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The human pathogen Bordetella pertussis targets the respiratory epithelium and causes whooping cough. Its virulence factor adenylate cyclase toxin (CyaA) plays an important role in the course of infection. Previous studies on the impact of CyaA on human epithelial cells have been carried out using cell lines derived from the airways or the intestinal tract. Here, we investigated the interaction of CyaA and its enzymatically inactive but fully pore-forming toxoid CyaA-AC– with primary human airway epithelial cells (hAEC) derived from different anatomical sites (nose and tracheo-bronchial region) in two-dimensional culture conditions. To assess possible differences between the response of primary hAEC and respiratory cell lines directly, we included HBEC3-KT in our studies. In comparative analyses, we studied the impact of both the toxin and the toxoid on cell viability, intracellular cAMP concentration and IL-6 secretion. We found that the selected hAEC, which lack CD11b, were differentially susceptible to both CyaA and CyaA-AC–. HBEC3-KT appeared not to be suitable for subsequent analyses. Since the nasal epithelium first gets in contact with airborne pathogens, we further studied the effect of CyaA and its toxoid on the innate immunity of three-dimensional tissue models of the human nasal mucosa. The present study reveals first insights in toxin–cell interaction using primary hAEC.
Input‐driven, modern agriculture is commonly associated with large‐scale threats to biodiversity, the disruption of ecosystem services and long‐term risks to food security and human health. A switch to more sustainable yet highly productive farming practices seems unavoidable. However, an integrative evaluation of targeted management schemes at field and landscape scales is currently lacking. Furthermore, the often‐disproportionate influence of soil conditions and agrochemicals on yields may mask the benefits of biodiversity‐driven ecosystem services.
Here, we used a real‐world ecosystem approach to identify sustainable management practices for enhanced functional biodiversity and yield on 28 temperate wheat fields. Using path analysis, we assessed direct and indirect links between soil, crop and landscape management with natural enemies and pests, as well as follow‐on effects on yield quantity and quality. A paired‐field design with a crossed insecticide‐fertilizer experiment allowed us to control for the relative influence of soil characteristics and agrochemical inputs.
We demonstrate that biodiversity‐enhancing management options such as reduced tillage, crop rotation diversity and small field size can enhance natural enemies without relying on agrochemical inputs. Similarly, we show that in this system controlling pests and weeds by agrochemical means is less relevant than expected for final crop productivity.
Synthesis and applications. Our study highlights soil, crop and landscape management practices that can enhance beneficial biodiversity while reducing agrochemical usage and negative environmental impacts of conventional agriculture. The diversification of cropping systems and conservation tillage are practical measures most farmers can implement without productivity losses. Combining local measures with improved landscape management may also strengthen the sustainability and resilience of cropping systems in light of future global change.
Owing to climate change, natural forest disturbances and consecutive salvage logging are drastically increasing worldwide, consequently increasing the importance of understanding how these disturbances would affect biodiversity conservation and provision of ecosystem services.
In chapter II, I used long-term water monitoring data and mid-term data on α-diversity of twelve species groups to quantify the effects of natural disturbances (windthrow and bark beetle) and salvage logging on concentrations of nitrate and dissolved organic carbon (DOC) in streamwater and α-diversity. I found that natural disturbances led to a temporal increase of nitrate concentrations in streamwater, but these concentrations remained within the health limits recommended by the World Health Organization for drinking water. Salvage logging did not exert any additional impact on nitrate and DOC concentrations, and hence did not affect streamwater quality. Thus, neither natural forest disturbances in watersheds nor associated salvage logging have a harmful effect on the quality of the streamwater used for drinking water. Natural disturbances increased the α-diversity in eight out of twelve species groups. Salvage logging additionally increased the α-diversity of five species groups related to open habitats, but decreased the biodiversity of three deadwood-dependent species groups.
In chapter III, I investigated whether salvage logging following natural disturbances (wildfire and windthrow) altered the natural successional trajectories of bird communities. I compiled data on breeding bird assemblages from nine study areas in North America, Europe and Asia, over a period of 17 years and tested whether bird community dissimilarities changed over time for taxonomic, functional and phylogenetic diversity when rare, common and dominant species were weighted differently. I found that salvage logging led to significantly larger dissimilarities than expected by chance and that these dissimilarities persisted over time for rare, common and dominant species, evolutionary lineages, and for rare functional groups. Dissimilarities were highest for rare, followed by common and dominant species.
In chapter IV, I investigated how β-diversity of 13 taxonomic groups would differ in intact, undisturbed forests, disturbed, unlogged forests and salvage-logged forests 11 years after a windthrow and salvage logging. The study suggests that both windthrow and salvage logging drive changes in between-treatment β-diversity, whereas windthrow alone seems to drive changes in within-treatment β-diversity. Over a decade after the windthrow at the studied site, the effect of subsequent salvage logging on within-treatment β-diversity was no longer detectable but the effect on between-treatment β-diversity persisted, with more prominent changes in saproxylic groups and rare species than in non-saproxylic groups or common and dominant species.
Based on these results, I suggest that salvage logging needs to be carefully weighed against its long-lasting impact on communities of rare species. Also, setting aside patches of naturally disturbed areas is a valuable management alternative as these patches would enable post-disturbance succession of bird communities in unmanaged patches and would promote the conservation of deadwood-dependent species, without posing health risks to drinking water sources.
Schmerz ist ein häufiges Problem bei Tumorpatienten und nach wie vor nicht ausreichend erkannt oder behandelt. Hierfür werden zunehmend standardisierte Fragebögen basierend auf patient-reported outcomes eingesetzt. QUIPS ist als solcher Fragebogen im perioperativen Bereich etabliert. Analog dazu wurde QUIKS als Fragebogen für das konservative Schmerzmanagement entwickelt. In dieser Studie konnte erstmals die Einsetzbarkeit des QUIKS-Bogens an Tumorpatienten getestet werden.
Die Patienten wurden einmalig während ihres stationären Aufenthaltes befragt, ergänzt um den IPOS Fragebogen um ein umfassendes Bild auch des palliativmedizinischen Unterstützungsbedarfs zu erhalten.
Die Ergebnisse zeigen, dass Schmerz bei konservativ behandelten Tumorpatienten insgesamt gut kontrolliert ist. Die bestehenden Strukturen sind geeignet, um Schmerzen zu erfassen und zu lindern. Dennoch sollte die Information über Schmerz und Schmerztherapie noch verbessert werden.
Aufgrund der umfassenden Erfassung verschiedener Aspekte wie Schmerzintensität, -entwicklung sowie schmerzbedingter Einschränkungen und der Zufriedenheit mit der Schmerztherapie scheint QUIKS ein geeignetes Instrument zur Erfassung der Schmerzsituation bei Tumorpatienten zu sein. Die aufgedeckten Schwächen des Bogens könnten nur durch deutlich höheren Zeit- und Personalaufwand behoben werden. In Kombination mit den Ergebnissen des IPOS Fragebogens konnte die Verlässlichkeit des QUIKS Bogens indirekt bestätigt werden.
The Mesoproterozoic Aggeneys-Gamsberg ore district, South Africa, is one of the world´s largest sulfidic base metal concentrations and well-known as a prime example of Broken Hill-type base metal deposits, traditionally interpreted as metamorphosed SEDEX deposits. Within this district, the Gamsberg deposit stands out for its huge size and strongly Zn-dominated ore ( >14 Mt contained Zn). New electron microprobe analyses and element abundance maps of sulfides and silicates point to fluid-driven sulfidation during retrograde metamorphism. Differences in the chemistry of sulfide inclusions within zoned garnet grains reflect different degrees of interaction of sulfides with high metal/sulfur-ratio with a sulfur-rich metamorphic fluid. Independent evidence of sulfidation during retrograde metamorphism comes from graphic-textured sulfide aggregates that previously have been interpreted as quenched sulfidic melts, replacement of pyrrhotite by pyrite along micro-fractures, and sulfides in phyllic alteration zones. Limited availability of fluid under retrograde conditions caused locally different degrees of segregation of Fe-rich sphalerite into Zn-rich sphalerite and pyrite, and thus considerable heterogeneity in sphalerite chemistry. The invoked sulfur-rich metamorphic fluids would have been able to sulfidize base metal-rich zones in the whole deposit and thus camouflage a potential pre-metamorphic oxidation. These findings support the recently established hypothesis of a pre-Klondikean weathering-induced oxidation event and challenge the traditional explanation of Broken Hill-type deposits as merely metamorphosed SEDEX deposits. Instead, we suggest that the massive sulfide deposits experienced a complex history, starting with initial SEDEX-type mineralization, followed by near-surface oxidation with spatial metal separation, and then sulfidation of this oxidized ore during medium- to high-grade metamorphism.
The goal of this doctoral thesis is to identify appropriate methods for the estimation of connectivity and for measuring synchrony between spike trains from in vitro neuronal networks. Special focus is set on the parameter optimization, the suitability for massively parallel spike trains, and the consideration of the characteristics of real
recordings. Two new methods were developed in the course of the optimization which outperformed other methods from the literature. The first method “Total spiking probability edges” (TSPE) estimates the effective connectivity of two spike trains, based on the
cross-correlation and a subsequent analysis of the cross-correlogram. In addition to the estimation of the synaptic weight, a distinction between excitatory and inhibitory connections is possible. Compared to other methods, simulated neuronal networks could be estimated with higher accuracy, while being suitable for the analysis of massively parallel spike trains. The second method “Spike-contrast” measures the synchrony of parallel spike trains
with the advantage of automatically optimizing its time scale to the data. In contrast to other methods, which also adapt to the characteristics of the data, Spike-contrast is more robust to erroneous spike trains and significantly faster for large amounts of parallel spike trains. Moreover, a synchrony curve as a function of the time scale is generated by Spike-contrast. This optimization curve is a novel feature for the analysis of parallel spike trains.
Recent progress in nanotechnology has attracted interest to a biomedical application of the carbon nanoparticle C60 fullerene (C60) due to its unique structure and versatile biological activity. In the current study the dual functionality of C60 as a photosensitizer and a drug nanocarrier was exploited to improve the efficiency of chemotherapeutic drugs towards human leukemic cells.
Pristine C60 demonstrated time-dependent accumulation with predominant mitochondrial localization in leukemic cells. C60’s effects on leukemic cells irradiated with high power single chip LEDs of different wavelengths were assessed to find out the most effective photoexcitation conditions. A C60-based noncovalent nanosized system as a carrier for an optimized drug delivery to the cells was evaluated in accordance to its physicochemical properties and toxic effects. Finally, nanomolar amounts of C60-drug nanocomplexes in 1:1 and 2:1 molar ratios were explored to improve the efficiency of cell treatment, complementing it with photodynamic approach.
A proposed treatment strategy was developed for C60 nanocomplexes with the common chemotherapeutic drug Doxorubicin, whose intracellular accumulation and localization, cytotoxicity and mechanism of action were investigated. The developed strategy was revealed to be transferable to an alternative potent anticancer drug – the herbal alkaloid Berberine.
Hereafter, a strong synergy of treatments arising from the combination of C60-mediated drug delivery and C60 photoexcitation was revealed. Presented data indicate that a combination of chemo- and photodynamic treatments with C60-drug nanoformulations could provide a promising synergetic approach for cancer treatment.
Silbernanodrähte (AgNW) wurden in verschiedene Hybridpolymere und in eine als Referenz dienende Silikonzusammensetzung eingebaut. Durch Spincoating konnten transparente leitfähige Filme erhalten werden. Deren jeweilige Nanodrahtverteilung, thermische Aktivierung und visuelle Transparenz wurden charakterisiert. Die Perkolationsschwelle der Filme hängt dabei von der individuellen durchschnittlichen AgNW-Länge ab. Eine beträchtliche Leitfähigkeit wurde während des mechanischen Streckens bis zu 30 % aufrechterhalten. Mikrostrukturierte Hybridpolymer-Verbundfilme wurden durch UV-Lithographie erhalten. ...
Durch stetige Entwicklung der Mikroskopiemethoden in den letzten Jahrzehnten ist es nun möglich Strukturen und Abläufe in biologischen Systemen detaillierter darzustellen als mit der von Abbe entdeckten maximalen Auflösungsgrenze. Oft werden dabei Fluoreszenzmarker benutzt, welche die unsichtbare Welt der Mikrobiologie und deren biochemische Prozesse illuminieren. Diese werden entweder durch Expression, wie z.B. das grün fluoreszierende Protein (GFP), in das zu untersuchende Objekt eingebracht oder durch klassische Markierungsmethoden mithilfe von fluoreszierenden Immunkonjugaten installiert. Jedoch gewinnt eine alternative Strategie, die von der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Chemikern, Physikern und Biologen profitiert, immer mehr an Bedeutung – die bioorthogonale Click-Chemie. Sie ermöglicht eine effiziente Fluoreszenzmarkierung der biologischen Strukturen unter minimalem Eingriff in die Abläufe der Zelle. Dazu müssen allerdings sowohl Farbstoffe als auch die biologisch aktiven Substanzen chemisch modifiziert werden, da nur dadurch die Bioorthogonalität gewährleistet werden kann.
Mittlerweile existiert eine breite Palette an fluoreszierenden Farbstoffen, die das komplette sichtbare Spektrum abdecken und sich für diverse Mikroskopiemethoden eignen. Allerdings gibt es zwei Farbstoffklassen, die sich aus der gesamten Fülle abheben und sich für hochauflösende bildgebende Experimente auf Einzelmolekülebene eignen. Zum einen ist es die Farbstofffamilie der Cyanine und insbesondere der wasserlöslichen Pentamethincyanine, die reversibel und kontrolliert zum Photoschalten animiert werden können und in der stochastisch optischen Rekonstruktionsmikroskopie Anwendung finden. Zum anderen ist es die Gruppe, der Rhodamine und Fluoresceine, die zu Xanthenfarbstoffen gehören und sich durch gute photophysikalische Eigenschaften auszeichnen.
Trotz der Beliebtheit stellt ihre Darstellung immer noch eine Herausforderung dar und limitiert deren Einsatz. Deshalb war es notwendig im Rahmen der vorliegenden Arbeit Möglichkeiten zur Syntheseoptimierung beider Farbstoffklassen zu finden, damit diese im Folgenden weiterentwickelt und an die biologische Fragestellung angepasst werden können. Die Arbeit unterteilt sich deshalb in Relation an die oben genannten Farbstoffklassen in zwei Bereiche. Im ersten Teil wurden Projekte basierend auf den wasserlöslichen Pentamethincyaninen behandelt. Im zweiten Teil beschäftigte sich die Arbeit mit Projekten, die auf Xanthen-Farbstoffen aufbauen.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Synthese, Funktionalisierung und Reaktivität von 1,4,2,3-Diazadiborininen untersucht. Zu Beginn sollten Bis(dimethylamino)-substituierte Diazadiborinine mit unterschiedlichen Resten an den Stickstoffatomen dargestellt werden, deren weitere Funktionalisierung später im Fokus stand. Die Synthese erfolgte durch Reduktion von 1,4-Diazabutadienen mit elementarem Lithium und anschließender Salzeliminierungsreaktion mit B2(NMe2)2Cl2. Dadurch ließen sich die monocyclischen vier N,N’-Diaryl-substituierten Diazadiborinine sowie ein Alkyl-substituiertes Diazadiborinin darstellen. Durch etablierte Methoden der Diboran(4)-Chemie wurden diese in ihre Halogenderivate (Cl, Br, I) überführt. Aus diesen konnten drei 2,3-Diazido-1,4,2,3-diazadiborinine durch Umsetzung mit TMSN3 aus den Dihalogenderivaten dargestellt werden. Diese stellen hierbei die ersten isolierten Diboran(4)azidverbindugen dar. Ebenso gelang die Synthese eines bicyclischen Naphthalinisosters, welches erneut erfolgreich in seine Halogenderivate sowie das Diazdidoderivat überführt werden konnte. Einen Einblick in den Mechanismus der 1,4,2,3-Diazadiborininbildung ermöglichte die Isolierung eines Diazadiboretidinintermediats, welches durch doppelte Salzeliminierung entsteht. Dieses erwies sich jedoch als metastabil und lagerte zum Sechsring Diazadiborinin um. Quantenchemische Berechnungen unterstutzten die experimentellen Befunde. Über Kommutierungsreaktionen konnte eine Vielzahl an B,B‘-unsymmetrisch substituierten Diazadiborininen dargestellt und isoliert werden, wobei je nach verwendeten Startmaterialien entweder Gleichgewichtsreaktionen oder quantitative Umsetzungen beobachtet wurden.
Ebenso wurde die Reaktivität der neuartigen Diazidodiborane(4) gegenüber Lewis-Basen untersucht. Sowohl das monocyclische Diazadiborinin, als auch das Benzodiazadiborinin konnten mit NHC-Basen zu den fünf verschiedenen Addukten umgesetzt werden. Unter thermischer Belastung wurde bei den monocyclischen Addukten eine Staudinger-artige Reaktion beobachtet, die unter Freisetzung von N2 zur Bildung von Guanadin-substituierten Diborane(4) führte. Die Benzodiazadiborininaddukte zeigten jedoch eine gänzlich andere Reaktivität. Hier fand eine Ringverkleinerungsreaktion unter Bildung von Diazaborolen statt, welche unter Wanderung einer Azidfunktion auf das NHC-stabilisierte Boratom gebildet wurden. Auf diese Weise konnten drei 1,1-Diamino-2,2-diazidodiborane(5) isoliert werden. Während bei der Umsetzung des Naphtalenderivats mit cAAC keine selektive Reaktion beobachtet wurde, reagierte das monocyclische Diazadiborinin mit zwei Äquivalenten cAAC. Hier bedingte das erste Carbon eine Staudinger-artige Reaktion, die unter Distickstofffreisetzung zu einem Formamidin führte. Die zweite Azidgruppe wurde am $\gamma$-Stickstoffatom von einem weiteren Äquivalent cAAC koordiniert.
In weiteren Reaktivitätsstudien wurde die Generierung von transienten Iminoboranen aus Diazidodiazadiborininen untersucht. Die Diazide zeigten bei Temperaturen von über 150 °C ein sehr selektives Reaktionsverhalten und gingen unter Freisetzung von Distickstoff zu 1,3,2,4-Diazadiboretidin über, wobei dies über die Dimerisierung eines intermediär gebildeten siebengliedrigen, endocyclischen Iminoborans verlief. Der Mechanismus zur Bildung der transienten Iminoborane wurde anhand zweier möglicher Bildungswege mit quantenchemischen Methoden untersucht.
Im letzten Kapitel wurde die Reaktivität des Dihydrodiazadiborinins gegenüber
NHC- und cAAC-Lewis-Basen untersucht. Die Umsetzung mit cAAC führte zu einer B–H-Bindungsaktivierung durch das Carbenkohlenstoffatom, die vermutlich über eine Adduktspezies verläuft. Mit dem gesättigten NHC SIMes wurde ebenfalls keine Adduktbildung beobachtet, auch wenn ein derartiges Intermediat vermutlich durchlaufen wird. Als Produkt der Umsetzung wurde indes ein bicyclisches Molekül identifiziert, welches durch doppelte Ringerweiterung gebildet wurde. Mit ungesättigten NHCs wurden drei Addukte isoliert, welche jedoch nur metastabil waren und beim Erwärmen in bicyclische Verbindungen umlagerten. Die Umlagerungsprodukte konnten weiterhin durch Koordination eines weiteren Äquivalents IMe an die B–H-Funktionalität erneut zu Addukten umgesetzt werden.
Die Bildung der zweier bicyclischer Verbindungen wurde ebenfalls mit quantenchemischen Methoden untersucht, wobei ein vierstufiger Prozess durchlaufen wird. Nach der Bildung des NHC-Addukts erfolgt die Übertragung eines Hydrids auf das Carbenkohlenstoffatom. Durch Insertion eines Boratoms in die NC-Bindung des Carbenrings wird eine Spiroverbindung gebildet und im letzten Schritt folgt die Spaltung der BB-Bindung durch Insertion des ehemaligen Carbenkohlenstoffatoms, was zur Bildung der Bicyclen führt.