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- Institut für Organische Chemie (37)
- Institut für Psychologie (37)
Schriftenreihe
Sonstige beteiligte Institutionen
- DFG Forschungsgruppe 2757 / Lokale Selbstregelungen im Kontext schwacher Staatlichkeit in Antike und Moderne (LoSAM) (2)
- Siemens AG (2)
- Agricultural Center, BASF SE, 67117 Limburgerhof, Germany (1)
- Akademie der Wissenschaften und der Literatur, Mainz (1)
- Bayer AG, Research & Development, Pharmaceuticals, Investigational Toxicology (1)
- Betriebsärztlicher Dienst der Universität Würzburg (1)
- Center of Excellence for Science and Technology - Integration of Mediterranean region (STIM), Faculty of Science, University of Split, Poljička cesta 35, 2100 Split, Croatia (1)
- Comprehensive Cancer Center Mainfranken (1)
- Core Unit Systemmedizin (1)
- Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad Autónoma de Madrid, 28049 Madrid, Spain (1)
Knowing then defeating: The Ubiquitin activating enzyme, a promising target for cancer therapy
(2020)
Ubiquitin is a 76 amino acid long polypeptide, which is present throughout eukaryotes in a highly conserved fashion. Ubiquitin can modify proteins by becoming covalently attached to them. Eukaryotic cells employ ubiquitin to maintain and regulate fundamental cellular processes like protein degradation, the immune response and transcriptional and translational regulation. Transfer of ubiquitin to the substrate is achieved by the catalysis of three classes of enzymes namely E1, E2 and E3. Together these enzymes form a pyramidal hierarchy, where E1 stands at the apex and E3 enzymes form the base of the pathway.
The ubiquitin activating enzyme 1 (UBA1) plays a major role in ubiquitylation being the ubiquitin-dedicated E1 enzyme. In addition, it is the only enzyme in this pathway to use ATP as an energy source to catalyze two important reactions. The products of these reactions, ubiquitin adenylate and ubiquitin thioester, are the essential intermediate states of ubiquitin, for being conjugated to the target protein. With the help of X-ray crystallography and biochemical approaches, snapshots of multiple catalytic states of UBA1, where it is bound to Mg-ATP, ubiquitin and the E2 Ubc13 as substrates could be captured. With the help of these high-resolution crystal structures, deeper insights into the enzymatic mechanism of UBA1 could be attained. The resulting insights into the catalytic cycle were further validated by biochemical assays. It could be shown that ATP acts as a molecular switch to induce the enzyme’s open conformation. Ubiquitin-binding to the enzyme leads to domain rotations, which facilitate the recruitment of a cognate E2 enzyme. The interdomain communication as well as the cross-talk with the substrates and the products fuel the enzymatic cycle of UBA1.
Due to the proven efficacy of proteasome inhibitors for cancer treatment, which block degradation of proteins labeled with ubiquitin, enzymes participating in the ubiquitylation cascade have been targeted by researchers for the development of novel anti-cancer therapeutics. UBA1 inhibition has been shown to preferentially induce cell death in malignant cells, and it can also be used as a strategy to overcome resistance against proteasome inhibitors. MLN7243, an adenosyl sulfamate inhibitor developed by Millenium Pharmaceutical to specifically target UBA1, is currently in Phase-I clinical trials for the treatment of solid tumors. UBA1 could be crystallized in complex with three adenosyl sulfamate inhibitors covalently linked to ubiquitin, which are promising drug candidates for cancer therapy. The inhibitors employed, MLN7243, MLN4924 and ABPA3, show distinct specificities towards different E1 enzymes. With the help of crystal structures the specificity determinants of these inhibitors could be deciphered, which were further confirmed by inhibition assays as well as molecular dynamics simulations. Together these crystal structures provide a starting point for developing E1-specific inhibitors, which, besides their potential for medicinal purposes, are important tools to better understand the function of the ubiquitin system as well as the action of ubiquitin-like proteins.
The CXC chemokine receptor 4 (CXCR4) and the atypical chemokine receptor 3 (ACKR3) are seven transmembrane receptors that are involved in numerous pathologies, including several types of cancers. Both receptors bind the same chemokine, CXCL12, leading to significantly different outcomes. While CXCR4 activation generally leads to canonical GPCR signaling, involving Gi proteins and β‐arrestins, ACKR3, which is predominantly found in intracellular vesicles, has been shown to signal via β‐arrestin‐dependent signaling pathways. Understanding the dynamics and kinetics of their activation in response to their ligands is of importance to understand how signaling proceeds via these two receptors.
In this thesis, different Förster resonance energy transfer (FRET)‐based approaches have been combined to individually investigate the early events of their signaling cascades. In order to investigate receptor activation, intramolecular FRET sensors for CXCR4 and ACKR3 were developed by using the pair of fluorophores cyan fluorescence protein and fluorescence arsenical hairpin binder. The sensors, which exhibited similar functional properties to their wild‐type counterparts, allowed to monitor their ligand-induced conformational changes and represent the first RET‐based receptor sensors in the field of chemokine receptors. Additional FRET‐based settings were also established to investigate the coupling of receptors with G proteins, rearrangements within dimers, as well as G protein activation. On one hand, CXCR4 showed a complex activation mechanism in response to CXCL12 that involved rearrangements in the transmembrane domain of the receptor followed by rearrangements between the receptor and the G protein as well as rearrangements between CXCR4 protomers, suggesting a role of homodimers in the activation course of this receptor. This was followed by a prolonged activation of Gi proteins, but not Gq activation, via the axis CXCL12/CXCR4. In contrast, the structural rearrangements at each step of the signaling cascade in response to macrophage migration inhibitory factor (MIF) were dynamically and kinetically different and no Gi protein activation via this axis was detected. These findings suggest distinct mechanisms of action of CXCL12 and MIF on CXCR4 and provide evidence for a new type of sequential signaling events of a GPCR. Importantly, evidence in this work revealed that CXCR4 exhibits some degree of constitutive activity, a potentially important feature for drug development. On the other hand, by cotransfecting the ACKR3 sensor with K44A dynamin, it was possible to increase its presence in the plasma membrane and measure the ligand‐induced activation of this receptor. Different kinetics of ACKR3 activation were observed in response to CXCL12 and three other agonists by means of using the receptor sensor developed in this thesis, showing that it is a valuable tool to study the activation of this atypical receptor and pharmacologically characterize ligands. No CXCL12‐induced G protein activation via ACKR3 was observed even when the receptor was re-localized to the plasma membrane by means of using the mutant dynamin. Altogether, this thesis work provides the temporal resolution of signaling patterns of two chemokine receptors for the first time as well as valuable tools that can be applied to characterize their activation in response to pharmacologically relevant ligands.
Potential evolutionary responses to landscape heterogeneity and systematic environmental trends
(2020)
Over the course of the last century, humans have witnessed drastic levels of global environmental change that endangered both, the survival of single species as well as biodiversity itself. This includes climate change, in both environmental means and in variance and subsequently frequent extreme weather events, as well as land use change that species have to cope with.
With increasing urbanization, increasing agricultural area and increasing intensification, natural habitat is not only lost, but also changes its shape and distribution in the landscape. Both aspects can heavily influence an individual's fitness and therefore act as a selective force promoting evolutionary change.
This way climate change influences individuals' niches and dispersal. Local adaptation and dispersal are not independent of each other. Dispersal can have two opposite effects on local adaptation. It can oppose local adaptation, by promoting the immigration of maladapted indi-
viduals or favor local adaptation by introducing better adapted genotypes. Which of those effects of dispersal on local adaptation emerges in a population depends on the dispersal strategies and the spatial structure of the landscape. In principle an adaptive response can include adjustment of the niche optimum as well as habitat tolerance (niche width) or (instead) ecological tracking of adequate conditions by dispersal and range shifting. So
far, there has been no extensive modeling study of the evolution of the environmental niche optimum and tolerance along with dispersal probability in complex landscapes. Either only dispersal or (part of ) the environmental niche can evolve or the landscapes used are not realistic but rather a very abstract representation of spatial structures.
I want to try and disentangle those different effects of both local adaptation and dispersal during global change, as well as their interaction, especially considering the separation between the effects of increasing mean and increasing variance. For this, I implemented an individual based model (IBM), with escalating complexity.
I showed that both on a temporal as well as on a spatial scale, variation can be more influential then mean conditions.
Indeed, the actual spatial configuration of this heterogeneity and the relationship between spatial and temporal heterogeneity affect the evolution of the niche and of dispersal probability more than temporal or spatial mean conditions. I could show that in isolated populations, an increase of an environmental attribute's mean or variance can lead to extinction, under certain conditions. In particular, increasing variance cannot be tracked forever, since increasing tolerance has distinct limits of feasibility. Increasing mean conditions can also occur too fast to be tracked, especially from generalist individuals. When expanding the model to the metapopulation level without a temporal environmental trend, the degree of spatial vs.temporal heterogeneity influenced the evolution of random dispersal heavily. With increasing spatial heterogeneity, individuals from extreme and rare patches
evolve from being philopatric to dispersive, while individuals from average patches switch in the opposite direction.
With the last expansion to a different set of landscapes with varying degrees of edge density, I could show that edge effects are strong in pseudo-agricultural landscapes, while
in pseudo-natural habitats they were hardly found, regardless of emigration strategy. Sharp edges select against dispersal in the edge patches and could potentially further isolate populations in agricultural landscapes.
The work I present here can also be expanded further and I present several suggestions on what to do next. These expansions could help the realism of the model and eventually shed light on its bearing on ecological global change predictions. For example species distribution models or extinction risk models would be more precise, if they included both spatial and temporal variation. The current modeling practices might not be suffcient to
describe the possible outcomes of global change, because spatio-temporal heterogeneity and its influence on species' niches is too important to be ignored for longer.
microRNA-Genexpressionsprofile in Blut-, Haut- und Nervenproben von Patienten mit Polyneuropathien
(2020)
Die Polyneuropathie (PNP) ist die häufigste Störung des peripheren Nervensystems bei Erwachsenen. Die Suche nach der Ursache bleibt in vielen Fällen erfolglos, ist aber unverzichtbar, da die Therapiewahl von der Ätiologie der Erkrankung abhängt. Geeignete Biomarker könnten die Differentialdiagnose unter Umständen erleichtern. microRNAs (miRNAs) sind in dieser Hinsicht vielversprechend, da in vielen Studien bei Nervende- und regenerationsprozessen sowie in neuropathischen Schmerzmodellen eine Dysregulation beschrieben wurde.
In dieser Studie wurde die Expression zweier miRNAs, miR-103a und miR-let-7d, sowie eines Zielmoleküls der miR-103a, des Kalziumkanals Cav1,2, in einer großen Kohorte von PNP-Patienten unterschiedlicher Ätiologie in Blut, Haut- und Nervenbiopsien untersucht. Insgesamt wurden 116 Patienten und 22 Kontroll-probanden in die Studie eingeschlossen. Nach der Isolation von RNA aus weißen Blutzellen (WBC), Haut- und Nervenbiopsien folgte die Expressionsbestimmung mittels qRT-PCR.
Während sich jeweils Unterschiede zwischen PNP-Patienten und Kontrollen und zwischen Patienten mit entzündlicher und solchen mit nicht-entzündlicher PNP zeigten, wurden keine Unterschiede in der Expression zwischen den ätiologischen Subgruppen oder zwischen Patienten mit schmerzhafter und schmerzloser PNP festgestellt. In den Nervenbiopsien der Patientenkohorte ergab sich eine inverse Korrelation der miR-103a und ihrem Zielgen Cacna1c, die darauf hinweisen könnte, dass Cacna1c von der miR-103a negativ reguliert wird.
Da in unserer Patientenkohorte keine Unterschiede zwischen den PNP-Subgruppen auftraten, scheint der Einsatz der miR-103a und miR-let-7d als diagnostische Biomarker zur ätiologischen Einordnung einer PNP nicht gerechtfertigt. Dennoch deuten unsere Ergebnisse auf eine mögliche Rolle der untersuchten miRNAs bei Entstehung und Verlauf von PNP hin. Für ein tieferes pathophysiologisches Verständnis der miRNAs vor allem bei entzündlichen Neuropathien, könnte die Untersuchung von weiteren miRNAs und Zielgenen Aufschluss geben.
Die akute Extremitätenischämie ist ein klinischer Notfall, der in Abhängigkeit der Dauer und der Ausprägung klinischer Symptome interventionell und chirurgisch behandelt werden kann. Ziel dieser Studie war es, den klinischen und technischen Erfolg der primären interventionellen Therapie der akuten Extremitätenischämie zu untersuchen und die Bedeutung der Anwendung und Kombination primär nicht-thrombolytischer Verfahren zu eruieren. Als zusätzliche Zielparameter wurden die Mortalitätsrate, die Komplikationsrate, das amputationsfreie Überleben sowie das reischämiefreie Intervall evaluiert.
Im Rahmen unserer Studie wurden 165 Patienten (89 männlich: 53,9%, 76 weiblich: 46,1%, Altersmittelwert: 77,5 Jahre, STABW ± 13,1 Jahre) und 167 Extremitäten (links n = 84, rechts n = 83) retrospektiv untersucht. Während der stationären Aufnahme wurden das Verschlussalter ermittelt (perakut bis chronisch), die Art des Verschlusses (komplett vs. inkomplett), die Lokalisation und Genese des Verschlusses sowie die Risikofaktoren der Patienten. Der technische Erfolg wurde radiologisch mithilfe des TIMI-Scores erhoben, der klinische Erfolg wurde während des stationären Aufenthalts und im Rahmen des Follow-ups beurteilt.
Die Mehrheit der Verschlüsse (60,5 %, n = 101) war weniger als 7 Tage alt und präsentierte sich klinisch als eine inkomplette Ischämie (n = 147, 88%). Die Okklusion reichte in 63,5 % nicht über das POP II Segment hinaus. Ursächlich war bei n = 107 der 167 Extremitäten (64,1 %) ein „akut auf chronischer“ Verschluss bei vorbestehender pAVK, in n = 41 Fällen eine Thrombembolie (24,6 %) und in n = 19 Extremitäten eine arterielle Thrombose (11,4 %).
Bei allen behandelten Extremitäten handelte es sich um einen primären Eingriff, der mittels perkutaner mechanischer Rotationsthrombektomie durchgeführt wurde. Dieser wurde bei n = 152 Verschlüssen (91 %) mit anderen (nicht thrombolytischen) interventionellen Verfahren kombiniert. Dabei wurden n = 66 Verschlüsse (39,5 %) mit einer mehrfachen Kombination aus PTA, Stent und/oder konventioneller PAT behandelt. Bei weiteren n = 43 Interventionen (25,7 %) reichte eine alleinige zusätzliche Stentimplantation aus, bzw. bei n = 33 Okklusionen (19,8 %) eine alleinige zusätzliche PTA. Lediglich in n = 15 Fällen (9 %) wurde die PMT ohne additive endovaskuläre Verfahren durchgeführt.
Wir konnten in 92,2 % der Fälle (n = 154 Eingriffen) einen primären technischen und auch klinischen Erfolg beobachten. Insgesamt lag die reischämie-/reinterventionsfreie Rate nach 30 Tagen bei 86,2 %. Die reischämie-/reinterventionsfreie Rate betrug nach 6, 12, 24 und 36 Monaten jeweils 75,6%, 69,7%, 67,1% und respektive 64,4%. Die Amputationsrate betrug nach 30 Tagen 6,3 %, nach 6 Monaten 9 % und nach einem Jahr 11,2 %. Insgesamt verstarben n = 76 von den initial 165 Patienten (46,1 %) innerhalb des Nachbeobachtungs-zeitraums von 31,8 Monaten (STABW ± 24 Monate). Nach 30 Tagen lag das Gesamtüberleben bei 91 %, nach 6 Monaten bei 83,8 % und nach einem Jahr bei 77,2 %. Drei Patienten verstarben innerhalb der ersten 24 Stunden nach dem Eingriff, was entweder auf die Intervention oder die Kontrastmittel- und Volumenbelastung zurückzuführen war und als F-Komplikation zu werten ist.
In 4,2 % der Fälle (n = 7) konnte die akute Extremitätenischämie nicht suffizient endovaskulär behandelt werden. Bei n = 6 Eingriffen (3,6 %) kam es zu Minorkomplikationen und in n = 8 weiteren Fällen zu Majorkomplikationen. Darunter waren die häufigsten Komplikationen das Kompartmentsyndrom (n = 4, 2,4 %) und die distale Embolisation (n = 4, 2,4 %) ohne anschließende Möglichkeit der erfolgreichen Thrombusbergung. Alle anderen n = 146 Eingriffe (87,4 %) verliefen komplikationslos.
Bei Kindern mit Juveniler idiopathischer Arthritis (JIA) sind Impfungen auf Grund der immunsuppressiven Umstände durch die Erkrankung und der entsprechenden Therapie dringend empfohlen. Daher sollten JIA-Patienten, die sich längere Zeit in einem Frühsommer-Meningoenzephalitis (FSME)-Risikogebiet aufhalten oder leben, dringend eine aktive Immunisierung gegen den FSME-Virus durchführen.
In der vorliegenden Studie verglichen wir sowohl die humorale als auch die zelluläre Immunantwort auf die FSME-Impfung bei 99 gegen FSME geimpften JIA-Patienten mit 30 immunologisch gesunden, altersgleichen Kindern (HC). Dazu untersuchten wir die FSME-spezifische IgG Antikörper Konzentration und Avidität, den FSME-Neutralisations-Titer und die FSME-spezifische T-Zell-Antwort mittels IFN-γ Secretion Assay und Ermittlung der IFN-γ Konzentration im Überstand der mit FSME-Antigen stimulierten Zellkulturen.
Es zeigten sich ähnliche Ergebnisse hinsichtlich der IgG-anti-FSME-Konzentration, -Avidität und des FSME-Neutralisations-Titers. Der Erhalt von FSME-Boosterimpfungen hatte einen positiven Effekt auf die FSME-spezifische IgG Antikörper Konzentration bei den JIA-Patienten und die FSME-spezifische IgG Antikörper Avidität sowohl bei den JIA-Patienten als auch bei den HC. JIA-Patienten, die eine Therapie mit Methotrexat (MTX) während der FSME-Impfung erhielten, hatten weniger häufig einen RAI ≥ 60 %. Hinsichtlich der zellulären Immunreaktion zeigten sich ähnliche Ergebnisse zwischen den JIA-Patienten und den HC. Bei der durchflusszytometrischen Bestimmung der T-Zellen beobachteten wir in beiden Gruppen, dass die aktivierten CD4+ T-Helferzellen im Vergleich zu den aktivierten CD8+ zytotoxischen T-Zellen mehr IFN-γ nach der Stimulation mit dem FSME-Antigen produzierten. Die JIA-Patienten wiesen signifikant mehr IFN-γ produzierenden Naive-T-Zellen auf als die HC. Die humorale und zelluläre FSME-Immunreaktion schienen nicht miteinander zu korrelieren.
Ungeachtet der Tatsache, an der JIA erkrankt zu sein oder nicht, zeigten die FSME-geimpften Kinder dieser Studie auch einige Jahre nach der letzten FSME-Impfung eine ähnliche humorale und zelluläre Immunogenität gegen das FSME-Virus. Besonders wichtig ist die Gabe von FSME-Boosterimpfungen, um eine erfolgreiche Immunantwort zu erreichen und zu erhalten. Trotz des negativen Effekts der immunsuppressiven Therapie erreichten fast alle JIA-Patienten eine ausreichende humorale und zelluläre Immunogenität. Daher scheint eine erfolgreiche FSME-Immunisierung bei JIA-Patienten mit immunsuppressiver Therapie realisierbar zu sein.
Fahrzeughersteller haben die Verfügbarkeit sogenannter hochautomatisierter Fahrfunktionen (SAE Level 3; SAE, 2018) in ihren Modellen angekündigt. Hierdurch wird der Fahrer in der Lage sein, sich permanent von der Fahraufgabe abzuwenden und fahrfremden Tätigkeiten nachzugehen. Allerdings muss er immer noch als Rückfallebene zur Verfügung stehen, um im Fall von Systemgrenzen oder -fehlern (siehe Gold, Naujoks, Radlmayr, Bellem & Jarosch, 2017), die Fahrzeugkontrolle zu übernehmen. Das Übernahmeerfordernis wird dem Fahrer durch die Ausgabe einer Übernameaufforderung vermittelt. Die Übernahme der manuellen Fahrzeugführung aus dem hochautomatisierten Fahren stellt aus psychologischer Sicht einen Aufgabenwechsel dar. Bei der Untersuchung von Aufgabenwechseln im Bereich der kognitiven und angewandten Psychologie zeigte sich vielfach, dass Aufgabenwechsel mit verlängerten Reaktionszeiten und erhöhten Fehlerraten assoziiert sind. Für den Anwendungsfall des automatisierten Fahrens liegen ebenfalls eine Reihe empirischer Studien vor, die darauf hinweisen, dass der Wechsel zum manuellen Fahren mit einer Verschlechterung der Fahrleistung gegenüber dem manuellen Fahren verbunden ist. Da Erkenntnisse vorliegen, dass eine Vorbereitung auf den Aufgabenwechsel die zu erwartenden Kosten verringern kann, ist das Ziel dieser Arbeit die Konzeption und empirische Evaluation einer Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Nutzer hochautomatisierter Fahrzeuge durch frühzeitige Vorinformationen über Systemgrenzen auf die Kontrollübernahme vorbereitet.
Drei Experimente im Fahrsimulator mit Bewegungssystem betrachteten jeweils unterschiedliche Aspekte frühzeitiger Vorinformationen über bevorstehende Übernahmen. Das erste Experiment untersuchte, ob Fahrer überhaupt von frühzeitigen Situationsankündigungen, beispielsweise im Sinne einer verbesserten Übernahmeleistung, profitieren. Das zweite Experiment befasste sich mit der Frage, wie solche Ankündigungen zeitlich und inhaltlich zu gestalten sind (d. h. wann sie präsentiert werden und welche Informationen sie enthalten sollten), und welchen Einfluss deren Gestaltung auf die Aufgabenbearbeitung (insbesondere deren Unterbrechung und spätere Wiederaufnahme) während der automatisierten Fahrt hat. Um herauszufinden, wie ein Anzeigekonzept zur längerfristigen Planung von fahrfremden Tätigkeiten während des automatisierten Fahrens beitragen könnte, fand im dritten Experiment ein Vergleich von Situationsankündigungen, die vor dem Erreichen einer Übernahmesituation ausgegeben wurden, mit kontinuierlich präsentierten Informationen über die verbleibende Distanz zur nächsten Systemgrenze statt. In allen Studien wurde neben den Auswirkungen frühzeitiger Vorinformationen auf die Übernahmeleistung und Bearbeitung von fahrfremden Tätigkeiten auch untersucht, welche Auswirkungen ein erweitertes Übernahmekonzept auf die Fahrerreaktion in Grenz- und Fehlerfällen, in denen Vorinformationen entweder nicht oder fehlerhaft angezeigt wurden, hat.
Für die Gestaltung zukünftiger Übernahmekonzepte für hochautomatisierte Fahrzeuge kann basierend auf den Ergebnissen empfohlen werden, frühzeitige Anzeigen von Systemgrenzen zur Ermöglichung eines sicheren und komfortablen Wechsels zwischen dem manuellen und dem automatisierten Fahren in die Mensch-Maschine-Schnittstelle zu integrieren. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit liegt der empfohlene Zeitpunkt für diskrete Ankündigungen bei einer Reisegeschwindigkeit von 120 km/h bei etwa 1000 Meter (d. h. ca. 30 Sekunden) vor der Ausgabe der Übernahmeaufforderung. Zudem wird empfohlen zur Abschätzung der verbleibenden Zeit im automatisierten Modus eine Anzeige der Entfernung zur nächsten Systemgrenze in das Konzept zu integrieren, die dem Fahrer eine längerfristige Aufgabenplanung ermöglicht. Neben der reinen Anzeige des Übernahmeerfordernisses sollten dem Fahrer auch Informationen über das erforderliche Fahrmanöver nach der Kontrollübernahme übermittelt werden.
Mit fortschreitender chronischer Niereninsuffizienz kommt es zur Akkumulation von Urämietoxinen und im Endstadium unbehandelt zum Tod im sogenannten Urämischen Syndrom. Die Blutreinigung erfolgt bei der am häufigsten verwendeten Form der Nierenersatztherapie, der Hämodialyse, nur unzureichend. Die Folge ist eine erhöhte Morbidität und Mortalität der betroffenen Patienten. Bei der Hämodialyse werden nur Urämietoxine bis zu einer Größe von 20 kDa über die im Dialysator eingesetzten Hohlfaserdialysemembranen diffusiv und konvektiv semiselektiv nach Größenausschluss entfernt. Proteingebundene Urämietoxine, deren effektive Größe durch die Bindung an Transportproteine wie beispielsweise Albumin die Trennschärfe der Dialysemembranen übersteigt, werden retiniert. In-vivo werden proteingebundene Urämietoxine im proximalen Tubulus, einem Teil des tubulären Systems des Nephrons, sekretorisch eliminiert.
Im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit wurden die ersten Entwicklungsschritte auf dem Weg zu einem sogenannten bio-artifiziellen Tubulus evaluiert. Der angedachte biohybride Filter sollte aus einer Ko-Kultur funktionaler humaner proximaler Tubuluszellen und humaner Endothelzellen (HUVEC) auf synthetischen Hohlfasermembranen bestehen und könnte während der Hämodialyse als zusätzlicher Reinigungsschritt angewendet werden, um unter anderem proteingebundene Urämietoxine effektiv durch aktiven Transport aus dem Blut der Patienten zu entfernen. Die Differenzierung der proximalen Tubuluszellen erfolgte dabei aus adulten adipozytären mesenchymalen Stammzellen (ASC), deren Herkunft eine spätere autologe Behandlung ermöglicht. Die Ko-Kultur mit Endothelzellen wurde zur potentiellen Steigerung der Sekretion proteingebundener Urämietoxine verwendet.
In der vorliegenden Arbeit konnten ASCs durch eine Kombination der löslichen Differenzierungsfaktoren All-Trans-Retinoinsäure (ATRA), Aktivin A und BMP-7 erfolgreich in Zytokeratin 18-exprimierende Zellen differenziert werden, wodurch die erwünschte epitheliale Differenzierung bestätigt wurde. Die Expression funktionaler Proteine, wie das für den Wassertransport relevante Aquaporin 1 oder auch der Na+-/K+-ATPase, konnte in dieser Arbeit bereits vor der Differenzierung nachgewiesen werden. Im nächsten Schritt wurde erfolgreich gezeigt, dass eine simultane, qualitativ hochwertige Ko-Kultur von ASCs und HUVECs auf der mit dem extrazellulären Matrixprotein Fibronektin modifizierten Innen- bzw. Außenseite von synthetischen Hohlfasermembranen aus Polypropylen bzw. Polyethersulfon möglich ist. Die Viabilität beider Zelltypen wurde dabei durch die Verwendung eines für die Ko-Kultur entwickelten Nährmediums erreicht, in welchem die Proliferation von ASCs bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung ihrer Stammzelleigenschaften deutlich erhöht war.
Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse stellen eine aussichtsreiche Basis für einen bio-artifiziellen renalen Tubulus dar. Weitere Entwicklungsschritte, wie die Differenzierung der ASCs zu proximalen Tubuluszellen im 3D-Bioreaktor einschließlich ihrer funktionalen Charakterisierung anhand Tubulusepithel-spezifischer Transporter, sind erforderlich, be-vor erste funktionale Experimente vor dem „Upscaling“ auf klinisch verwendbare Module möglich sind.
Parkinson’s disease (PD) is among the most common neurodegenerative conditions, and it is characterized by the progressive loss of dopaminergic neurons and a great variability in clinical expression. Despite several effective medications, it still causes disability as all patients show treatment-resistant symptoms and complications.
A possible reason for this therapeutic-burden and great clinical variability lies in a probable misconception about its pathophysiology, one that focuses on neurodegeneration, while largely neglecting its functional consequences and the related compensatory changes. In this thesis, I expand on the hypothesis that some PD symptoms have a dysfunctional origin and reflect derangements of neural network dynamics, the means by which brain coordination supports any motor behaviour. In particular, I have investigated resting tremor and freezing of gait, two common symptoms with an enigmatic mechanism and suboptimal management.
In the case of tremor, I predicted a pathological change in response to dopamine loss, which included the activation of noradrenergic (NA) neurons of the locus coeruleus (LC) projecting to the cerebellum. This compensatory LC activation that supports dopaminergic neurons might indeed come at the expense of tremor development. To assess the role of LC-NA in tremor development, I recorded tremor occurrence in the reserpinized rat model of PD, one of very few showing tremor, after selective lesioning (with the neurotoxin DSP-4) of the LC-NA terminal axons. DSP-4 induced a severe reduction of LC-NA terminal axons in the cerebellar cortex and this was associated with a significant reduction in tremor development. Unlike its development, tremor frequency and the akinetic rigid signs did not differ between the groups, thus suggesting a dopaminergic dependency. These findings suggest that the LC-NA innervation of the cerebellum has a critical role for PD tremor, possibly by exerting a network effect, which gates the cerebello-thalamic-cortical circuit into pathological oscillations upon a dopaminergic loss in the basal ganglia.
In contrast, for the study of freezing of gait, I worked with human PD subjects and deep brain stimulation, a therapeutic neuromodulation device that in some prototypes also allows the recording of neural activity in freely-moving subjects. Gait freezing is a disabling PD symptom that suddenly impairs effective stepping, thus causing falls and disability. Also in this study, I hypothesized that the underlying pathophysiology may be represented by dysfunctional neural network dynamics that abruptly impair locomotor control by affecting the communication in the supraspinal locomotor network. To test this hypothesis, I investigated the coupling between the cortex and the subthalamic nucleus, two main nodes of the supraspinal locomotor network, in freely-moving subjects PD patients and also performed molecular brain imaging of striatal dopamine receptor density and kinematic measurements. I found that in PD patients, walking is associated with cortical-subthalamic stable coupling in a low-frequency band (i.e. θ-α rhythms). In contrast, these structures decoupled when gait freezing occurred in the brain hemisphere with less dopaminergic innervation. These findings suggest that freezing of gait is a “circuitopathy”, with dysfunctional cortical-subcortical communication.
Altogether the results of my experiments support the hypothesis that the pathophysiology of PD goes beyond neurodegenerative (loss-of-function) processes and that derangement of neural network dynamics coincides with some disabling PD symptoms, thus suggesting that PD can be interpreted as the combination of multiple circuitopathies.
Nowadays, employees have to work with applications, technical services, and systems every day for hours. Hence, performance degradation of such systems might be perceived negatively by the employees, increase frustration, and might also have a negative effect on their productivity. The assessment of the application's performance in order to provide a smooth operation of the application is part of the application management. Within this process it is not sufficient to assess the system performance solely on technical performance parameters, e.g., response or loading times. These values have to be set into relation to the perceived performance quality on the user's side - the quality of experience (QoE).
This dissertation focuses on the monitoring and estimation of the QoE of enterprise applications. As building models to estimate the QoE requires quality ratings from the users as ground truth, one part of this work addresses methods to collect such ratings. Besides the evaluation of approaches to improve the quality of results of tasks and studies completed on crowdsourcing platforms, a general concept for monitoring and estimating QoE in enterprise environments is presented. Here, relevant design dimension of subjective studies are identified and their impact of the QoE is evaluated and discussed. By considering the findings, a methodology for collecting quality ratings from employees during their regular work is developed. The method is realized by implementing a tool to conduct short surveys and deployed in a cooperating company.
As a foundation for learning QoE estimation models, this work investigates the relationship between user-provided ratings and technical performance parameters. This analysis is based on a data set collected in a user study in a cooperating company during a time span of 1.5 years. Finally, two QoE estimation models are introduced and their performance is evaluated.