigerung der Effektivität von Mensch-Computer-Schnittstellen für Interventionen im Bereich der psychischen Gesundheit N2 - Human-computer interfaces have the potential to support mental health practitioners in alleviating mental distress. Adaption of this technology in practice is, however, slow. We provide means to extend the design space of human-computer interfaces for mitigating mental distress. To this end, we suggest three complementary approaches: using presentation technology, using virtual environments, and using communication technology to facilitate social interaction. We provide new evidence that elementary aspects of presentation technology affect the emotional processing of virtual stimuli, that perception of our environment affects the way we assess our environment, and that communication technologies affect social bonding between users. By showing how interfaces modify emotional reactions and facilitate social interaction, we provide converging evidence that human-computer interfaces can help alleviate mental distress. These findings may advance the goal of adapting technological means to the requirements of mental health practitioners. N2 - Mensch-Computer-Schnittstellen haben das Potenzial, psychosoziale Fachkräfte bei der Linderung von psychischen Problemen zu unterstützen. Die Adaption solcher Technologien in der Praxis verläuft jedoch langsam. Wir stellen Mittel zur Verfügung, um den Gestaltungsraum von Mensch-Computer-Schnittstellen zur Linderung von psychischen Belastungen zu erweitern. Zu diesem Zweck schlagen wir drei komplementäre Ansätze vor: die Verwendung von Präsentationstechnologie, die Verwendung virtueller Umgebungen und die Verwendung von Kommunikationstechnologie zur Erleichterung sozialer Interaktion. Wir liefern neue Belege dafür, dass elementare Aspekte der Präsentationstechnologie die emotionale Verarbeitung virtueller Stimuli beeinflussen, dass die Wahrnehmung unserer Umgebung die Art und Weise beeinflusst, wie wir unsere Umgebung bewerten, und dass Kommunikationstechnologien die soziale Bindung zwischen Nutzern beeinflussen. Indem wir zeigen, wie Benutzerschnittstellen emotionale Reaktionen modifizieren und soziale Interaktion erleichtern, liefern wir konvergierende Hinweise dafür, dass Mensch-Computer-Schnittstellen die Linderung von psychischen Belastungen unterstützen können. Diese Erkenntnisse können das Vorhaben unterstützen, technologische Möglichkeiten an die Bedürfnisse von psychosozialen Fachkräften anzupassen. KW - Mensch-Maschine-Kommunikation KW - Human-Computer Interaction KW - Mensch-Maschine-Schnittstelle KW - Psychische Gesundheit Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230120 ER - TY - THES A1 - Busch, Marlene Corinna T1 - Developing a virtual Control Room for future satellite missions T1 - Entwicklung eines virtuellen Kontrollraums für künftige Satellitenmissionen N2 - This thesis deals with the first part of a larger project that follows the ultimate goal of implementing a software tool that creates a Mission Control Room in Virtual Reality. The software is to be used for the operation of spacecrafts and is specially developed for the unique real-time requirements of unmanned satellite missions. Beginning from launch, throughout the whole mission up to the recovery or disposal of the satellite, all systems need to be monitored and controlled in continuous intervals, to ensure the mission’s success. Mission Operation is an essential part of every space mission and has been undertaken for decades. Recent technological advancements in the realm of immersive technologies pave the way for innovative methods to operate spacecrafts. Virtual Reality has the capability to resolve the physical constraints set by traditional Mission Control Rooms and thereby delivers novel opportunities. The paper highlights underlying theoretical aspects of Virtual Reality, Mission Control and IP Communication. However, the focus lies upon the practical part of this thesis which revolves around the first steps of the implementation of the virtual Mission Control Room in the Unity Game Engine. Overall, this paper serves as a demonstration of Virtual Reality technology and shows its possibilities with respect to the operation of spacecrafts. N2 - Diese Arbeit befasst sich mit dem ersten Teil eines größeren Projekts, das das Ziel verfolgt, eine Software zu implementieren, die einen Missionskontrollraum in der virtuellen Realität erstellt. Die Software soll zum Einsatz für den Betrieb von Raumfahrzeugen eingesetzt werden und wurde speziell für die besonderen Echtzeitanforderungen von unbemannten Satellitenmissionen entwickelt. Vom Start über die gesamte Mission bis hin zur Entsorgung des Satelliten, müssen alle Systeme kontinuierlich überwacht und gesteuert werden, um den Erfolg der Mission zu gewährleisten. Der Missionsbetrieb ist ein wesentlicher Bestandteil jeder Weltraum Mission und wird seit Jahrzehnten durchgeführt. Die jüngsten technologischen Fortschritte auf dem Gebiet der immersiven Technologien ebnen den Weg für innovative Methoden zum Betrieb von Raumfahrzeugen. Virtuelle Realität ist in der Lage, die physischen Beschränkungen traditioneller Missionskontrollräume zu überwinden und bietet dadurch neue Möglichkeiten. Der Beitrag beleuchtet die grundlegenden theoretischen Aspekte von Virtual Reality, Missionskontrolle und IP-Kommunikation. Der Schwerpunkt liegt jedoch auf dem praktischen Teil der dieser Arbeit, der sich um die ersten Schritte der Implementierung des virtuellen Missionskontrollraums Raumes in der Unity Game Engine. Insgesamt dient diese Arbeit als Demonstration der Virtual Reality Technologie und zeigt deren Möglichkeiten im Hinblick auf den Betrieb von Raumschiffen. KW - Control room KW - virtual reality KW - spacecrarft control Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-258261 ER - TY - THES A1 - Lasway, Julius Vincent T1 - Impact of human land use on bee diversity and plant-pollinator interactions in Tanzania savannah ecosystems T1 - Auswirkungen der Landnutzung durch den Menschen auf die Bienendiversität und die Wechselwirkungen zwischen Pflanze und Bestäuber in den Savannenökosystemen Tansanias N2 - One of the pronounced global challenges facing ecologists is how to feed the current growing human population while sustaining biodiversity and ecosystem services. To shed light on this, I investigated the impact of human land use on bee diversity and plant-pollinator interactions in Tanzania Savannah ecosystems. The thesis comprises the following chapters: Chapter I: General Introduction This chapter provides the background information including the study objectives and hypotheses. It highlights the ecological importance of bees and the main threats facing bee pollinators with a focus on two land-use practices namely livestock grazing and agriculture. It also highlights the diversity and global distribution of bees. It further introduces the tropical savannah ecosystem, its climate, and vegetation characteristics and explains spectacular megafauna species of the system that form centers of wildlife tourism and inadequacy knowledge on pollinators diversity of the system. Finally, this chapter describes the study methodology including, the description of the study area, study design, and data collection. Chapter II: Positive effects of low livestock grazing intensity on East African bee assemblages mediated by increases in floral resources The impact of livestock grazing intensity on bee assemblage has been subjected to research over decades. Moreover, most of these studies have been conducted in temperate Europe and America leaving the huge tropical savannah of East Africa less studied. Using sweep netting and pan traps, a total of 183 species (from 2,691 individuals) representing 55 genera and five families were collected from 24 study sites representing three levels of livestock grazing intensity in savannah ecosystem of northern Tanzania. Results have shown that moderate livestock grazing slightly increased bee species richness. However, high livestock grazing intensity led to a strong decline. Besides, results revealed a unimodal distribution pattern of bee species richness and mean annual temperature. It was also found that the effect of livestock grazing and environmental temperature on bee species richness was mediated by a positive effect of moderate grazing on floral resource richness. The study, therefore, reveals that bee communities of the African savannah zone may benefit from low levels of livestock grazing as this favors the growth of flowering plant species. A high level of livestock grazing intensity will cause significant species losses, an effect that may increase with climatic warming. Chapter III: Agricultural intensification with seasonal fallow land promotes high bee diversity in Afrotropical drylands This study investigated the impact of local agriculture intensification on bee diversity in the Afro tropical drylands of northern Tanzania. Using sweep netting and pan traps, a total of 219 species (from 3,428 individuals) representing 58 genera and six families were collected from 24 study sites (distributed from 702 to 1708 m. asl) representing three levels of agriculture intensity spanning an extensive gradient of mean annual temperature. Results showed that bee species richness increased with agricultural intensity and with increasing temperature. However, the effects of agriculture intensity and temperature on bee species richness were mediated by the positive effects of agriculture and temperature on floral resource richness used by bee pollinators. Moreover, results showed that variation of bee body sizes increases with agricultural intensification, “that effect”, however, diminished in environments with higher temperatures. This study reveals that bee assemblages in Afrotropical drylands benefit from agriculture intensification in the way it is currently practiced. Further intensification, including year-round irrigated crop monocultures and extensive use of agrochemicals, is likely to exert a negative impact on bee diversity and pollination services, as reported in temperate regions. Moreover, several bee species were restricted to natural savannah habitats. Therefore, to conserve bee communities in Afro tropical drylands and guarantee pollination services, a mixture of savannah and agriculture, with long periods of fallow land should be maintained. Chapter IV: Impact of land use intensification and local features on plants and pollinators in Sub-Saharan smallholder farms For the first time in the region, this study explores the impact of land-use intensification on plants and pollinators in Sub-Saharan smallholder farms. The study complemented field surveys of bees with a modern DNA metabarcoding approach to characterize the foraged plants and thus built networks describing plant-pollinator interactions at the individual insect level. This information was coupled with quantitative traits of landscape composition and floral availability surrounding each farm. The study found that pollinator richness decreased with increasing impervious and agricultural cover in the landscape, whereas the flower density at each farm correlated with pollinator richness. The intensification of agricultural land use and urbanization correlated with a higher foraging niche overlap among pollinators due to the convergence of individuals' flower-visiting strategies. Furthermore, within farms, the higher availability of floral resources drove lower niche overlap among individuals, greater abundance of flower visitors shaped higher generalization at the networks level (H2I), possibly due to increased competition. These mechanistic understandings leading to individuals’ foraging niche overlap and generalism at the network level, could imply stability of interactions and the pollination ecosystem service. The integrative survey proved that plant-pollinator systems are largely affected by land use intensification and by local factors in smallholder farms of Sub-Saharan Africa. Thus, policies promoting nature-based solutions, among which the introduction of more pollinator-friendly practices by smallholder farmers, could be effective in mitigating the intensification of both urban and rural landscapes in this region, as well as in similar Sub-Saharan contexts. Chapter V: A synopsis of the Bee occurrence data of northern Tanzania This study represents a synopsis of the bee occurrence data of northern Tanzania obtained from a survey in the Kilimanjaro, Arusha, and Manyara regions. Bees were sampled using two standardized methods, sweep netting and colored pan traps. The study summed up 953 species occurrences of 45 species belonging to 20 genera and four families (Halictidae, Apidae, Megachilidae, and andrenidae) A. This study serves as the baseline information in understanding the diversity and distribution of bees in the northern parts of the country. Understanding the richness and distribution of bees is a critical step in devising robust conservation and monitoring strategies for their populations since limited taxonomic information of the existing and unidentified bee species makes their conservation haphazard. Chapter VI: General discussion In general, findings obtained in these studies suggest that livestock grazing and agriculture intensification affects bee assemblages and floral resources used by bee pollinators. Results have shown that moderate livestock grazing intensity may be important in preserving bee diversity. However, high level of livestock grazing intensity may result in a strong decline in bee species richness and abundance. Moreover, findings indicate that agriculture intensification with seasonal fallow lands supports high floral resource richness promoting high bee diversity in Afrotropical drylands. Nonetheless, natural savannahs were found to contain unique bee species. Therefore, agriculture intensification with seasonal fallow should go in hand with conserving remnant savannah in the landscapes to increase bee diversity and ensure pollination services. Likewise, findings suggest that increasing urbanization and agriculture cover at the landscape level reduce plant and pollinator biodiversity with negative impacts on their complex interactions with plants. Conversely, local scale availability of floral resources has shown the positive effects in buffering pollinators decline and mitigating all detrimental effects induced by land-use intensification. Moreover, findings suggest that the impact of human land use (livestock grazing and agriculture) do not act in isolation but synergistically interacts with climatic factors such as mean annual temperature, MAT. The impact of MAT on bee species richness in grazing gradient showed to be more detrimental than in agriculture habitats. This could probably be explained by the remaining vegetation cover following anthropogenic disturbance. Meaning that the remaining vegetation cover in the agricultural gradient probably absorbs the solar radiations hence reducing detrimental effect of mean annual temperature on bee species richness. This one is not the case in grazing gradient since the impact of livestock grazing is severe, leaving the bare land with no vegetation cover. Finally, our findings conclude that understanding the interplay of multiple anthropogenic activities and their interaction with MAT as a consequence of ongoing climate change is necessary for mitigating their potential consequences on bee assemblages and the provision of ecosystem services. Morever, future increases in livestock grazing and agriculture intensification (including year-round crop irrigated monocultures and excessive use of agrochemicals) may lead to undesirable consequences such as species loss and impair provision of pollination services. N2 - Eine der größten globalen Herausforderungen für Ökologen ist die Beantwortung der Frage, wie die wachsende menschliche Bevölkerung ernährt und gleichzeitig die biologische Vielfalt und die Ökosystemleistungen erhalten werden können. Um dies zu beleuchten, habe ich die Auswirkungen der menschlichen Landnutzung auf die Bienenvielfalt und die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bestäubern in den Ökosystemen der Tansania-Savanne untersucht. Die Arbeit umfasst die folgenden Kapitel: Kapitel I: Allgemeine Einführung Dieses Kapitel enthält die Hintergrundinformationen, einschließlich der Studienziele und Hypothesen. Es hebt die ökologische Bedeutung von Bienen und die Hauptbedrohungen für Bienenbestäuber hervor, wobei der Schwerpunkt auf zwei Landnutzungspraktiken liegt, nämlich Viehbeweidung und Landwirtschaft. Außerdem werden die Vielfalt und die globale Verbreitung der Bienen herausgearbeitet. Des Weiteren werden das Ökosystem der tropischen Savanne, sein Klima und seine Vegetationscharakteristika vorgestellt und die spektakulären Megafauna-Arten des Systems erläutert, die Zentren des Wildtiertourismus bilden, sowie die unzureichenden Kenntnisse über die Vielfalt der Bestäuber in diesem System. Schließlich wird in diesem Kapitel die Methodik der Studie beschrieben, einschließlich der Beschreibung des Untersuchungsgebiets, des Studiendesigns und der Datenerhebung. Kapitel II: Positive Auswirkungen einer geringen Beweidungsintensität auf ostafrikanische Bienengemeinschaften, vermittelt durch eine Zunahme der floralen Ressourcen Die Auswirkungen der Weideintensität auf die Bienenbestände sind seit Jahrzehnten Gegenstand von empirischen Untersuchungen. Die meisten dieser Studien wurden jedoch in den gemäßigten Breiten Europas und Amerikas durchgeführt, während die riesigen tropischen Savannen Ostafrikas weniger untersucht wurden. Mit Hilfe von Wurfnetzen und Schwenkfallen wurden insgesamt 183 Arten (von 2.691 Individuen) aus 55 Gattungen und fünf Familien an 24 Untersuchungsstandorten, die drei Stufen der Viehweideintensität im Savannen-Ökosystem im Norden Tansanias repräsentieren, gesammelt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine mäßige Beweidung mit Weidevieh den Artenreichtum der Bienen leicht erhöht. Eine hohe Beweidungsintensität führte jedoch zu einem starken Rückgang. Außerdem zeigten die Ergebnisse ein unimodales Verteilungsmuster des Bienenartenreichtums und der mittleren Jahrestemperatur. Es wurde auch festgestellt, dass die Auswirkungen von Viehbeweidung und Umwelttemperatur auf den Bienenartenreichtum durch eine positive Auswirkung von mäßiger Beweidung auf den Reichtum an floralen Ressourcen vermittelt wurden. Die Studie zeigt daher, dass Bienengemeinschaften in der afrikanischen Savanne von einer geringen Beweidung durch Vieh profitieren können, da dies das Wachstum blühender Pflanzenarten fördert. Eine hohe Beweidungsintensität führt zu erheblichen Artenverlusten, die sich infolge der Klimaerwärmung noch verstärken können. Kapitel III: Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland fördert hohe Bienenvielfalt in afrotropischen Trockengebieten In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Intensivierung der lokalen Landwirtschaft auf die Bienenvielfalt in den afrotropischen Trockengebieten im Norden Tansanias untersucht. An 24 Untersuchungsstandorten (zwischen 702 und 1.708 m ü.N.N.), die drei Intensitätsstufen der Landwirtschaft repräsentieren und einen weiten Gradienten der Jahresmitteltemperatur abdecken, wurden 219 Arten (von 3.428 Individuen) gesammelt, die 58 Gattungen und sechs Familien repräsentieren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Artenreichtum der Bienen mit der Intensität der Landwirtschaft und mit steigender Temperatur zunahm. Die Auswirkungen der Intensität der Landwirtschaft und der Temperatur auf den Artenreichtum der Bienen wurden jedoch durch die positiven Auswirkungen der Landwirtschaft und der Temperatur auf den Reichtum der von den Bienenbestäubern genutzten Blütenressourcen vermittelt. Außerdem zeigten die Ergebnisse, dass die Variation der Körpergröße der Bienen mit der Intensivierung der Landwirtschaft zunimmt, diese jedoch in Umgebungen mit höheren Temperaturen abnimmt. Diese Studie zeigt, dass die Bienengemeinschaften in afrotropischen Trockengebieten von der Intensivierung der Landwirtschaft, wie sie derzeit praktiziert wird, profitieren. Eine weitere Intensivierung, einschließlich ganzjährig bewässerter Monokulturen und intensiver Einsatz von Agrochemikalien, wird sich wahrscheinlich negativ auf die Bienenvielfalt und die Bestäubungsleistung auswirken, wie dies auch in den gemäßigten Regionen beobachtet wurde. Außerdem war das Vorkommen einiger Bienenarten auf natürliche Savannenlebensräume beschränkt. Um die Bienengemeinschaften in afrotropischen Trockengebieten zu erhalten und die Bestäubungsleistungen zu gewährleisten, sollte daher eine Mischung aus Savanne und Landwirtschaft mit Langzeitig-Brachflächen beibehalten werden. Kapitel IV: Auswirkungen der Intensivierung der Landnutzung und lokaler Gegebenheiten auf Pflanzen und Bestäuber in kleinbäuerlichen Betrieben südlich der Sahara In dieser Studie werden zum ersten Mal in der Region die Auswirkungen der Intensivierung der Landnutzung auf Pflanzen und Bestäuber in kleinbäuerlichen Betrieben südlich der Sahara untersucht. Hierbei wurden Felduntersuchungen von Bienen um einen modernen DNA-Metabarcoding-Ansatz ergänzt, um die beflogenen Pflanzen zu charakterisieren und so Netzwerke aufzudecken, die die Interaktionen zwischen Pflanzen und Bestäubern auf der Ebene einzelner Insekten beschreiben. Diese Informationen wurden mit quantitativen Merkmalen der Landschaftszusammensetzung und der Blütenverfügbarkeit in der Umgebung der einzelnen landwirtschaftlichen Betriebe verknüpft. Die Studie ergab, dass der Reichtum an Bestäubern mit zunehmendem Landschaftsanteil an undurchlässiger und landwirtschaftlicher Fläche abnahm, während die Blütendichte mit dem Reichtum an Bestäubern korrelierte. Die Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung und die Urbanisierung korrelierten mit einer stärkeren Überlappung der Nischen für die Nahrungssuche von Bestäubern, was auf die Konvergenz der Strategien der Individuen bei der Suche nach Blüten zurückzuführen ist. Darüber hinaus führte innerhalb der landwirtschaftlichen Betriebe die höhere Verfügbarkeit von Blütenressourcen zu einer geringeren Nischenüberschneidung zwischen den Individuen, während eine größere Anzahl von Blütenbesuchern zu einer stärkeren Generalisierung auf der Ebene der Netzwerke führte (H2I), was möglicherweise auf einen erhöhten Wettbewerb zurückzuführen ist. Diese mechanistischen Erkenntnisse, die zur Überlappung der Nischen der Individuen bei der Nahrungssuche und zum Generalismus auf der Netzwerkebene führen, könnten die Stabilität der Interaktionen und der Ökosystemdienstleistung Bestäubung implizieren. Die integrative Untersuchung hat gezeigt, dass die Bestäubersysteme in den kleinbäuerlichen Betrieben Afrikas südlich der Sahara weitgehend von der Intensivierung der Landnutzung und von lokalen Faktoren beeinflusst werden. Daher könnten politische Maßnahmen zur Förderung naturbasierter Lösungen, zu denen auch die Einführung bestäuberfreundlicher Praktiken durch Kleinbauern gehört, die Intensivierung sowohl städtischer als auch ländlicher Landschaften in dieser Region wie auch in ähnlichen Kontexten südlich der Sahara wirksam abmildern. Kapitel V: Ein Überblick über die Daten zum Bienenvorkommen im Norden Tansanias Diese Studie gibt einen Überblick über die Daten zum Bienenvorkommen im Norden Tansanias, die im Rahmen einer Erhebung in den Regionen Kilimanjaro, Arusha und Manyara gewonnen wurden. Die Bienen wurden mit zwei standardisierten Methoden erfasst: mit Keschern und Farbschalen. Im Rahmen der Studie wurden 953 Individuen aus 45 Arten aus 20 Gattungen und vier Familien (Halictidae, Apidae, Megachilidae und Andrenidae) nachgewiesen. Diese Studie dient als Grundlage für das Verständnis der Vielfalt und Verbreitung von Bienen in den nördlichen Teilen des Landes. Das Verständnis des Reichtums und der Verbreitung von Bienen ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung robuster Erhaltungs- und Überwachungsstrategien für deren Populationen, da die begrenzten taxonomischen Informationen über die vorhandenen und nicht identifizierten Bienenarten deren Erhaltung ungewiss erscheinen lassen. Kapitel VI: Allgemeine Diskussion Im Allgemeinen deuten die Ergebnisse dieser Studien darauf hin, dass die Beweidung mit Vieh und die Intensivierung der Landwirtschaft Auswirkungen auf die Bienenbestände und die von Bienenbestäubern genutzten Blütenressourcen haben. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass eine mäßige Beweidungsintensität für die Erhaltung der Bienenvielfalt von Bedeutung sein kann. Eine hohe Beweidungsintensität kann jedoch zu einem starken Rückgang des Artenreichtums und der Abundanz von Bienen führen. Außerdem deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland einen hohen Reichtum an floralen Ressourcen aufweist, der eine hohe Bienenvielfalt in afrotropischen Trockengebieten fördert. Nichtsdestotrotz zeigte sich, dass natürliche Savannen eine einzigartige Artenzusammensetzung aufweisen. Daher sollte die Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland mit der Erhaltung von Savannenresten in den Landschaften einhergehen, um die Bienenvielfalt zu erhöhen und die Bestäubungsleistung sicherzustellen. Ebenso deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die zunehmende Urbanisierung und landwirtschaftliche Nutzung auf Landschaftsebene die biologische Vielfalt von Pflanzen und Bestäubern verringert, was sich negativ auf ihre komplexen Interaktionen mit Pflanzen auswirkt. Umgekehrt hat sich die Verfügbarkeit von Blütenressourcen auf lokaler Ebene als positiv erwiesen, da sie den Rückgang der Bestäuber abpuffert und alle durch die Intensivierung der Flächennutzung verursachten negativen Auswirkungen abmildert. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Auswirkungen der menschlichen Landnutzung (Viehbeweidung und Landwirtschaft) nicht isoliert wirken, sondern synergetisch mit Klimafaktoren wie der mittleren Jahrestemperatur (MAT) zusammenwirken. Die Auswirkung von MAT auf den Artenreichtum der Bienen in Weidegebieten erwies sich als nachteiliger als in landwirtschaftlich genutzten Lebensräumen. Dies könnte wahrscheinlich durch die verbleibende Vegetationsdeckung nach einer anthropogenen Störung erklärt werden. Das bedeutet, dass die verbleibende Vegetationsdeckung im landwirtschaftlichen Gradienten wahrscheinlich die Sonneneinstrahlung absorbiert und damit die nachteiligen Auswirkungen der mittleren Jahrestemperatur auf den Artenreichtum der Bienen verringert. Dies ist im Weidegradienten nicht der Fall, da die Auswirkungen der Beweidung durch das Weidevieh schwerwiegend sind und kahles Land ohne nennenswerte Vegetationsbedeckung zurücklassen. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass ein Verständnis des Zusammenspiels verschiedener anthropogener Aktivitäten und ihrer Interaktion mit MAT als Folge des fortschreitenden Klimawandels notwendig ist, um die potenziellen Folgen für die Bienenbestände und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu mildern. Darüber hinaus können die künftige Zunahme der Viehbeweidung und die Intensivierung der Landwirtschaft (einschließlich ganzjährig bewässerter Monokulturen und übermäßiger Einsatz von Agrochemikalien) zu unerwünschten Folgen wie dem Verlust von Arten und Bestäubungsleistungen führen. KW - Human land use KW - Plant-pollinator interactions KW - Tanzania KW - Savannah ecosystems KW - Livestock grazing KW - Agriculture intensification KW - Bee assemblages KW - Bee abundance KW - Bee species richness Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-257726 ER -