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Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung 23 neuartiger, multifunktionaler Kompositmaterialien basierend auf lanthanidhaltigen Verbindungen sowie verschiedenen Nano- und Mikropartikeln.
Die dargestellten Materialien konnten als Core/Shell-Systeme mit einem nano- bzw. mikropartikelhaltigen Kern und einer lanthanidhaltigen Hülle charakterisiert werden und vereinen aufgrund ihres Kompositcharakters die spezifischen Eigenschaften der Einzelkomponenten wie Lumineszenz, Superparamagnetismus oder Reflexionseigen-schaften miteinander.
Zur Synthese multifunktionaler, lumineszierender Materialien wurden zirconylbasierte, lumineszierende Nanopartikel mit Lanthanidchloriden und lanthanidhaltigen MOFs funktionalisiert. Die Kompositsysteme LnCl3@ZrO(FMN) (FMN = Flavinmononukleotid, Ln = Y, Sc, La, Eu, Tb, Ho) ermöglichen eine Modifizierung der Lumineszenzeigenschaf-ten der Materialien abhängig von der Reaktionstemperatur sowie dem verwendeten Selten-Erd-Ion. Durch Variation der Nanopartikelkomponente konnte mittels der Kom-posite LnCl3@ZrO(MFP) (MFP = Methylfluoresceinphosphat) ein zusätzlicher sol-vatochromer Effekt der Systeme eingeführt werden, während das Kompositmaterial YCl3@ZrO(RP) (RP = Resorufinphosphat) eine andere Chromatizität zugänglich macht.
Durch Modifizierung von ZrO(FMN)- und ZrO(MFP)-Nanopartikeln mit 3∞[Eu2(BDC)3]·
2DMF·2H2O (BDC2- = Benzol-1,4-dicarboxylat) wurden Kompositmaterialien dargestellt, die zwei Lumineszenzprozesse mit unterschiedlicher Chromatizität und unterschiedli-cher Anregbarkeit miteinander kombinieren und somit eine reversible Schaltbarkeit zwischen beiden Prozessen durch Variation der Anregungswellenlänge ermöglichen.
Zur Synthese luminomagnetischer Materialien wurden superparamagnetische Fe3O4/SiO2-Mikropartikel mit einer Vielzahl lanthanidhaltiger MOFs, die sich hinsichtlich ihrer Lumineszenzeigenschaften und ihrer Stabilität gegenüber Luft und Wasser unterscheiden, modifiziert. Als MOFs wurden hierbei 2∞[Ln2Cl6(Bipy)3]·2Bipy (Bipy = 4,4‘-Bipyridin, Ln = Nd, Sm, Eu, Tb, Er), 3∞[Eu(Im)2], 3∞[Ba0.95Eu0.05(Im)2] (Im = Imidazolat) und 3∞[Eu2(BDC)3]·2DMF·2H2O eingesetzt. Die Variation der zur Funktionalisierung verwendeten Komponente oder eine Kombination mehrerer MOFs ermöglicht eine Anpassung der Lumineszenz der Kompositmaterialien innerhalb des kompletten sichtbaren Spektralbereichs sowie im NIR-Bereich.
Die dargestellten luminomagnetische Kompositmaterialien mit wasserempfindlichen MOFs können zur Detektion von Wasser in verschiedenen organischen Lösungsmitteln verwendet werden und stellen somit eine mobile und einfach anwendbare Alternative zur Karl-Fischer-Titration mit einer vergleichbaren Sensitivität dar. So eignen sich die Kompositsysteme 2∞[Eu2Cl6(Bipy)3]·2Bipy@Fe3O4/SiO2 und 2∞[Eu2Cl6(Bipy)3]·2Bipy,
2∞[Tb2Cl6(Bipy)3]·2Bipy@Fe3O4/SiO2 als optische turn-off-Sensoren, während das Kom-posit 3∞[Eu2(BDC)3]·2DMF·2H2O,2∞[Tb2Cl6(Bipy)3]·2Bipy@Fe3O4/SiO2 als ratiometrischer Sensor verwendet werden kann.
Als Alternative zu sphärischen Partikeln wurden auch anisotrope, stäbchenförmige Fe3O4/SiO2-Mikropartikel mittels 3∞[Eu2(BDC)3]·2DMF·2H2O modifiziert. Das resul-tierende Kompositmaterial vereint die isotropen Lumineszenzeigenschaften der MOF-Hülle mit der anisotropen Reflexion von sichtbarem Licht der. Durch die Wahl der Anregungswellenlänge und Richtung eines externen Magnetfelds wird eine stufenlose und reversible Schaltbarkeit zwischen isotropen und anisotropen Eigenschaften ermöglicht.
Durch mechanochemische Umsetzung der MOF-Edukte [LnCl3(Py)4]·0.5Py (Ln = Eu, Ho) und 4,4‘-Bipyridin konnte eine Vielzahl von literaturbekannten lanthanidhaltigen Komplexen und Koordinationspolymeren mittels einer neuen und zeiteffizienten Syntheseroute dargestellt werden. Hierbei kann die Verknüpfungsdimension der resultierenden Produkte abhängig von verschiedenen Reaktionsparametern, die den Energieeintrags der Kugelmühle beeinflussen, gesteuert werden.
"MUS-IC-ON! Klang der Antike" ist der Begleitband zur gleichnamigen Sonderausstellung im Martin von Wagner-Museum Würzburg (10. Dezember 2019 bis 12. Juli 2020). Die eigene Musik zu verstehen verlangt auch, nach Klängen und Musik der Vergangenheit zu fragen. So offenbart der Blick auf antike Musikkulturen – des Vorderen Orients, Ägyptens, Griechenlands und Roms – dem Betrachter kulturelle Konstanten, deren Vermächtnis sich in unserer abendländischen Musik erhält. Ziel des Begleitbands zur Ausstellung "MUS-IC-ON! Klang der Antike" ist es, die Relevanz musikhistorischer und –archäologischer Forschung für das Verständnis der eigenen Musikkultur aufzuzeigen. An vier Schwerpunkten werden die Inhalte, Methoden und der Stand der Erforschung antiker Musik von international namhaften Wissenschaftler*innen in einer umfassenden und dennoch allgemein verständlichen Weise vorgestellt. Der reichhaltig bebilderte Band ist damit als ein einführendes und informatives Handbuch konzipiert, das über die Ausstellung hinaus von fachfremden Wissenschaftlern, Studierenden und interessierten Laien konsultiert wird.
1. Vom archäologischen Artefakt zum klingenden Instrument: Grundlage jedweder Erforschung antiker Musik ist die Rekonstruktion seiner Klangvielfalt. Unzählige Funde originaler Musikinstrumente, darunter vorderasiatische Kastenleiern, altägyptische Trompeten aus dem Grab des Tutanchamun oder die griechisch-römische Hydraulis, eröffnen einen Weg, den Klängen antiker Musik nachzugehen. Insgesamt sechs Beiträge mit einem historischen Rahmen, der von der Steinzeit bis in die römische Kaiserzeit reicht, stellen die Vorgehensweise aber auch die Herausforderungen bei der Bergung, Erforschung und dem Nachbau antiker Musikinstrumente vor.
2. Musik und Klang in Bild und Text: Ein umfassendes Bild vom Einsatz, der Spielweise, der Verbreitung und Entwicklung antiker Musikinstrumente liefern antike Bilder und Texte. Trotz der Vielfalt an Objekten, darunter griechische Vasen, assyrische Reliefbilder oder römische Mosaike, bedarf es einer analytischen und kritischen Herangehensweise bei der Analyse und Auswertung solcher Daten. Vorgestellt werden in diesem Themenschwerpunkt auch antike Notationsformen und Stimmungssysteme, die sich auf Papyri und Keilschrifttafeln erhalten haben, sowie die Schwierigkeiten ihrer Entzifferung.
3. Musikleben in der Antike: Wesentlich für das Verständnis antiker Musik ist die Kenntnis ihres Einsatzes und ihres Umfeldes. Getrennt nach den verschiedenen Kulturkreisen stellen in diesem Kapitel insgesamt neun Autoren unterschiedliche Bereiche und Funktionen des Musizierens vor. Herausragend ist hier die Rolle von Musik im täglichen Tempelkult, über die sich die in der Antike vorgestellte Macht von Musik aufzeigen lässt, die sogar auf die Gemüter der Götter Einfluss zu nehmen vermag. Zusätzlich aufschlussreich ist das Wissen von Ausbildung und Aufstieg auch namentlich bekannter Musiker, zumeist Hofmusiker, die den Ruhm ihres Königs verkünden, aber auch regelrechte Virtuosen, die sich beispielsweise in antiken Wettstreiten hervortun, den musischen Agonen.
4. Kontinuität und Interkulturalität antiker Musikkulturen: Dieser Teil widmet sich Spuren, die antike Musikkulturen in der abendländischen sowie in orientalischen Kulturräumen hinterlassen haben. So geht unser modernes Tonsystem auf griechische, ja sogar auf babylonische Tonleitern zurück. Vorläufer der europäischen Kirchenorgel ist die Hydraulis, eine griechische Erfindung aus dem 3. vorchristlichen Jahrhundert. Viele vor über 4500 Jahren zwischen Euphrat und Tigris entwickelte Musikinstrumente werden noch heute im arabischen und afrikanischen Kulturkreis, ja selbst in nord- und osteuropäischen Ländern gespielt. Hervorgehoben werden außerdem historische Momente, die einen wesentlichen Einfluss auf die Entwicklung moderner Musiksysteme ausgeübt haben.
Die Autoren:
Benedetta Bellucci (Vorderasiatische Archäologie, Mainz), Arndt A. Both (Altamerikanistik, Musikarchäologie, DAI Berlin), Ricardo Eichmann (Vorderasiatische Archäologie, DAI Berlin), Uri Gabbay (Altorientalistik, Jerusalem), Ralf Gehler (Instrumentenbauer, Schwerin), Carolin Goll (Martin von Wagner-Museum, Würzburg), Jochen Griesbach (Martin von Wagner-Museum, Klassische Archäologie, Würzburg), Stefan Hagel (Klassische Philologie, ÖAW Wien), Katharina Hepp (Ägyptologie, Würzburg), Peter Holmes (Instrumentenbauer, London), Marie Klein (Altorientalisik, Würzburg), Carola Koch Ägyptologie, Würzburg), Ulrich Konrad (Historische Musikwissenschaft, Würzburg), Eva Kurz (Ägyptologie Würzburg), Florian Leitmeir (Klassische Archäologie, Würzburg), Thomas Ludewig (Klassische Archäologie, Würzburg), Sam Mirelman (Altorientalistik, London), Daniel Schwemer (Altorientalistik, Würzburg), Dahlia Shehata (Altorientalisik, Würzburg), Martin Stadler (Ägyptologie, Würzburg), Olga Sutkowska (Kulturgeschicht der Antike, ÖAW Wien), Günther E. Thüry (Provinzialrömische Archäologie, Salzburg), Marc Wahl (Numismatik, Wien/Würzburg), Oliver Wiener (Historische Musikwissenschaft, Würzburg), Nele Ziegler (Altorientalistik, Paris)
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Entwicklung von Technologieclustern und basiert auf zwei Forschungsfragen: Was sind die Voraussetzungen für die Entwicklung von Technologieclustern gemäß der Clusterforschung? Und erfüllt die Region Mainfranken die Voraussetzungen für eine Technologieclusterbildung? Zu diesem Zweck wird eine qualitative Studie unter Bezugnahme auf verschiedene theoretische Konzepte der Clusterbildung durchgeführt. Aus diesem Grund können die folgenden Determinanten der Clusterentwicklung abgeleitet werden: die Verkehrsinfrastruktur- und Infrastrukturkomponente, die Clusterumfeldkomponente, die Universitätskomponente, die Staatskomponente und die Branchenkomponente. Die Analyse der Parameterwerte der einzelnen Clusterkomponenten zeigt, dass die Kernanforderungen der Technologieclusterentwicklung in der Region Mainfranken erfüllt sind. Dennoch ist es notwendig, die Infrastruktur, die kommerzielle und industrielle Verfügbarkeit von Land und die Verfügbarkeit von Kapital zu verbessern, um ein erfolgreiches Technologiecluster zu bilden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte darüber hinaus das Potenzial der Technologieclusterentwicklung im Bereich der künstlichen Intelligenz analysiert werden.
Ziel dieser Arbeit war es, neue quantitative Messmethoden am Kleintier, insbesondere die Perfusionsmessung am Mäuseherz, zu etablieren. Hierfür wurde eine retrospektiv getriggerte T1-Messmethode entwickelt. Da bei retrospektiven Methoden keine vollständige Abtastung garantiert werden kann, wurde ein Verfahren gefunden, das mit Hilfe von Vorwissen über das gemessene Modell sehr effizient die fehlenden Daten interpolieren kann.
Mit Hilfe dieser Technik werden dynamische T1-Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung möglich.
Dank der hohen Genauigkeit der T1-Messmethode lässt sich diese für die nichtinvasive Perfusionsmessung am Mäuseherz mittels der FAIR-ASL-Technik nutzen. Da auf Grund der retrospektiven Triggerung Daten an allen Positionen im Herzzyklus akquiriert werden, konnten T1- und Perfusionskarten nach der Messung zu beliebigen Punkten im Herzzyklus rekonstruiert werden.
Es bietet sich an, Techniken, die für die myokardiale Perfusion angewandt werden, auch für die Nierenperfusionsmessung zu verwenden, da die Niere in ihrer Rinde (Cortex) eine ähnlich hohe
Perfusion aufweist wie das Myokard. Gleichzeitig führen Nierenerkrankungen oftmals zu schlechter Kontrastmittelverträglichkeit, da diese bei Niereninsuffizienz u.U. zu lange im Körper verweilen und die Niere weiter schädigen. Auch deshalb sind die kontrastmittelfreien Spin-Labeling-Methoden hier interessant. Die FAIR-ASL-Technik ist jedoch an Mäusen in koronaler Ansicht für die Niere schlecht geeignet auf Grund des geringen Unterschieds zwischen dem markierten und dem Vergleichsexperiment. Als Lösung für dieses Problem wurde vorgeschlagen, die Markierungsschicht senkrecht zur Messschicht zu orientieren. Hiermit konnte die Sensitivität gesteigert und gleichzeitig die Variabilität der Methode deutlich verringert werden.
Mit Hilfe von kontrastmittelgestützten Messungen konnten auch das regionale Blutvolumen und das Extrazellularvolumen bestimmt werden. In den letzten Jahren hat das Interesse an Extrazellularvolumenmessungen zugenommen, da das Extrazellularvolumen stellvertretend für diffuse Fibrose gemessen werden kann, die bis dahin nichtinvasiven Methoden nicht zugänglich war. Die bisher in der Literatur verwendeten Quantifizierungsmethoden missachten den Einfluss, den das Hämatokrit auf den ECV-Wert hat. Es wurde eine neue Korrektur vorgeschlagen, die allerdings zusätzlich zur ECV-Messung auch eine RBV-Messung benötigt. Durch gleichzeitige Messung beider Volumenanteile konnte auch erstmals das Extrazellulare-Extravaskuläre-Volumen bestimmt werden.
Eine gänzlich andere kontrastmittelbasierte Methode in der MRT ist die Messung des chemischen Austauschs. Hierbei wirkt das Kontrastmittel nicht direkt beschleunigend auf die Relaxation, sondern der Effekt des Kontrastmittels wird gezielt durch HF-Pulse an- und ausgeschaltet. Durch den chemischen Austausch kann die Auswirkung der HF-Pulse akkumuliert werden. Bislang wurde bei solchen Messungen ein negativer Kontrast erzeugt, der ohne zusätzliche Vergleichsmessungen schwer detektierbar war. Im letzten Teil dieser Arbeit konnte eine neue Methode zur Messung des chemischen Austauschs gezeigt werden, die entgegen der aus der Literatur bekannten Methoden nicht Sättigung, sondern Anregung überträgt. Diese Änderung erlaubt es, einen echten positiven chemischen Austausch-Kontrast zu erzeugen, der nicht zwingend ein Vergleichsbild benötigt. Gleichzeitig ermöglicht die Technik, dadurch dass Anregung übertragen wird, die Phase der Anregung zu kontrollieren und nutzen. Eine mögliche Anwendung ist die Unterscheidung verschiedener Substanzen in einer Messung.
In der Summe wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene robuste Methoden eta-
bliert, die die Möglichkeiten der quantitativen physiologischen MRT erweitern.
Hintergrund: Für die zeitgerechte Diagnose und Therapie einer permanenten kindlichen Hörstörung ist ein universelles Neugeborenen-Hörscreening (NHS) unverzichtbar. Der Goldstandard für das NHS basiert auf der Ableitung von akustisch evozierten Hirnstammpotentialen (Brainstem evoked response audiometry, BERA). An der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenkrankheiten, plastische und ästhetische Operationen der Universität Würzburg erfolgt das NHS mit dem automatischen BERA-Testsystem MAICO MB11 BERAphone® (MAICO Diagnostics GmbH). In vorausgegangenen Arbeiten zur Optimierung dieser Messmethode ergaben sich Hinweise auf eine Beziehung zwischen dem Vigilanzzustand (Wachheitsgrad) der Neugeborenen und der Reizrate.
In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob durch die Verwendung einer bestimmten Reizrate in Abhängigkeit vom Vigilanzzustand eine Verkürzung der Messzeit bzw. der Testdauer erreicht werden kann.
Methoden: An 72 Neugeborenen (Altersmittelwert: 2,3 Tage) wurden 409 Messungen mit dem MB11 BERAphone® im Rahmen des universellen NHS der Universitäts-HNO-Klinik Würzburg durchgeführt. Es wurden drei verschiedene Vigilanzzustände (wach, dösend, schlafend) mit den Reizraten 20/s, 40/s, 60/s, 80/s, 90/s, 100/s untersucht.
Ergebnisse: Es konnte gezeigt werden, dass die Nachweiszeit beim NHS vom Vigilanzzustand der Neugeborenen während der Untersuchung beeinflusst wurde. Bei schlafenden Neugeborenen wurden kürzere Nachweiszeiten erzielt als bei wachen Neugeborenen. In Abhängigkeit von der verwendeten Reizrate waren diese Nachweiszeitunterschiede zwischen den schlafenden und wachen Neugeborenen unterschiedlich groß. Bei einer Reizrate von 60/s war im Vergleich zu den übrigen Reizraten (20/s, 40/s, 80/s, 90/s, 100/s) kein signifikanter Unterschied zwischen den Nachweiszeiten der wachen und schlafenden Neugeborenen nachweisbar.
Fazit: Eine Reizrate von 60/s ist für das NHS vorteilhaft. Diese Stimulationsrate wird am wenigsten durch die Vigilanz der Neugeborenen beeinflusst. Es treten somit weniger vigilanzbedingte Verlängerungen der Screening-Zeit auf.
Der implantierbare Defibrillator hat sich als wichtigstes Instrument bei der Prävention des plötzlichen Herztodes auf dem Boden maligner Arrhythmien erwiesen3. Dennoch gibt es Patienten, die niemals eine lebensrettende Therapie durch ihr ICD-Aggregat erfahren.
Ziel der vorliegenden retrospektiven, monozentrischen Studie war es, den Nutzen eines ICD-Aggregatwechsels trotz ersten Aggregatlebens ohne adäquate Therapieabgaben zu eruieren. Mit dieser Zielsetzung wurde untersucht, welche Patienten von einem Aggregatwechsel profitieren und welche nicht. Eingeschlossen wurden 71 Patienten, die mindestens einen ICD-Aggregatwechsel durchlaufen und keine adäquate Therapie durch ihr erstes Aggregat erfahren hatten.
Die statistische Auswertung der erhobenen Daten ergab mehrere signifikante Prädiktoren für die Notwendigkeit einer ICD-Therapie nach dem ersten Aggregatwechsel trotz ersten Aggregatlebens ohne adäquate Therapieabgaben:
Hauptprädiktoren waren eine hohe Anzahl an kardiovaskulären Risikofaktoren, nicht therapierte, aber doch dokumentierte ventrikuläre Rhythmusstörungen, eine geringe linksventrikuläre Ejektionsfraktion (LVEF) zum Zeitpunkt des ersten Aggregatwechsels sowie eine kurze Lebensdauer des ersten ICD-Aggregats.
Weitere signifikante Prädiktoren waren Adipositas Grad II, Niereninsuffizienz Grad III, nicht-insulinpflichtiger Diabetes mellitus, Apoplex, Hyperurikämie sowie Phenprocoumon-Therapie.
Aktuell fehlen Daten und klare Leitlinien, die sich nicht nur wie bisher auf die Indikationsstellung bei Primärimplantation beziehen, sondern die Entscheidungshilfen geben, ob ein Aggregatwechsel durchgeführt werden sollte oder nicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstützen diese Forderung nach neuen Leitlinien.
Bei vorliegender Studie wurde eine statistische Datenanalyse auf der Basis einer retrospektiven Untersuchung durchgeführt. Die Stichprobe bestand aus 40 Patienten, welche im Zeitraum 01/2008 bis 12/2013 bei offenen Unterschenkelfrakturen mit lappenpflichtigen Weichteildefekten behandelt wurden. Den Endpunkt der statistischen Auswertung bildete die Ausheilung der Fraktur oder die Ausbildung einer Pseudarthrose. Von 40 Patienten entwickelten 35 % der Patienten (n=14) eine Pseudarthose, während es bei 65 % der Patienten (n=26) zu einer Ausheilung der Fraktur kam. Bei Pat. mit Pseudarthrose musste signifikant häufiger eine Spongiosaplastik durchgeführt werden, als bei Pat. ohne Pseudarthrose. Ein wichtiges Ergebnis der Studie bezieht sich auf den Zeitpunkt der Lappenplastik nach der definitiven Osteosynthese. Es zeigte sich, dass bei Pat. ohne Pseudarthrose die Lappenplastik tendenziell später durchgeführt wurde, als bei Patienten mit Pseudarthrose. Dieses Ergebnis widerspricht der chirurgischen Intuition, die Weichteilrekonstruktion so schnell wie möglich durchzuführen. Durch die Möglichkeit der Wundversorgung mit einer VAC-Therapie (Unterdrucktherapie) konnte jedoch eine Entschleunigung der Dringlichkeit der Weichteilrekonstruktion erreicht werden. Daher ist abzuleiten, dass die Weichteilrekonstruktion mittels Lappenplastik erst zu einem Zeitpunkt erfolgen sollte, wenn die Gesamtsituation des Patienten die günstigsten Voraussetzungen für die Heilung bietet. Neben dem Allgemeinzustand müssen auch lokale Faktoren wie Schwellungszustand der Extremität und Keimfreiheit der Wunde beachtet werden. Ein weiteres Ergebnis mit einer statistisch signifikanten Tendenz liefert die Variable „Typ der Lappenlastik“. Pat. ohne Pseudarthrose hatten fast jeweils zu einem Drittel lokale fasziokutane Lappen, gestielte Muskellappen und freie Lappen. Bei Patienten mit Pseudarthrose hingegen wurden keine gestielten Muskellappen verwenden.
Perspektive: Durch die VAC-Therapie konnte die Dringlichkeit von Weichteilrekonstruktionen vom emergency-free flap hin zu einer früh-elektiven Operation verschoben werden. Dies könnte langfristig die Sicherheit des Gewebetransfers verbessern.
Hintergrund: Der perioperative Schlaganfall gilt als eine der häufigsten Komplikationen bei herzchirurgischen Eingriffen. Durch die Manipulation der Aorta kann es zum Lösen von atherosklerotischer Plaque und zur Entstehung eines perioperativen neurologischen Defizites kommen.
Methodik: 142 Patienten der Universität Würzburg mit perioperativem Schlaganfall wurden untersucht (gesamte Op-Zahl: n = 9074). Abhängig von der Operationsmethode und dem Zeitraum wurden die Patienten in zwei Gruppen unterteilt. Bei 30 Patienten wurde die Herzoperation mittels MAC und ohne EAS durchgeführt, bei 112 Patienten mittels SAC und mit routinemäßigem EAS. Diese beiden Kollektive wurden hinsichtlich des Auftretens von Schlaganfällen miteinander verglichen.
Ergebnisse: Das Risiko für einen perioperativen Schlaganfall lag mit MAC bei 2,03 % (30/1481) und mit SAC und EAS bei 1,48 % (112/7593; p = 0,148). Im Vergleich zur reinen Bypass- oder Klappenoperation war das Risiko bei einem kombinierten Eingriff signifikant erhöht (p < 0,001).
Zusammenfassung: Neuroprotektive Operationsmethoden wie die SAC und der EAS verringern das Risiko für einen perioperativen Schlaganfall, jedoch ist ein solcher multifaktoriell bedingt und die Operationsmethode kann nicht alleinig als Auslöser verantwortlich gemacht werden. Kombiniert intrakardiale und koronararterielle Eingriffe tragen zudem das höchste Risiko für perioperative Insulte.
Die Liste der interessanten nachzuweisenden Analyte ist lang. Deswegen besteht ein großer Bedarf zur Entwicklung neuer fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die Synthese und Charakterisierung neuer optischer bzw. fluoreszierender und kolorimetrischer Chemosensoren mit dem Fokus auf die beiden Substanzklassen der Naphthalinbisimide und Perylenbisimide.
Der erste Arbeitsschwerpunkt befasste sich mit wasserlöslichen Naphthalinbisimiden und ist in drei Unterkapitel aufgeteilt (Kapitel III – 1.1.-1.3., Abbildung 79). Im ersten Unterkapitel (Kapitel III – 1.1.) wurden die Synthesen und optischen Eigenschaften der am Kern Amino-substituierten NBIs 60a-h, mit Dicarbonsäureresten in Imid-Position und 61a-h, mit 2-Dimethylaminoethyl-Gruppen, in polaren Lösungsmitteln beschrieben. Die systematische Anbringung verschiedener Amino-Substituenten mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Aminoreste diente der mechanistischen Aufklärung der optischen Eigenschaften. Eine vollständige Untersuchung der optischen Eigenschaften erfolgte in wässriger Pufferlösung bei pH 2.1 sowie in Methanol und Acetonitril. Der Einfluss der Imid-Substituenten auf die optischen Eigenschaften war wie zu erwarten gering. Die verschiedenen Kern-Substituenten verursachten hingegen eine hypsochrome Verschiebung der Absorptions- und Fluoreszenzmaxima mit steigendem elektronenziehendem Charakter der an der Aminogruppe angebrachten Reste. Ein unerwarteter Trend konnte im Fall der Fluoreszenzquantenausbeute beobachtet werden. In den protischen Lösungsmitteln Wasser und Methanol wurde eine lineare Abhängigkeit gegenüber der Hammett-σmeta-Konstante ermittelt. Mit steigendem elektronenziehendem Charakter der Kern-Amino-Substituenten erfuhr die Quantenausbeute einen Anstieg auf bis zu 39% in Wasser für NBI 60h, 61h und 45% in Methanol für 60h. Die Tatsache, dass in Acetonitril keine solche Abhängigkeit gegenüber der Hammett-Konstante beobachtet werden konnte legte eine intermolekulare Wasserstoffbrücken-Bindung im angeregten Zustand als konkurrierenden Prozess zur Fluoreszenz nahe. Dieser Prozess tritt zwischen den Lösungsmittel-Molekülen und der Akzeptorgruppe (Carbonyl-Sauerstoff) der NBIs, welcher einen strahlungslosen Relaxationsprozess bzw. Fluoreszenzlöschung zur Folge hat, auf. Der Einfluss dieses Prozesses lässt sich durch die Stärke des elektronenziehenden Amino-Substituentens steuern. Die NBIs 60a-h zeigten zudem in potentiometrischen Titrationen in Wasser eine pH-Unabhängigkeit der optischen Eigenschaften bezüglich des Imid-Substituentens. Dies macht die NBIs mit Dicarbonsäureresten für die Anwendung in biologischen Systemen im neutralen pH-Milieu oder als chemische Sensoren besonders geeignet.
Aufgrund dieser interessanten Befunde wurde im zweiten Unterkapitel (Kapitel III – 1.2.) das dihalogenierte NBI 58 hinsichtlich der Sensoreigenschaften gegenüber primären, sekundären und tertiären Amin- bzw. Diamindampf sowie zur Frischekontrolle von Fleisch untersucht. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopische Untersuchung des Dünnschichtfilms von NBI 58 zeigte die erfolgreiche, selektive Detektion von primären Aminen und Diaminen bzw. biogenen Aminen. Zum einen konnte mit bloßen Auge ein Farbumschlag von gelb nach rot und zum anderen Änderungen in den Absorptionsspektren wie die Entstehung einer neuen bathochrom verschobenen Bande im Dünnschichtfilm beobachtet werden. Die Erhöhung der Fluoreszenz wie auch die NMR-spektroskopische Untersuchung konnte hingegen ausschließlich in Lösung detektiert werden. Hiermit konnte die kovalente Wechselwirkung der Amin-Moleküle mit dem NBI 58 nachgewiesen werden. Trotz der erfolgreichen Detektion biogener Amindämpfe erwies sich NBI 58 aufgrund der zu geringen Reaktivität als ungeeigneter chemischer Sensor zur Frischekontrolle von Fleisch.
Das dritte und letzte Unterkapitel (Kapitel III – 1.3.) dieses Abschnittes bestand in der Synthese monochlor-monoamino-substituierter NBIs am Kern (65a,b und 66) und der Wechselwirkungen dieser Farbstoffe mit DNS/RNS. Die NBIs 65a,b und 66 wiesen in der Imidstellung 3-Trimethylammoniumpropyl auf, um die Wasserlöslichkeit zu gewährleisten und die elektrostatische Wechselwirkung mit dem negativ geladenen Phosphatrückgrad der DNS/RNS zu bewirken. Am Kern wurden die Aminosäuren (S)-2,3-Diaminopropionsäure (L-Dap) (65a) und (S)-2,6-Diaminohexansäure (L-Lys) (65b) sowie 2-Trimethylammoniumethylamin (66) eingefügt. Die Untersuchungen mit Hilfe von thermischen Denaturierungsstudien zeigten mit allen NBIs eine deutliche Schmelzpunkterhöhung der DNS/RNS (ΔTm-Werte zwischen 17 und 35 °C), was die Bildung von NBI/Polynukleotid-Komplexen nahelegte. Diese Komplex-Bildung konnte erneut aufgrund enormer Fluoreszenzlöschung in fluorimetrischen Titrationsstudien bestätigt werden. Hier wurden Bindungskonstanten zwischen logK = 5.9 und 7.2 M-1 ermittelt, wobei NBI 65a und poly(dG-dC)2 der stärksten Bindungsaffinität und NBI 65a und poly(dA-dT)2 der schwächste zugeordnet werden konnte. Für NBI 66 wurde die zweithöchste Bindungsaffinität zu Polynukleotid ct-DNS (logK = 7.08 M-1) beobachtet, während dieser Farbstoff sowie 65a,b nur geringe Bindungskonstanten mit dem Polynukleotid polyA-polyU zeigten. Mit Hilfe der CD-spektroskopischen Messungen wurde der Bindungsmodus und die Unterschiede in den Bindungseigenschaften der Farbstoffe mit DNS/RNS ermittelt. Der Großteil aller NBI-Verbindungen interkalierte in einer parallelen Anordnung zwischen die Basenpaare der Polynukleotide. Für NBI 65a und poly(dG-dC)2 ließ sich jedoch eine perpendikulare Anordnung zu den Basenpaaren beobachten. ITC-Titrationsstudien komplettierten letztendlich die Untersuchungen zwischen NBIs und Polynukleotiden. Neben Interkalation als Bindungsmodus konnte zusätzlich aufgrund der relativ hohen Entropiewerte eine Wechselwirkung zwischen den Substituenten am Kern und den Phosphatgruppen in der kleinen Furche festgestellt werden. Zusammengefasst sind die sterischen Hinderungen der Amino-Substituenten und die Furcheneigenschaften von ds-DNS/RNS entscheidend.
Der zweite Arbeitsschwerpunkt ist ebenfalls in drei Unterkapitel (Kapitel III – 2.1.-2.3.) aufgeteilt und befasste sich mit der Synthese und den Sensoreigenschaften kernfunktionalisierter Perylenbisimide (Abbildung 80). Im ersten Abschnitt (Kapitel III – 2.1) wurde die Synthese und die optischen Eigenschaften in Lösung der am Kern einfach und zweifach Kronenether-funktionalisierten PBIs 77a,b und 71a,b untersucht. In Imidstellung waren alle PBIs mit 2-Trimethylammoniumethyl-Resten funktionalisiert, um eine Löslichkeit in polaren Lösungsmitteln zu gewährleisten. Die Buchtpositionen wurden jeweils ein- bzw. zweifach mit den Kronenether-Einheiten 2-Hydroxymethyl-15-Krone-5 und 2-Hydroxymethyl-18-Krone-6 substituiert. Die anschließende Untersuchung der optischen Eigenschaften der PBIs zeigten bei einer Konzentration von 10-5 M in Acetonitril den monomeren Zustand und in Wasser die Ausbildung von H-Aggregaten. Die Fluoreszenzquantenausbeuten erfuhren in Acetonitril mit steigender Kronenether-Ringgröße eine Zunahme von 73% auf 81% für die PBIs 71a,b und eine vernachlässigbare geringe Zunahme von 49% auf 51% für die PBIs 77a,b. Die Abnahme der Quantenausbeute vom zweifach funktionalisierten zum einfach funktionalisierten PBI um ca. 30% ließ sich durch die stärker ausgeprägten strahlungslosen Relaxationsprozesse dieses flexibleren Moleküls im angeregten Zustand erklären.
Im zweiten Unterkapitel (Kapitel III – 2.2.) wurden die Selbstassemblierungseigenschaften der synthetisierten PBIs 71a,b und 77a,b in Gegenwart verschiedener Metallionen (Na+, K+, Rb+, Mg2+, Ca2+ und Ba2+) untersucht. Hier konnte eine Abhängigkeit von der Größe des Kronenether-Rezeptors sowie von der Art der Metallionen gezeigt werden. Die Absorptions- und Fluoreszenz-spektroskopischen Studien der zweifach funktionalisierten PBIs 71a und 71b bei einer PBI-Konzentration von c = 10-5 M zeigten ausschließlich für das 15-Krone-5-Derivat 71a und Ba2+ eine erfolgreiche Ausbildung von PBI-Stapeln mit H-artiger exzitonischer Kopplung. Aufgrund dessen erfuhr das Absorptionsmaximum eine stetige Abnahme einhergehend mit einer hypsochromen Verschiebung und die Fluoreszenz eine vollständige Löschung. Zudem konnte eine 1:1-Stöchiometrie der PBI-Stapeln ermittelt werden. Die Anpassung der spektroskopischen Änderungen an die Hill-Gleichung bestätigte letztendlich die Bildung eines [2+2]-Sandwich- bzw. Dimer-Komplexes in einem positiv kooperativen Bindungsprozess, in dem mittels ITC eine enorme Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung aufgrund der π-π-Wechselwirkung zwischen zwei PBI-Molekülen, beobachtet wurde. Die Durchführung der Titrationsexperimente bei einer höheren PBI-Konzentration (c = 10-4 M) zusammen mit DOSY-Experimenten versicherten auch in diesem Fall die Formation diskreter Dimerkomplexe. Das einfach funktionalisierte PBI 77a zeigte in der Anwesenheit von Ba2+ ähnliche optische Änderungen. Die nachfolgenden Untersuchungen bzw. Interpretationen bestätigten die Bildung eines [1+2]-Dimerkomplexes mit H-artiger exzitonischer Kopplung, welches aufgrund der flexibleren Komplexstruktur keine Stabilisierung der Ba2+-Komplexierung erfuhr.
Neben der Metallionen-Komplexierung war PBI 71b auch in der Lage, in einer 1:2-Stöchiometrie aromatische Aminosäuren und Dipeptide zu erkennen (Kapitel III – 2.3.), da hier sowohl die Ammoniumgruppen der Aminosäuren und Dipeptide mit den Kronenethereinheiten als auch die aromatischen Einheiten mit dem PBI-Kern wechselwirken können. Fluoreszenz-Titrationsexperimente zeigten, dass die Aminosäuren L-Tryptophan und L-Tyrosin, welche elektronenreiche aromatische Gruppen aufweisen, und Dipeptide, die diese Aminosäuren enthalten, die Fluoreszenz des PBIs stark löschen. Die Bindungskonstanten der Wirt-Gast-Komplexierung in Acetonitril konnten aufgrund eines statischen Löschungsprozesses aus den Fluoreszenztitrationsdaten bestimmt werden. Hier wurde beobachtet, dass die Bindungsstärke von der Größe und der elektronischen Natur der aromatischen Einheiten sowie von dem Abstand zwischen der Ammoniumgruppe und der aromatischen Einheit in Aminosäuren und Dipeptiden abhängt. Die stärkste Bindung konnte zwischen Ala-Trp und PBI 71b mit einem Wert von 3.1 x 105 M-1 beobachtet werden. NMR-Studien bestätigten ebenfalls die Wirt-Gast-Komplexierung, ließen jedoch offen, ob es zu der Bildung von zwei Diastereomeren aufgrund der eingeschränkten Umwandlung der Atrop-Enantiomere (P und M) des PBI 71b kommt oder zu der Bildung von vier Diastereomeren infolge des Chiralitätszentrums im Kronenether.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit Naphthalinbisimde und Perylenbisimide hinsichtlich ihrer Eignung als optische Chemosensoren untersucht. Die NBI-Derivate agierten aufgrund ihrer interessanten optischen Eigenschaften als chemische Sensoren selektiv für primären Amindampf und für die DNS/RNS-Wechselwirkung. Im Fall der PBI-Verbindungen wurden hervorragende fluorometrische Chemosensoren ermittelt, die Ba2+-Ionen und elektronenreiche aromatische Aminosäuren und Dipeptide in einer deutlichen Fluoreszenzlöschung detektieren können.
Damit die Knochenregeneration lege artis abläuft ist ein sensibles und komplexes Zusammenspiel einer Reihe von Faktoren notwendig. Neben bestimmten Zelltypen, die für die Knochenregeneration essentiell sind, sind auch eine Reihe von Wachstumsfaktoren notwendig um die Kommunikation zwischen den Zellverbänden zu gewährleisten und die einzelnen Entwicklungsstadien zu steuern und zu regulieren.
Zur Untersuchung der Möglichkeit, sowohl die Osteokonduktion als auch Vaskularisation eines Scaffolds zu initiieren, wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Untersuchungsmethoden eingesetzt. Damit wurden adulte humane mesenchymale Stammzellen untersucht, die zur Differenzierung mit den Wachstumsfaktoren bone morphogenetic protein 2 (BMP 2) und/oder vascular endothelial grwoth factor (VEGF) inkubiert und auf Glas- oder Bruschitoberflächen kultiviert wurden. Die Experimente wurden mittels immunologischer Methoden wie Immunfluoreszenz (IF) und Westernblot (WB), sowie über Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Es konnte mit diesen Methoden gezeigt werden, dass die humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) auf den verschiedenen Substraten adhärierten und proliferierten. Darüber hinaus konnte in der Arbeit nachgewiesen werden, dass unter diesen bestimmten Bedingungen sowohl knöcherne als auch vaskuläre Zellbildung angeregt werden kann. So konnte sowohl auf Glas als auch auf Bruschit mittels IF und REM zum Teil aus hMSC differenzierte Osteoblasten detektiert werden. Diese zeigten die für Osteoblasten typischen Zellfortsätze, mit denen die Osteoblasten mit den Nachbarzellen in Kontakt stehen. Die beginnende Differenzierung zu Osteoblasten bzw. Endothelzellen konnte auch durch Detektion spezfischer Marker, wie z.B. alkalische Phosphatase und PECAM mittels WB gezeigt werden. Jedoch war die in dieser Arbeit zur Untersuchung der ortsgerichteten Differenzierung auf Bruschitsubstrat eingesetzte Methodik nicht geeignet, eindeutige Aussagen zu treffen. Daher müssen zur Untersuchung dieses Vorganges alternative Methoden entwickelt und optimiert werden.
Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine reine in vitro Studie. Dennoch könnten diese Ergebnisse Hinweise auf das Verhalten von hMSC unter Stimulation mit osteogenen und endothelialen Wachstumsfaktoren in vivo im Tierversuch oder im Menschen liefern.
Allerdings wird es bei der Übertragung auf eine kombiniertes in vitro- in vivo Vorgehen hinauslaufen, da das ungerichtete Wachstum von Gewebsformationen eine Hürde für in vivo Studien darstellt.