TY  - THES
A1  - Wagenhäuser [geb. Vonhausen], Yvonne
T1  - Thermodynamic Investigations on the Dimerization and Anti-Cooperative Self-Assembly of Dipolar Merocyanines
T1  - Thermodynamische Untersuchungen zur Dimerisierung und anti-kooperativen Selbstassemblierung von dipolaren Merocyaninen
N2  - Dipolar merocyanines are very attractive supramolecular building blocks, as they combine interesting functional properties with strong, directional intermolecular interactions. The pyridine dioxocyano-pyridine (PYOP) chromophore (Chapter 2.2), used in this thesis, stands out because of its exceptionally high ground state dipole moment (g ~ 17 D), in combination with the option to retain good solubility also in unpolar solvents, by decoration with solubilizing groups. 
The reliable binding motif of anti-parallel -stacking due to dipole-dipole interactions has allowed the design of molecular building blocks that form assemblies of predictable geometry. The intense unstructured charge transfer UV/Vis absorption band (eg ~ 10.7 D) is a result of the dominant contribution of the zwitterionic resonance structure which brings the PYOP chromophore just beyond the cyanine limit in solvents of low polarity (c2 = 0.60, 1,4 dioxane). The high sensitivity of the S0 – S1 UV/Vis absorption band to the environment manifests itself in a pronounced negative solvatochromism and strong H-type exciton coupling within -stacked PYOP assemblies. In accordance with the classical molecular exciton theory, an increasing hypsochromic shift of the dominant absorption band of these H aggregates can be observed as the stack size increases up to about six chromophores, where it levels out at about max ~ 440 nm (CHCl3). This allows a uniquely simple estimation of the number of interacting chromophores within the self-assembled structure from a single UV/Vis absorption spectrum of an aggregate.
The defined and well investigated PYOP dimer formation was employed in this thesis to probe the applicability and limitations of concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies (Chapter 3). Straightforward theoretical models to evaluate datasets of concentration-, temperature-, and solvent-dependent UV/Vis absorption by nonlinear regression analysis were derived for the case of dimer formation (Chapter 2.1). Although the dimer model is well known and widely applied in literature, this detailed derivation is helpful to understand assumptions and potential problems of the different approaches for the determination of thermodynamic parameters. This helps to decide on the most appropriate method to analyse a system of interest. In this regard it should be noted that covering a large portion of the self-assembly process with the experimental data is a prerequisite for the accuracy of the analysis.  Additionally, many of the insights can also be transferred to other self-assembly systems like supramolecular polymerization or host-guest interactions. 
The concentration-dependent analysis is the most straightforward method to investigate self-assembly equilibria. No additional assumptions, besides mass balance and mass action law, are required. Since it includes the least number of parameters (only K, if M/D are known), it is the most, or even only, reliable method, to elucidate the self-assembly mechanism of an unknown system by model comparison. To cover a large concentration range, however, the compound must be soluble enough and generally sample amounts at least in the low mg scale must be available. 
The temperature-dependent analysis has the advantage that all thermodynamic parameters G0, H0 and S0 can be obtained from a single sample in one automated measurement. However, the accessible temperature-range is experimentally often quite limited and dependent on the solvent. For systems which do not show the transition from monomer to aggregate in a narrow temperature range, as given for, e.g., cooperative aggregation or processes with a high entropy contribution, often not the entire self-assembly process can be monitored. Furthermore, the assumptions of temperature-independent extinction coefficients of the individual species as well as temperature-independent H0 and S0 must be met. Monte Carlo simulations of data sets demonstrated that even minor changes in experimental data can significantly impact the optimized values for H0 and S0. This is due to the redundancy of these two parameters within the model framework and even small thermochromic effects can significantly influence the results. The G0 value, calculated from H0 and S0, is, however, still rather reliable. 
Solvent-dependent studies can often cover the entire self-assembly process from monomeric (agg = 0) to the fully aggregated state (agg = 1). However, for dyes with strong solvatochromic effects, such as the dipolar merocyanines investigated in this thesis, the results are affected. Also, the assumption of a linear relation of the binding energy G0 and the fraction of denaturating solvent f, which is based on linear free energy relationships between G0 and the solvent polarity, can lead to errors. Especially when specific solvent effects are involved. 
For the evaluation of experimental data by nonlinear regression, general data analysis software can be used, where user-defined fit models and known parameters can be implemented as desired. Alternatively, multiple specialized programs for analysing self-assembly data are available online. While the latter programs are usually more user-friendly, they have the disadvantage of being a “black box” where only pre-implemented models can be used without the option for the user to adapt models or parameters for a specific system. 
In Chapter 3 comprehensive UV/Vis absorption datasets are presented for the dimerization of merocyanine derivative 1 in 1,4-dioxane, which allowed for the first time a direct comparison of the results derived from concentration-, temperature-, and solvent-dependent self-assembly studies. 
The results for the binding constant K and corresponding G0 from the concentration- and temperature-dependent analysis were in very good agreement, also in comparison to the results from ITC. For the temperature-dependent analysis, though, multiple datasets of samples with different concentration had to be evaluated simultaneously to cover a meaningful part of the self-assembly process. Furthermore, a significant dependence of the optimized parameters H0 and S0 on the wavelength chosen for the analysis was observed. This can be rationalized by the small thermochromic shifts of both the monomer and the dimer UV/Vis absorption band. The results from the solvent-dependent evaluation showed the largest deviation, as expected for the highly solvatochromic merocyanine dye.
However, even here by evaluation at 491 and 549 nm the deviation for G0 was only 2.5 kJ mol1 (9%) with respect to the results from the concentration-dependent analysis (G0 = 29.1 kJ mol1). Thus, despite the strong solvatochromism of the dipolar chromophore, it can still be considered a reliable method for estimating the binding strength. Furthermore, multiple repetitions of the concentration-, temperature-, and solvent-dependent studies provided insight into the reproducibility of the results and possible sources of experimental errors. In all cases, the deviations of the results were small (G0 < 0.4 kJ mol1) and within the same range as the fit error from the nonlinear regression analysis. 
The insights from these studies were an important basis for the in-depth investigation of a more complex supramolecular system in Chapter 4, as a single method is often not enough to capture the full picture of a more complicated self-assembly process. To elucidate the anti-cooperative self-assembly of the chiral merocyanine 2, a combination of multiple techniques had to be applied. 
Solvent-dependent UV/Vis absorption studies in CH2Cl2/MCH mixtures showed the step-wise assembly of the merocyanine monomer (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) to first a dimer (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) by dipole-dipole interactions, and then a -stacked higher aggregate (max(H) = 477 nm, MCH), with pronounced H-type coupling. 
The thermodynamic evaluation of this data, however, suffered from the severe solvatochromism, especially of the monomeric species (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Therefore, concentration-dependent studies were performed  at three different temperatures (298, 323, 353 K) to elucidate the self-assembly mechanism and determine reliable thermodynamic parameters. The studies at elevated temperatures were hereby necessary, to obtain experimental data over a larger agg--range. Due to the pronounced difference in the thermodynamic driving force for dimerization and higher aggregate formation (KD/K5 = 6500) a concentration range exists in MCH where almost exclusively the dimer species of 2 is present, before further self-assembly by dispersion interactions occurs. Therefore, the data could be evaluated independently for the two self-assembly steps. The self-assembly of dimers into the higher aggregate could not be described by the isodesmic model but was fitted satisfactorily to a pentamer model. This rather small size of about ten -stacked PYOP chromophores was, furthermore, consistently indicated by AFM, VPO and DOSY NMR measurements. Based on 1D and 2D NMR data as well as the strong bisignate CD signal of the higher aggregate in combination with TD-DFT calculations, a P-helical stack is proposed as its structure. The small size can be rationalized by the anti-cooperative self-assembly mechanism and the sterical demand of the solubilizing trialkoxyphenyl and the chiral tetralin substituents. Additionally, the aliphatic shell formed by the solubilizing chains around the polar chromophore stack, can account for the exceptionally high solubility of 2 in MCH (> 15 mg mL1). These combined studies of the self-assembly process enabled the identification of suitable conditions for the investigation of fluorescence properties of the individual aggregate species. Aggregation-induced emission enhancement was observed for the almost non-emissive monomer (Fl(M) = 0.23%), which can be rationalized by the increasing rigidification within the dimer (Fl(D) = 2.3%) and the higher aggregate (Fl(H) = 4.5%). The helical chirality of the PYOP decamer stack, furthermore, gave rise to a strong CPL signal with a large glum value of 0.011.
The important conclusion of this thesis is that the temperature- and solvent-dependent analyses are valid alternatives to the classical concentration-dependent analysis to determine thermodynamic parameters of self-assembly equilibria. Although, for a specific supramolecular system, one approach might be favourable over the others for a variety of reasons. The experimental limitations often demand a combination of techniques to fully elucidate a self-assembly process and to gain insights in the aggregate structure. The anti-cooperative merocyanine self-assembly, which was described here for the first time for the PYOP merocyanine 2, is no exception. Besides the interest in the merocyanine assemblies from a structural and functional point of view, the insights gained from the presented studies can also be transferred to other self-assembly systems and be a guide to find the most appropriate analysis technique.
N2  - Dipolare Merocyanine sind sehr attraktive supramolekulare Bausteine, da sie interessante funktionale Eigenschaften mit starken, gerichteten zwischenmolekularen Wechselwirkungen vereinen. Der Pyridin-dioxocyano-pyridin (PYOP)-Chromophor (Kapitel 2.2), welcher in dieser Arbeit verwendet wurde, zeichnet sich durch sein besonders starkes Grundzustands-dipolmoment (g ~ 17 D) aus, in Kombination mit der Möglichkeit durch Funktionalisierung mit löslichkeitsvermittelnden Gruppen dennoch gute Löslichkeit zu bewahren. 
Das zuverlässige Bindungsmotiv der durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen anti-parallel  gestapelten Merocyanine ermöglicht es, gezielt molekulare Bausteine zu entwerfen, welche sich zu Strukturen von vorhersagbarer Geometrie zusammenlagern. Der dominante Beitrag der zwitterionischen Resonanzstruktur führt zu einer intensiven, unstrukturierten Charge-Transfer UV/Vis-Absorptionsbande (eg ~ 10.7 D) und bringt den PYOP Chromophor leicht jenseits des Cyanin-Limits in unpolaren Lösungsmitteln (c2 = 0.60, 1,4-Dioxan). Die Sensitivität der S0   S1 UV/Vis-Absorptionsbande gegenüber der Umgebung zeigt sich in der ausgeprägten negativen Solvatochromie und einer starken H artigen excitonischen Kopplung in -gestapelten Aggregaten. In Übereinstimmung mit klassischer Excitonen-Theorie kann eine zunehmende hypsochrome Verschiebung der dominanten Absorptionsbande mit zunehmender Größe der H-Aggregate beobachtet werden, bis bei etwa sechs Chromophoren und max ~ 440 nm ein Plateau erreicht wird. Dies ermöglicht eine einmalig einfache Abschätzung, der Anzahl an wechselwirkenden Chromophoren innerhalb einer Aggregatstruktur, basierend auf einem einzigen UV/Vis-Absorptionsspektrum. 
Das definierte und gut untersuchte Beispiel des PYOP-Dimers wurde in dieser Arbeit verwendet, um die Anwendbarkeit und die Grenzen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Aggregationsstudien auszutesten (Kapitel 3). Theoretische Modelle zur thermodynamischen Auswertung von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen Studien mittels nichtlinearer Regression wurden für das Beispiel der Dimerisierung hergeleitet (Kapitel 2). Obwohl das Dimer-Modell literaturbekannt ist, ist diese detaillierte Herleitung hilfreich, um die Annahmen zu verstehen, die dem Modell zugrunde liegen. So können potenzielle Problemquellen der verschiedenen Methoden erkannt und die geeignetste Methode zur Bestimmung der thermodynamischen Parameter für ein bestimmtes System ausgewählt werden. Hierbei sollte man beachten, dass es sich für die Aussagekraft der Analyse klar als zuträglich erwiesen hat, wenn ein möglichst großer Bereich des Aggregationssprozesses von den experimentellen Daten abgedeckt werden kann. Viele der hier gewonnen Erkenntnisse lassen sich auch auf andere Systeme wie supramolekulare Polymere oder Wirt-Gast-Komplexe übertragen. 
Die konzentrationsabhängige Analyse ist die direkteste Methode, um ein supramolekulares Gleichgewicht zu untersuchen. Sie erfordert keine zusätzlichen Annahmen, außer dem Massenerhalt und dem Massenwirkungsgesetz. Da das konzentrationsabhängige mathematische Modell die wenigsten Parameter enthält (nur K, wenn M/D bekannt), ist es die zuverlässigste, wenn nicht sogar die einzig zuverlässige, Methode, um den Aggregationsmechanismus durch einen Vergleich der experimentellen Daten mit verschiedenen Modellen aufzuklären. Allerdings muss die zu untersuchende Verbindung hierbei löslich genug sein, damit ein großer Teil des Aggregationsprozesses in den Studien abgebildet werden kann und es werden üblicherweise Substanzmengen im niedrigen mg Bereich benötig.
Die temperaturabhängige Analyse hat den Vorteil, dass alle thermodynamischen Parameter G0, H0 und S0 in einer einzigen automatisierten Messung einer einzelnen Probe erhalten werden können. Allerdings ist der experimentell zugängliche Temperaturbereich oft sehr eingeschränkt und abhängig von dem verwendeten Lösungsmittel. Für Systeme, bei denen der Übergang vom Monomer zum Aggregat nicht in einem engen Temperaturbereich erfolgt, z.B. aufgrund von Kooperativität oder einem großen Entropie-Beitrag, ist es oft nicht möglich den gesamten Aggreationsprozess abzubilden. Zusätzlich sollten die Annahmen, dass sowohl die Extinktionskoeffizienten der einzelnen Spezies sowie H0 und S0 temperaturunabhängig sind, zutreffen. Mittels Monte Carlo Simulationen konnte gezeigt werden, dass selbst kleine Änderungen in den experimentellen Daten die erhaltenen Werte von H0 und S0 deutlich beeinflussen können. Dies liegt daran, dass die beiden Parameter im mathematischen Modell nicht völlig unabhängig voneinander sind. Selbst geringfügige thermochrome Veränderungen können daher die Ergebnisse für H0 und S0 beeinflussen. Die G0-Werte, die sich aus H0 und S0 berechnen lassen, sind allerding dennoch recht zuverlässig. Mittels lösungsmittelabhängiger Studien ist es oft am einfachsten, den vollständigen Prozess vom Monomer (agg = 0) bis zum Aggregat (agg = 1) abzubilden. Für stark solvatochrome Farbstoffe wie die hier untersuchten dipolaren Merocyanine werden die Ergebnisse allerdings deutlich verfälscht. Auch die Annahme einer linearen Abhängigkeit der Bindungsenergie G0 und der Lösungsmittelzusammensetzung f, die auf linearen Freie-Energie Beziehungen zwischen G0 und der Lösungsmittelpolarität beruhen, kann zu Abweichungen führen, vor allem, wenn spezifische Lösungsmitteleffekte involviert sind. Die Auswertung der experimentellen Daten erfolgt mittels nichtlinearer Regression. Hierfür können diverse Datenauswertungsprogramme genutzt werden, in die sich benutzerdefinierte Modelle inklusive bekannter Parameter implementieren lassen. Alternativ gibt es auch eine Auswahl von spezialisierten Programmen zur Auswertung von Aggregationsdaten im Internet. Diese sind zwar deutlich benutzerfreundlicher, aber auch „Black Boxes“, deren voreingestellte Modelle und Parameter in der Regel nicht vom Nutzer für ein spezielles System angepasst werden können. 
In Kapitel 3 wurden umfangreiche UV/Vis-Absorptionsstudien für die Dimerisierung von Merocyanin 1 in 1,4-Dioxan vorgestellt, welche zum ersten Mal einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen von konzentrations-, temperatur- und lösungsmittelabhängigen  Aggregationsstudien ermöglichten. Die Ergebnisse für die Bindungskonstante K und dem dazugehörigen G0-Wert aus der konzentrations- und temperaturabhängigen Analyse stimmen mit den Ergebnissen der isothermalen Titrationskalorimetrie (ITC) überein.
Bei der temperaturabhängigen Auswertung mussten allerdings mehrere Datensätze von Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen zusammen ausgewertet werden, um einen aussagekräftigen Bereich des Aggregationsprozesses abzudecken. Außerdem wurde eine deutliche Abhängigkeit der Ergebnisse für H0 und S0 von der Wellenlänge festgestellt, die für die Auswertung gewählt wurde. Dies liegt an der kleinen thermochromen Verschiebung der Monomer- und Dimer-Absorptionsbande. Die Ergebnisse der lösungsmittelabhängigen Studien zeigten, wie für den stark solvatochromen Chromophor erwartet, die größte Abweichung. Allerdings beträgt die Abweichung für G0 selbst hier nur 2.5 kJ mol1 (9%), bei Auswertung bei 491 und 549 nm, im Vergleich zur konzentrationsabhängigen Auswertung (G0 = 29.1 kJ mol1). Trotz der ausgeprägten Solvatochromie sind die lösungsmittelabhängigen Studien also geeignet, um die Bindungsstärke eines Systems abzuschätzen. Mehrmalige Wiederholung der Experimente erlaubte eine Abschätzung der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und möglicher Fehlerquellen. Die Ergebnisse schwankten hierbei in allen Fällen nur geringfügig (G0 < 0.4 kJ mol1) und in der gleichen Größenordnung wie der Fehler der nichtlinearen Regression. 
Die Erkenntnisse aus diesen Studien waren eine wichtige Grundlage für die Untersuchung eines komplexeren supramolekularen Systems in Kapitel 4. Eine einzelne Methode ist oft nicht ausreichend, um einen mehrstufigen Aggregationsprozess vollständig aufzuklären, und auch zur Aufklärung der anti-kooperativen Aggregation des chiralen Merocyanins 2, wurde eine Kombination verschiedener Techniken angewandt. Lösungsmittelabhängige UV/Vis-Absorptionsstudien in CH2Cl2/MCH Mischungen zeigten die stufenweise Zusammenlagerung der Merocyanin-Monomere (max(M) = 549 nm, CH2Cl2) zuerst durch Dipol-Dipol Wechselwirkungen zu Dimeren (max(D) = 498 nm, CH2Cl2/MCH 15:85) und dann zu größeren -Stapeln (max(H) = 477 nm, MCH) mit ausgeprägter H-Kopplung. 
Die thermodynamische Auswertung dieser Daten leidet allerdings unter der ausgeprägten Solvatochromie, vor allem der Monomer-Spezies (max(M, CH2Cl2) = 549 nm, max(M, MCH) = 596 nm). Daher wurden stattdessen konzentrationsabhängige Studien bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um den Aggregationsmechanismus aufzuklären und verlässliche thermodynamische Parameter zu bestimmen. Die Studien bei höheren Temperaturen waren notwendig, um mit den experimentellen Daten einen größeren agg--Bereich abdecken zu können. Aufgrund des ausgeprägten Unterschieds in der thermodynamischen Triebkraft für die Dimerisierung und die Bildung höherer Aggregate (KD/K5 = 6500) gibt es in MCH einen Konzentrationsbereich, in dem fast ausschließlich die dimere Spezies vorhanden ist, bevor eine weitere Zusammenlagerung durch Dispersionswechselwirkungen erfolgt. Dies ermöglichte eine unabhängige Auswertung der Daten für die beiden Aggregationsschritte. Der Zusammenschluss von Dimeren zum höheren Aggregat ließ sich nicht durch das isodesmische Modell beschreiben, sondern durch ein Pentamer-Modell. Diese Größe von etwa zehn -gestapelten PYOP-Chromophoren wurde außerdem durch AFM-, VPO- und DOSY-NMR-Messungen bestätigt. Basierend auf 1D- und 2D-NMR-Daten und dem CD-Signal des höheren Aggregats mit positivem Cotton-Effekt in Kombination mit TD-DFT Rechnungen, wurde ein P-helikaler -Stapel als Struktur angenommen. Die geringe Größe lässt sich durch den anti-kooperativen Aggregationsmechanismus und den sterischen Anspruch der lösungsvermittelnden Trialkoxyphenyl- und der chiralen Tetralin-Substituenten erklären. Die durch diese Substituenten ausgebildete aliphatische Hülle um den polaren Chromophorstapel kann außerdem die ungewöhnlich hohe Löslichkeit der Verbindung 2 in MCH erklären (> 15 mg mL1). Die detaillierte Untersuchung des Selbstorganisationsprozesses ermöglichte die Identifizierung geeigneter Bedingungen für die Untersuchung der Fluoreszenzeigenschaften der einzelnen Aggregatspezies. Für das nahezu nicht emittierende Monomer (Fl(M) = 0.23%) wurde durch zunehmende Rigidisierung im Dimer (Fl(D) = 2.3%) und im höherem Aggregat (Fl(H) = 4.5%) eine durch Aggregation induzierte Emissionssteigerung beobachtet. Die helikale Chiralität des PYOP-Decamer-Stapels führte außerdem zu einem starken CPL Signal mit einem hohen glum-Wert von 0.011.
Das wichtige Fazit dieser Arbeit ist, dass sowohl temperatur- als auch lösungsmittelabhängige Studien valide Alternativen zu den klassischen konzentrationsabhängigen Untersuchungen sind, mit denen thermodynamische Parameter von Selbstorganisations-Gleichgewichten bestimmt werden können. Wobei für ein bestimmtes supramolekulares System eine der Methoden aus verschiedenen Gründen vorteilhafter sein kann als die anderen. Üblicherweise gegebene experimentelle Beschränkungen erfordern oft den kombinierten Einsatz von Techniken, um einen Selbstorganisationsprozess und die Aggregatstrukturen vollständig aufzuklären. Die anti-kooperative Merocyanin-Selbstorganisation, die hier zum ersten Mal für das PYOP-Merocyanin 2 beschrieben wurde, ist keine Ausnahme. Neben dem Interesse an den Merocyanin-Aggregaten aus struktureller und funktioneller Sicht können die aus den vorgestellten Studien gewonnenen Erkenntnisse auch auf andere Selbstassemblierungs-systeme übertragen werden und als Leitfaden für die Suche nach der am besten geeigneten Analysemethode dienen.
KW  - Merocyanine
KW  - Supramolekulare Chemie
KW  - Self-Assembly
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-352111
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herok, Christoph
T1  - Quantum Chemical Exploration of Potential Energy Surfaces: Reaction Cycles and Luminescence Phenomena
T1  - Quantenchemische Erforschung von Energiehyperflächen: Reaktionszyklen und Lumineszenzphänomene
N2  - This work aims at elucidating chemical processes involving homogeneous catalysis and photo–physical relaxation of excited molecules in the solid state. Furthermore, compounds with supposedly small singlet–triplet gaps and therefore biradicaloid character are investigated with respect to their electro–chemical behavior. The work on hydroboration catalysis via a reduced 9,10–diboraanthracene (DBA) was preformed in collaboration with the Wagner group in Frankfurt, more specifically Dr. Sven Prey, who performed all laboratory experiments. The investigation of delayed luminescence properties in arylboronic esters in their solid state was conducted in collaboration with the Marder group in Würzburg. The author of this work took part in the synthesis of the investigated compounds while being supervised by Dr. Zhu Wu. The final project was a collaboration with the group of Anukul Jana from Hyderabad, India who provided the experimental data.
N2  - Ziel dieser Arbeit ist die Aufklärung chemischer Prozesse, die homogene Katalyse und photophysikalische Relaxation angeregter Moleküle im Festkörper beinhalten. Darüber hinaus werden Verbindungen mit vermeintlich kleinen Singulett-Triplett-Lücken und damit biradikaloidem Charakter auf ihr elektrochemisches Verhalten hin untersucht. Die Arbeiten zur Hydroborierungskatalyse mit einem reduzierten 9,10-Diboraanthracen (DBA) wurden in Zusammenarbeit mit der Wagner-Gruppe in Frankfurt durchgeführt, genauer gesagt mit Dr. Sven Prey, der alle Laborexperimente durchführte. Die Untersuchung der verzögerten Lumineszenzeigenschaften von Arylborsäureestern im Festkörper wurde in Zusammenarbeit mit der Marder Gruppe in Würzburg durchgeführt. Der Autor dieser Arbeit war an der Synthese der untersuchten Verbindungen beteiligt und wurde dabei von Dr. Zhu Wu betreut. Das abschließende Projekt war eine Zusammenarbeit mit der Gruppe von Anukul Jana aus Hyderabad, Indien, die die experimentellen Daten zur Verfügung stellte.
KW  - Simulation
KW  - Quantum Chemistry
KW  - Reaction Mechanism
KW  - Fluorescence
KW  - Phosphoresence
KW  - Chemie
KW  - Katalyse
KW  - Lumineszenz
KW  - chemistry
KW  - simulation
KW  - catalysis
KW  - mechanism
KW  - luminescence
KW  - Energiehyperfläche
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-352185
ER  - 
TY  - INPR
A1  - Brenner, Marian
A1  - Zink, Christoph
A1  - Witzinger, Linda
A1  - Keller, Angelika
A1  - Hadamek, Kerstin
A1  - Bothe, Sebastian
A1  - Neuenschwander, Martin
A1  - Villmann, Carmen
A1  - von Kries, Jens Peter
A1  - Schindelin, Hermann
A1  - Jeanclos, Elisabeth
A1  - Gohla, Antje
T1  - 7,8-Dihydroxyflavone is a direct inhibitor of pyridoxal phosphatase
T2  - eLife
N2  - Vitamin B6 deficiency has been linked to cognitive impairment in human brain disorders for decades. Still, the molecular mechanisms linking vitamin B6 to these pathologies remain poorly understood, and whether vitamin B6 supplementation improves cognition is unclear as well. Pyridoxal phosphatase (PDXP), an enzyme that controls levels of pyridoxal 5’-phosphate (PLP), the co-enzymatically active form of vitamin B6, may represent an alternative therapeutic entry point into vitamin B6-associated pathologies. However, pharmacological PDXP inhibitors to test this concept are lacking. We now identify a PDXP and age-dependent decline of PLP levels in the murine hippocampus that provides a rationale for the development of PDXP inhibitors. Using a combination of small molecule screening, protein crystallography and biolayer interferometry, we discover and analyze 7,8-dihydroxyflavone (7,8-DHF) as a direct and potent PDXP inhibitor. 7,8-DHF binds and reversibly inhibits PDXP with low micromolar affinity and sub-micromolar potency. In mouse hippocampal neurons, 7,8-DHF increases PLP in a PDXP-dependent manner. These findings validate PDXP as a druggable target. Of note, 7,8-DHF is a well-studied molecule in brain disorder models, although its mechanism of action is actively debated. Our discovery of 7,8-DHF as a PDXP inhibitor offers novel mechanistic insights into the controversy surrounding 7,8-DHF-mediated effects in the brain.
KW  - 7,8-dihydroxyflavone (7,8-DHF)
KW  - pyridoxal phosphatase (PDXP)
KW  - vitamin B6
KW  - PDXP inhibitors
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-350446
ER  - 
TY  - CHAP
ED  - Leuschner, Eckhard
ED  - Frommel, Sabine
T1  - Deutsch-französischer Kunst- und Kulturtransfer der frühen Neuzeit im europäischen Kontext
T1  - Transfert artistique et culturel franco-allemand au début de l’époque moderne dans le contexte européen
T2  - Young Research on the Renaissance (YOURRS)
N2  - Die vorliegenden Texte sind die verschriftlichten und redigierten Beiträge eines internationalen Kolloquiums, das – organisiert von der École Pratique des Hautes Études, PSL, Paris, vom Institut für Kunstgeschichte der Universität Würzburg und der Universität Jaén – vom 1. bis 4. Juni 2022 in Paris stattfand und finanziell von der Deutsch-Französischen Hochschule unterstützt wurde.
KW  - Renaissance
KW  - Kunst- und Kulturtransfer
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-354804
VL  - 1
ER  - 
TY  - THES
A1  - Krampert, Laura
T1  - Dynamics of cardiac neutrophil diversity in murine myocardial infarction
T1  - Dynamik der Diversität kardialer neutrophiler Granulozyten im Mausmodell Herzinfarkt
N2  - After myocardial infarction, an inflammatory response is induced characterized by a sterile inflammation, followed by a reparative phase in order to induce cardiac healing. Neutrophils are the first immune cells that enter the ischemic tissue. Neutrophils have various functions in the ischemic heart, such as phagocytosis, production of reactive oxygen species or release of granule components. These functions can not only directly damage cardiac tissue, but are also necessary for initiating reparative effects in post-ischemic healing, indicating a dual role of neutrophils in cardiac healing after infarction.
In recent years, evidence has been growing that neutrophils show phenotypic and functional differences in distinct homeostatic and pathogenic settings.
Preliminary data of my working group using single-cell RNA-sequencing revealed the time- dependent heterogeneity of neutrophils, with different populations showing distinct gene expression profiles in ischemic hearts of mice, including the time-dependent appearance of a SiglecFhigh neutrophil population. To better understand the dynamics of neutrophil heterogeneity in the ischemic heart, my work aimed to validate previous findings at the protein level, as well as to investigate whether the distinct neutrophil populations show functional differences. Furthermore, in vivo depletion experiments were performed in order to modulate circulating neutrophil levels.
Hearts, blood, bone marrow and spleens were processed and analyzed from mice after 1 day and 3 days after the onset of cardiac ischemia and analyzed using flow cytometry.
Results showed that the majority of cardiac neutrophils isolated at day 3 after myocardial infarction were SiglecFhigh, whereas nearly no SiglecFhigh neutrophils could be isolated from ischemic hearts at day 1 after myocardial infarction.
No SiglecFhigh neutrophils could be found in the blood, spleen and bone marrow either after 1 day or 3 days after myocardial infarction, indicating that the SiglecFhigh state of neutrophils is unique to the ischemic cardiac tissue.
When I compared SiglecFhigh and SiglecFlow neutrophils regarding their phagocytosis activity and ROS production, SiglecFhigh neutrophils showed a higher phagocytosis ability than their SiglecFlow counterparts, as well as higher ROS production capacity.
In vivo depletion experiments could not achieve successful and efficient depletion of cardiac neutrophils either 1 day or 3 days after myocardial infarction, but led to a shift of a higher percentage of SiglecFhigh expressing neutrophils in the depletion group. Bone marrow neutrophil levels only showed partial depletion at day 3 after MI. Regarding blood neutrophils, depletion efficiently reduced circulating neutrophils at both time points, 1 and 3 days after MI. To summarize, this work showed the time-dependent presence of different neutrophil states in the ischemic heart. The main population of neutrophils isolated 3 days after MI showed a high expression of SiglecF, a unique state that could not be detected at different time points or other organs. These SiglecFhigh neutrophils showed functional differences regarding their phagocytosis ability and ROS production. Further investigation is needed to reveal what role these SiglecFhigh neutrophils could play within the ischemic heart.
To better target neutrophil depletion in vivo, more efficient or different anti-neutrophil strategies are needed.
N2  - Nach Myokardinfarkt kommt es zu einer Entzündungsantwort, die durch eine sterile Entzündung und nachfolgende reparative Phase gekennzeichnet ist, um eine kardiale Heilung zu initiieren. Neutrophile Granulozyten sind die ersten Immunzellen, die das ischämische Gewebe infiltrieren. Neutrophile Granulozyten haben verschiedene Funktionen im  ischämischen Herz, wie beispielsweise Phagozytose, Produktion reaktiver Oxigenspezies oder Entleerung von Granulae. Diese Funktionen können nicht nur das kardiale Gewebe direkt 
schädigen, sondern sind auch notwendig, um die reparative Phase zu initiieren, was auf eine duale Rolle der neutrophilen Granulozyten hinsichtlich kardialer Heilung hinweist.
Evidenz der letzten Jahre zeigt, dass neutrophile Granulzyten phänotypische und funktionelle Unterschiede zeigen, sowohl in Homöostase als auch in verschiedenen pathologischen Umgebungen.
Vorangehende Ergebnisse meiner Arbeitsgruppe von Einzelzellsequenzierungen zeigten die 
zeitabhängige Heterogenität neutrophiler Granulozyten, die in verschiedenen Populationen 
und mit unterschiedlichen Expressions-Mustern in ischämischen Mäuseherzen auftauchten. 
Unter anderem zeigte sich das zeitabhängige Auftauchen einer SiglecFhigh NeutrophilenPopulation. Um die Dynamik der Neutrophilen-Heterogenität im ischämischen Herz besser zu verstehen, war es das Ziel meiner Arbeit, vorangehende Ergebnisse auf Proteinbasis zu 
bestätigen, und die verschiedenen Neutrophilen-Populationen hinsichtlich möglicher funktioneller Unterschiede zu untersuchen. Zusätzlich wurden in-vivo Depletionsversuche durchgeführt, um das Vorkommen zirkulierender neutrophiler Granulozyten zu modulieren 
und mögliche Änderungen hinsichtlich des Vorkommens neutrophiler Granulozyten im Herzen zu untersuchen.
Herz, Blut, Knochenmark und Milz von Mäusen, die einen 1 oder 3 Tage alten Myokardinfarkt hatten, wurden prozessiert und mittels Durchflusszytometrie analysiert. Es zeigte sich, dass der 
überwiegende Anteil kardialer neutrophiler Granulozyten die an Tag 3 nach Myokardinfarkt isoliert wurden SiglecFhigh waren, wohingegen quasi keine SiglecFhigh neutrophile Granulozyten an Tag 1 nach Myokardinfarkt gefunden werden konnten.
Es konnten keine SiglecFhigh neutrophile Granulozyten in Blut, Knochenmark oder Milz gefunden werden, weder 1 noch 3 Tage nach Myokardinfarkt, was darauf hinweist, dass der SiglecFhigh Status neutrophiler Granulozyten spezifisch für ischämisches Herzgewebe ist.
Im Vergleich von SiglecFhigh und SiglecFlow neutrophilen Granulozyten hinsichtlich der Phagozytose und Produktion reaktiver Oxigenspezies, zeigten SiglecFhigh neutrophile Granulozyten sowohl eine höhere Phagozytose als auch eine höhere Produktion reaktiver Oxigenspezies.
In vivo Depletionsversuche konnten keine komplette und effiziente Depletion kardialer neutrophiler Granulozyten sowohl an Tag 1 als auch an Tag 3 nach Myokardinfarkt erzielen, führten jedoch zu einem höheren Prozentsatz an SiglecFhigh neutrophilen Granulozyten in der 
Depletionsgruppe. Neutrophile Granulozyten im Knochenmark konnten nur an Tag 3 teilweise depletiert werden. Mit Blick auf neutrophile Granulozyten im Blut führte die Depletion zu einer effizienten Reduktion zirkulierender neutrophiler Granulozyten sowohl an Tag 1 als auch an Tag 3 nach Myokardinfarkt. 
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit die zeitabhängige Präsenz verschiedener neutrophiler Granulozyten im ischämischen Herzen. Der größte Anteil neutrophiler Granulozyten, die an Tag 3 isoliert wurden, zeigten eine hohe Expression von SiglecF, einem spezifischen und 
einzigartigem Phänotypus, der weder zu anderen Zeitpunkten noch in anderen Organen gefunden wurde. Diese SiglecFhigh neutrophilen Granulozyten zeigten funktionelle Unterschiede hinsichtlich ihrer Phagozytose und Produktion reaktiver Oxigenspezies. Weitere Untersuchungen sind notwendig um aufzuzeigen, welche Rolle diese SiglecFhigh neutrophilen Granulozyten im ischämischen Herzen spielen könnten.Um eine effizientere Depletion neutrophiler Granulozyten in vivo zu erzielen, sind andere oder effizientere Anti-Neutrophilen Strategien notwendig.
KW  - Neutrophiler Granulozyt
KW  - neutrophils
KW  - Entzündung
KW  - Herzinfarkt
KW  - inflammation
KW  - myocardial infarction
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349576
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TY  - THES
A1  - Aido, Ahmed
T1  - Development of anti-TNF antibody-gold nanoparticles (anti-TNF-AuNPs)
T1  - Entwicklung von Anti-TNF-Antikörper-Gold-Nanopartikeln
N2  - Gold nanoparticles of diameter ca. 60 nm have been synthesized based on Turkevich and Frens protocols. We have demonstrated that the carboxyl-modified gold nanoparticles can be coupled covalently with antibodies (Ab) of interest using the EDC/NHS coupling procedure. Binding studies with Ab-grafted AuNPs and GpL fusion proteins proved that conjugation of AuNPs with antibodies enables immobilization of antibodies with preservation of a significant antigen binding capacity. More importantly, our findings showed that the conjugation of types of anti-TNF receptors antibodies such as anti-Fn14 antibodies (PDL192 and 5B6) (Aido et al., 2021), anti-CD40, anti-4-1BB and anti-TNFR2 with gold nanoparticles confers them with potent agonism. Thus, our results suggest that AuNPs can be utilized as a platform to immobilize anti-TNFR antibodies which, on the one hand, helps to enhance their agonistic activity in comparison to “free” inactive antibodies by mimicking the effect of cell-anchored antibodies or membrane-bound TNF ligands and, on the other hand, allows to develop new generations of drug delivery systems. These constructs are characterized with their biocompatibility and their tunable synthesis process.
In a further work part, we combined the benefits of the established system of Ab-AuNPs with materials used widely in the modern biofabrication approaches such as the photo-crosslinked hydrogels, methacrylate-modified gelatin (GelMA), combined with embedded variants of human cell lines. The acquired results demonstrated clearly that the attaching of proteins like antibodies to gold nanoparticles might reduce their release rate from the crosslinked hydrogels upon the very low diffusion of gold nanoparticles from the solid constructs to the surrounding medium yielding long-term local functioning proteins-attached particles. Moreover, our finding suggests that hydrogel-embedded AuNP-immobilized antibodies, e.g. anti-TNFα-AuNPs or anti-IL1-AuNPs enable local inhibitory functions,
To sum up, our results demonstrate that AuNPs can act as a platform to attach anti-TNFR antibodies to enhance their agonistic activity by resembling the output of cell-anchoring or membrane bounding. Gold nanoparticles are considered, thus, as promising tool to develop the next generation of drug delivery systems, which may contribute to cancer therapy. On top of that, the embedding of anti-inflammatory-AuNPs in the biofabricated hydrogel presents new innovative strategy of the treatment of autoinflammatory diseases.
N2  - Gold-Nanopartikel mit einem Durchmesser von ca. 60 nm wurden auf Basis der Turkevich- und Frens-Protokolle synthetisiert. Bindungsstudien mit Ab-verankerten AuNPs und GpL-Fusionsproteinen haben gezeigt, dass die Konjugation von AuNPs mit Antikörpern die Immobilisierung von Antikörpern mit Erhaltung einer signifikanten Antigenbindungs-Kapazität ermöglicht. Noch wichtiger ist, dass unsere Ergebnisse zeigen, dass die Konjugation von Typen von Antikörpern gegen TNFRs wie anti-Fn14-Antikörper (PDL192 und 5B6), anti-CD40, anti-4-1BB und anti-TNFR2 mit Gold-Nanopartikeln ihnen eine starke agonistische Wirkung verleiht. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass AuNPs als Plattform genutzt werden können, um Antikörper gegen TNFR zu immobilisieren, was einerseits dazu beiträgt, ihre agonistische Aktivität im Vergleich zu "freien" inaktiven Antikörpern zu erhöhen, indem sie die Wirkung von zellgebundenen Antikörpern oder membranverankerten TNF-Liganden nachahmen und andererseits die Entwicklung neuer Generationen von Wirkstoffabgabe Systemen ermöglicht. Diese Konstrukte zeichnen sich durch ihre Biokompatibilität und ihren einstellbaren Syntheseprozess aus.
In einem weiteren Teil der Arbeit haben wir die Vorteile des etablierten Systems von Ab-AuNPs mit Materialien kombiniert, die in modernen Biofabrikationsansätzen weit verbreitet sind, nämlich Hydrogele, z.b. methacrylatmodifiziertes Gelatine (GelMA), kombiniert mit eingebetteten Varianten von menschlichen Zelllinien. Die erzielten Ergebnisse zeigten deutlich, dass die Anbindung von Proteinen wie Antikörpern an Gold-Nanopartikel ihre Freisetzung aus den vernetzten Hydrogelen reduzieren könnte, da die Diffusion von Gold-Nanopartikeln aus den festen Konstrukten in das umgebende Medium sehr gering ist und so langfristig Konstrukte mit lokalem Proteine load - erzeugt werden können. Darüber hinaus legt unser Befund nahe, dass in das Hydrogel eingebettete AuNP-immobilisierte Antikörper wie Anti-TNFα-AuNPs oder Anti-IL1-AuNPs eine lokal Immunsuppression erlauben. Diese können als vielversprechende Ansätze betrachtet werden, um verschiedene Arten von Autoimmunerkrankungen zu behandeln.
Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass AuNPs als Plattform dienen können, um Anti-TNFR-Antikörper anzubinden und ihre agonistische Aktivität zu erhöhen. Goldnanopartikel werden daher als vielversprechendes Werkzeug zur Entwicklung der nächsten Generation von Wirkstofftransportsystemen angesehen, die zur Krebstherapie beitragen können. Darüber hinaus stellt die Einbettung von entzündungshemmenden-AuNPs in das biofabrizierte Hydrogel eine neue innovative Strategie für die Behandlung von autoinflammatorischen Erkrankungen dar.
KW  - AuNPs
KW  - TNF
KW  - Nanoparticles
KW  - Antibody
KW  - Gold Nanoparticles
KW  - Drug delivery system (DDS)
KW  - Nanopartikel
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349212
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TY  - THES
A1  - Kobs, Konstantin
T1  - Think outside the Black Box: Model-Agnostic Deep Learning with Domain Knowledge
T1  - Think outside the Black Box: Modellagnostisches Deep Learning mit Domänenwissen
N2  - Deep Learning (DL) models are trained on a downstream task by feeding (potentially preprocessed) input data through a trainable Neural Network (NN) and updating its parameters to minimize the loss function between the predicted and the desired output. While this general framework has mainly remained unchanged over the years, the architectures of the trainable models have greatly evolved. Even though it is undoubtedly important to choose the right architecture, we argue that it is also beneficial to develop methods that address other components of the training process. We hypothesize that utilizing domain knowledge can be helpful to improve DL models in terms of performance and/or efficiency. Such model-agnostic methods can be applied to any existing or future architecture. Furthermore, the black box nature of DL models motivates the development of techniques to understand their inner workings. Considering the rapid advancement of DL architectures, it is again crucial to develop model-agnostic methods.
In this thesis, we explore six principles that incorporate domain knowledge to understand or improve models. They are applied either on the input or output side of the trainable model. Each principle is applied to at least two DL tasks, leading to task-specific implementations. To understand DL models, we propose to use Generated Input Data coming from a controllable generation process requiring knowledge about the data properties. This way, we can understand the model’s behavior by analyzing how it changes when one specific high-level input feature changes in the generated data. On the output side, Gradient-Based Attribution methods create a gradient at the end of the NN and then propagate it back to the input, indicating which low-level input features have a large influence on the model’s prediction. The resulting input features can be interpreted by humans using domain knowledge.
To improve the trainable model in terms of downstream performance, data and compute efficiency, or robustness to unwanted features, we explore principles that each address one of the training components besides the trainable model. Input Masking and Augmentation directly modifies the training input data, integrating knowledge about the data and its impact on the model’s output. We also explore the use of Feature Extraction using Pretrained Multimodal Models which can be seen as a beneficial preprocessing step to extract useful features. When no training data is available for the downstream task, using such features and domain knowledge expressed in other modalities can result in a Zero-Shot Learning (ZSL) setting, completely eliminating the trainable model. The Weak Label Generation principle produces new desired outputs using knowledge about the labels, giving either a good pretraining or even exclusive training dataset to solve the downstream task. Finally, improving and choosing the right Loss Function is another principle we explore in this thesis. Here, we enrich existing loss functions with knowledge about label interactions or utilize and combine multiple task-specific loss functions in a multitask setting.
We apply the principles to classification, regression, and representation tasks as well as to image and text modalities. We propose, apply, and evaluate existing and novel methods to understand and improve the model. Overall, this thesis introduces and evaluates methods that complement the development and choice of DL model architectures.
N2  - Deep-Learning-Modelle (DL-Modelle) werden trainiert, indem potenziell vorverarbeitete Eingangsdaten durch ein trainierbares Neuronales Netz (NN) geleitet und dessen Parameter aktualisiert werden, um die Verlustfunktion zwischen der Vorhersage und der gewünschten Ausgabe zu minimieren. Während sich dieser allgemeine Ablauf kaum geändert hat, haben sich die verwendeten NN-Architekturen erheblich weiterentwickelt. Auch wenn die Wahl der Architektur für die Aufgabe zweifellos wichtig ist, schlagen wir in dieser Arbeit vor, Methoden für andere Komponenten des Trainingsprozesses zu entwickeln. Wir vermuten, dass die Verwendung von Domänenwissen hilfreich bei der Verbesserung von DL-Modellen bezüglich ihrer Leistung und/oder Effizienz sein kann. Solche modellagnostischen Methoden sind dann bei jeder bestehenden oder zukünftigen NN-Architektur anwendbar. Die Black-Box-Natur von DL-Modellen motiviert zudem die Entwicklung von Methoden, die zum Verständnis der Funktionsweise dieser Modelle beitragen. Angesichts der schnellen Architektur-Entwicklung ist es wichtig, modellagnostische Methoden zu entwickeln.
In dieser Arbeit untersuchen wir sechs Prinzipien, die Domänenwissen verwenden, um Modelle zu verstehen oder zu verbessern. Sie werden auf Trainingskomponenten im Eingang oder Ausgang des Modells angewendet. Jedes Prinzip wird dann auf mindestens zwei DL-Aufgaben angewandt, was zu aufgabenspezifischen Implementierungen führt. Um DL-Modelle zu verstehen, verwenden wir kontrolliert generierte Eingangsdaten, was Wissen über die Dateneigenschaften benötigt. So können wir das Verhalten des Modells verstehen, indem wir die Ausgabeänderung bei der Änderung von abstrahierten Eingabefeatures beobachten. Wir untersuchen zudem gradienten-basierte Attribution-Methoden, die am Ausgang des NN einen Gradienten anlegen und zur Eingabe zurückführen. Eingabefeatures mit großem Einfluss auf die Modellvorhersage können so identifiziert und von Menschen mit Domänenwissen interpretiert werden.
Um Modelle zu verbessern (in Bezug auf die Ergebnisgüte, Daten- und Recheneffizienz oder Robustheit gegenüber ungewollten Eingaben), untersuchen wir Prinzipien, die jeweils eine Trainingskomponente neben dem trainierbaren Modell betreffen. Das Maskieren und Augmentieren von Eingangsdaten modifiziert direkt die Trainingsdaten und integriert dabei Wissen über ihren Einfluss auf die Modellausgabe. Die Verwendung von vortrainierten multimodalen Modellen zur Featureextraktion kann als ein Vorverarbeitungsschritt angesehen werden. Bei fehlenden Trainingsdaten können die Features und Domänenwissen in anderen Modalitäten als Zero-Shot Setting das trainierbare Modell gänzlich eliminieren. Das Weak-Label-Generierungs-Prinzip erzeugt neue gewünschte Ausgaben anhand von Wissen über die Labels, was zu einem Pretrainings- oder exklusiven Trainigsdatensatz führt. Schließlich ist die Verbesserung und Auswahl der Verlustfunktion ein weiteres untersuchtes Prinzip. Hier reichern wir bestehende Verlustfunktionen mit Wissen über Label-Interaktionen an oder kombinieren mehrere aufgabenspezifische Verlustfunktionen als Multi-Task-Ansatz.
Wir wenden die Prinzipien auf Klassifikations-, Regressions- und Repräsentationsaufgaben sowie Bild- und Textmodalitäten an. Wir stellen bestehende und neue Methoden vor, wenden sie an und evaluieren sie für das Verstehen und Verbessern von DL-Modellen, was die Entwicklung und Auswahl von DL-Modellarchitekturen ergänzt.
KW  - Deep learning
KW  - Neuronales Netz
KW  - Maschinelles Lernen
KW  - Machine Learning
KW  - Model-Agnostic
KW  - Domain Knowledge
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349689
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TY  - THES
A1  - Werthmüller, Dominic Pascal
T1  - Relevance of bioaccessibility for the oral bioavailability of poorly water-soluble drugs
T1  - Relevanz der Biozugänglichkeit für die orale Bioverfügbarkeit von schlecht wasserlöslichen Substanzen
N2  - Poor or variable oral bioavailability is of major concern regarding safety and efficacy for the treatment of patients with poorly water-soluble drugs (PWSDs). The problem statement of this work involves a pharmaceutical development perspective, the physicochemical basis of the absorption process and physiological / biopharmaceutical aspects. A methodology was developed aiming at closing the gap between drug liberation and dissolution on the one hand and the appearance of drug in the blood on the other. Considering what is out of control from a formulation development perspective, a clear differentiation between bioavailability and bioaccessibility was necessary. Focusing on the absorption process, bioaccessibility of a model compound, a poorly soluble but well permeable weak base, was characterized by means of flux across artificial biomimetic membranes. Such setups can be considered to reasonably mimic relevant oral absorption resistances in vitro in terms of diffusion through an unstirred water layer (UWL) and a lipidic barrier. Mechanistic understanding of the driving force for permeation was gained by differentiating drug species and subsequently linking them to the observed transfer rates using a bioaccessibility concept. The three key species that need to be differentiated are molecularly dissolved drug, drug associated in solution with other components (liquid reservoir) and undissolved drug (solid reservoir). An innovative approach to differentiate molecularly dissolved drug from the liquid reservoir using ultracentrifugation in combination with dynamic light scattering as control is presented. A guidance for rational formulation development of PWSDs is elaborated based on the employed model compound. It is structured into five guiding questions to help drug formulation scientists in selecting drug form, excipients and eventually the formulation principle. Overall, the relevance but also limitations of characterizing bioaccessibility were outlined with respect to practical application e.g. in early drug formulation development.
N2  - Eine geringe und variable orale Bioverfügbarkeit gibt Anlass zu grosser Besorgnis hinsichtlich Sicherheit und Wirksamkeit einer Behandlung von Patienten mit schwer wasserlöslichen Arzneimitteln. Die Problemstellung dieser Arbeit umfasst eine pharmazeutische Entwicklungsperspektive, die physikalisch-chemischen Grundlagen des Absorptionsprozesses und physiologische / biopharmazeutische Aspekte. Es wurde eine Methodik entwickelt, die darauf abzielt, die Lücke zwischen der Wirkstofffreisetzung und -auflösung einerseits und dem Auftreten des Wirkstoffs im Blut andererseits zu schließen. Angesichts dessen, was aus Sicht der Formulierungsentwicklung nicht beeinflusst werden kann, war eine klare Unterscheidung zwischen Bioverfügbarkeit und Biozugänglichkeit notwendig. Mit Fokus auf den Absorptionsprozess wurde die Biozugänglichkeit eines Modellwirkstoffes, einer schlecht löslichen aber gut permeablen schwachen Base, mittels Massentransportexperimente durch künstliche biomimetische Membranen charakterisiert. Es kann davon ausgegangen werden, dass solche Anordnungen relevante orale Absorptionswiderstände hinsichtlich der Diffusion durch eine ungerührte Wasserschicht und eine Lipidbarriere in vitro nachahmen. Durch die Differenzierung der Wirkstoffspezies und die anschliessende Verknüpfung mit den beobachteten Transportraten mittels eines Biozugänglichkeitskonzepts wurde ein mechanistisches Verständnis der treibenden Kraft für die Permeation gewonnen. Die drei Schlüsselspezies, die unterschieden werden müssen, sind molekular gelöste Substanz, in Lösung mit anderen Bestandteilen assoziierte Substanz (flüssiges Reservoir) und ungelöste Substanz (festes Reservoir). Ein innovativer Ansatz zur Differenzierung zwischen molekular gelöstem Wirkstoff und Substanz in dem Flüssigkeitsreservoir unter Verwendung von Ultrazentrifugation in Kombination mit dynamischer Lichtstreuung als Kontrolle wird vorgestellt. Basierend auf dem verwendeten Modellwirkstoff wird eine Anleitung zur rationalen Formulierungsentwicklung von schlecht wasserlöslichen Arzneistoffen ausgearbeitet. Diese ist in fünf Leitfragen gegliedert, um Wissenschaftlern bei der Arzneimittelformulierung bei der Auswahl der Arzneimittelform, der Hilfsstoffe und schließlich des Formulierungsprinzips zu helfen. Insgesamt wurde die Relevanz, aber auch Grenzen der Charakterisierung der Biozugänglichkeit im Hinblick auf die praktische Anwendung z.B. in der frühen Entwicklung von Arzneimittelformulierungen aufgezeigt.
KW  - Poorly water-soluble drug
KW  - Bioaccessibility
KW  - Supersaturation
KW  - Drug form selection
KW  - Excipient selection
KW  - Flux
KW  - Bioverfügbarkeit
KW  - Formulierung
KW  - Bioavailability
KW  - Pharmacokinetic
KW  - Formulation
KW  - Phase separation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-299200
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TY  - THES
A1  - Hörner, Michaela
T1  - The role of inflammation in hereditary spastic paraplegia type 11
T1  - Die Rolle von Entzündungsreaktionen bei hereditärer spastischer Paraplegie Typ 11
N2  - Hereditary spastic paraplegias (HSPs) are genetically-determined, neurodegenerative disorders characterized by progressive weakness and spasticity of the lower limbs. Spastic paraplegia type 11 (SPG11) is a complicated form of HSP, which is caused by mutations in the SPG11 gene encoding spatacsin, a protein possibly involved in lysosomal reformation. Based on our previous studies demonstrating that secondary neuroinflammation can be a robust amplifier of various genetically-mediated diseases of both the central and peripheral nervous system, we here test the possibility that neuroinflammation may modify the disease outcome also in a mouse model for SPG11. Spg11-knockout (Spg11-/-) mice develop early walking pattern and behavioral abnormalities, at least partially reflecting motor, and behavioral changes typical for patients. Furthermore, we detected a progressive increase in axonal damage and axonal spheroid formation in the white and grey matter compartments of the central nervous system of Spg11-/- mice. This was accompanied by a concomitant substantial increase of secondary inflammation by cytotoxic CD8+ and CD4+ T-lymphocytes. We here provide evidence that disease-related changes can be ameliorated/delayed by the genetic deletion of the adaptive immune system. Accordingly, we provide evidence that repurposing clinically approved immunomodulators (fingolimod/FTY720 or teriflunomide), that are in use for treatment of multiple sclerosis (MS), also improve disease symptoms in mice, when administered in an early (before neural damage) or late (after/during neural damage) treatment regime.
This work provides strong evidence that immunomodulation can be a therapeutic option for the still untreatable SPG11, including its typical neuropsychological features. This poses the question if inflammation is not only a disease amplifier in SPG11 but can act as a unifying factor also for other genetically mediated disorders of the CNS. If true, this may pave the way to therapeutic options in a wide range of still untreatable, primarily genetic, neurological disorders by repurposing approved immunomodulators.
N2  - Hereditäre spastische Paraplegien (HSPs) sind genetisch-determinierte, neurodegenerative Erkrankungen, die durch eine progressive Schwäche und Spastizität der unteren Extremitäten charakterisiert sind. Die spastische Paraplegie Typ 11 (SPG11) ist eine komplizierte Form der HSP, die durch eine Mutation des SPG11 Gens hervorgerufen wird. Dieses Gen kodiert Spatacsin, ein Protein, das wahrscheinlich in der lysosomalen Reformation eine Rolle spielt. Frühere Studien unserer Arbeitsgruppe konnten zeigen, dass sekundäre Entzündungsreaktionen verschiedene genetisch-determinierte Krankheiten des zentralen und peripheren Nervensystems verstärken können. Daher haben wir hier untersucht, ob neuroinflammatorische Reaktionen auch in einem Mausmodell für SPG11 den Krankheitsverlauf beeinflussen. Spg11-knockout (Spg11-/-) Mäuse entwickeln frühzeitige Gangveränderungen und Verhaltensauffälligkeiten, welche die Veränderungen der Patienten, zumindest teilweise, abbilden. Außerdem konnten wir eine progressive Zunahme von axonalem Schaden und die Bildung von axonalen Schwellungen in der weißen und grauen Substanz des zentralen Nervensystems von Spg11-/- Mäusen feststellen. Dies wurde von einer deutlichen Zunahme einer sekundären Entzündungsreaktion in der weißen und grauen Substanz durch zytotoxische CD8+ und CD4+ T-Lymphozyten begleitet. Wir zeigen hier, dass diese krankheitsbedingten Veränderungen durch eine genetische Deletion von Teilen des adaptiven Immunsystems verbessert bzw. ihr Auftreten hinausgezögert werden können. Entsprechend zeigen wir, dass eine Behandlung mit klinisch etablierten Immunomodulatoren (Fingolimod/FTY720 oder Teriflunomid), die zu der Behandlung der Multiplen Sklerose (MS) eingesetzt werden, den Krankheitsverlauf positiv beeinflusst, wenn sie in einem frühzeitigen (Gabe vor neuronalem Schaden) oder späten (Gabe nach/während neuronalem Schaden) Behandlungsversuch appliziert werden.
Diese Arbeit deutet stark darauf hin, dass Immunomodulation eine Therapiemöglichkeit für die noch nicht behandelbare Krankheit SPG11 sein könnte, inklusive der typischen neuropsychologischen Auffälligkeiten. Das wirft die Frage auf, ob sekundäre Entzündungsreaktionen nicht nur einen krankheitsverstärkenden Effekt in SPG11 haben, sondern als ein vereinender Faktor für andere genetisch determinierte Krankheiten des ZNS fungieren können. Dies könnte den Weg dahin ebnen das Fortschreiten anderer unheilbarer, primär genetisch bedingter, neurologischer Erkrankungen durch eine individuelle Behandlung mit auf dem Markt verfügbaren immunomodulatorischen Medikamenten zu verlangsamen.
KW  - Entzündung
KW  - Immunmodulation
KW  - Hereditary spastic paraplegia
KW  - Hereditäre spastsiche Paraplegie
KW  - Approved immunomodulators
KW  - Nervendegeneration
KW  - Neurodegenerative Erkrankung
KW  - Entzündungsreaktion
KW  - Inflammation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303368
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TY  - JOUR
A1  - Gutzeit, Julian
A1  - Weller, Lisa
A1  - Muth, Felicitas
A1  - Kürten, Jens
A1  - Huestegge, Lynn
T1  - Eye did this! Sense of agency in eye movements
JF  - Acta Psychologica
N2  - This study investigates the sense of agency (SoA) for saccades with implicit and explicit agency measures. In two eye tracking experiments, participants moved their eyes towards on-screen stimuli that subsequently changed color. Participants then either reproduced the temporal interval between saccade and color-change (Experiment 1) or reported the time points of these events with an auditory Libet clock (Experiment 2) to measure temporal binding effects as implicit indices of SoA. Participants were either made to believe to exert control over the color change or not (agency manipulation). Explicit ratings indicated that the manipulation of causal beliefs and hence agency was successful. However, temporal binding was only evident for caused effects, and only when a sufficiently sensitive procedure was used (auditory Libet clock). This suggests a feebler connection between temporal binding and SoA than previously proposed. The results also provide evidence for a relatively fast acquisition of sense of agency for previously never experienced types of action-effect associations. This indicates that the underlying processes of action control may be rooted in more intricate and adaptable cognitive models than previously thought. Oculomotor SoA as addressed in the present study presumably represents an important cognitive foundation of gaze-based social interaction (social sense of agency) or gaze-based human-machine interaction scenarios.
Public significance statement: In this study, sense of agency for eye movements in the non-social domain is investigated in detail, using both explicit and implicit measures. Therefore, it offers novel and specific insights into comprehending sense of agency concerning effects induced by eye movements, as well as broader insights into agency pertaining to entirely newly acquired types of action-effect associations. Oculomotor sense of agency presumably represents an important cognitive foundation of gaze-based social interaction (social agency) or gaze-based human-machine interaction scenarios. Due to peculiarities of the oculomotor domain such as the varying degree of volitional control, eye movements could provide new information regarding more general theories of sense of agency in future research.
KW  - perception and action
KW  - sense of agency
KW  - temporal binding
KW  - saccades
KW  - oculomotor control
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-349819
VL  - 243
ER  -