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- Fraunhofer-Institute for Silicate Research ISC (1)
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- Zentrum für vorsprachliche Entwicklung und Entwicklungsstörungen (1)
- Zentrum für vorsprachliche Entwicklung und Entwicklungsstörungen (ZVES) (1)
- École Pratique des Hautes Études - PSL, Paris (1)
The reversible condensation of catechols and boronic acids to boronate esters is a paradigm reaction in dynamic covalent chemistry. However, facile backward hydrolysis is detrimental for stability and has so far prevented applications for boronate-based materials. Here, we introduce cubic boronate ester cages 6 derived from hexahydroxy tribenzotriquinacenes and phenylene diboronic acids with ortho-t-butyl substituents. Due to steric shielding, dynamic exchange at the Lewis acidic boron sites is feasible only under acid or base catalysis but fully prevented at neutral conditions. For the first time, boronate ester cages 6 tolerate substantial amounts of water or alcohols both in solution and solid state. The unprecedented applicability of these materials under ambient and aqueous conditions is showcased by efficient encapsulation and on-demand release of β-carotene dyes and heterogeneous water oxidation catalysis after the encapsulation of ruthenium catalysts.
Conspectus
Nature has established a sustainable way to maintain aerobic life on earth by inventing one of the most sophisticated biological processes, namely, natural photosynthesis, which delivers us with organic matter and molecular oxygen derived from the two abundant resources sunlight and water. The thermodynamically demanding photosynthetic water splitting is catalyzed by the oxygen-evolving complex in photosystem II (OEC-PSII), which comprises a distorted tetramanganese–calcium cluster (CaMn\(_4\)O\(_5\)) as catalytic core. As an ubiquitous concept for fine-tuning and regulating the reactivity of the active site of metalloenzymes, the surrounding protein domain creates a sophisticated environment that promotes substrate preorganization through secondary, noncovalent interactions such as hydrogen bonding or electrostatic interactions. Based on the high-resolution X-ray structure of PSII, several water channels were identified near the active site, which are filled with extensive hydrogen-bonding networks of preorganized water molecules, connecting the OEC with the protein surface. As an integral part of the outer coordination sphere of natural metalloenzymes, these channels control the substrate and product delivery, carefully regulate the proton flow by promoting pivotal proton-coupled electron transfer processes, and simultaneously stabilize short-lived oxidized intermediates, thus highlighting the importance of an ordered water network for the remarkable efficiency of the natural OEC.
Transferring this concept from nature to the engineering of artificial metal catalysts for fuel production has fostered the fascinating field of metallosupramolecular chemistry by generating defined cavities that conceptually mimic enzymatic pockets. However, the application of supramolecular approaches to generate artificial water oxidation catalysts remained scarce prior to our initial reports, since such molecular design strategies for efficient activation of substrate water molecules in confined nanoenvironments were lacking. In this Account, we describe our research efforts on combining the state-of-the art Ru(bda) catalytic framework with structurally programmed ditopic ligands to guide the water oxidation process in defined metallosupramolecular assemblies in spatial proximity. We will elucidate the governing factors that control the quality of hydrogen-bonding water networks in multinuclear cavities of varying sizes and geometries to obtain high-performance, state-of-the-art water oxidation catalysts. Pushing the boundaries of artificial catalyst design, embedding a single catalytic Ru center into a well-defined molecular pocket enabled sophisticated water preorganization in front of the active site through an encoded basic recognition site, resulting in high catalytic rates comparable to those of the natural counterpart OEC-PSII.
To fully explore their potential for solar fuel devices, the suitability of our metallosupramolecular assemblies was demonstrated under (electro)chemical and photocatalytic water oxidation conditions. In addition, testing the limits of structural diversity allowed the fabrication of self-assembled linear coordination oligomers as novel photocatalytic materials and long-range ordered covalent organic framework (COF) materials as recyclable and long-term stable solid-state materials for future applications.
Wie weit kann ein christlicher Denker Avicenna folgen, wenn er dessen Ontologie zur Erklärung des Verhältnisses von Gott und Welt heranzieht? Dieser zentralen Frage der Avicenna-Rezeption widmet sich die vorliegende Arbeit.
Avicenna (Ibn Sīnā, 980–1037) entwickelt in der Metaphysik (al-Ilāhiyyāt) – dem vierten Teil seiner philosophischen Summe Buch der Heilung (Kitāb al-Šifāʾ) – den Grundgedanken seiner Ontologie: die Distinktion von Sein und Wesen, die zu einem seiner bekanntesten und einflussreichsten Lehrstücke wurde. Nach der lateinischen Übersetzung von Avicennas Metaphysik im zwölften Jahrhundert fand die darin entworfene Ontologie rasche Verbreitung unter den lateinisch-christlichen Gelehrten. Für deren monotheistische Weltanschauung war diese Lehre insofern attraktiv, als sich aus der Sein-Wesen-Distinktion die wichtigsten ontologischen Aspekte der Beziehung von Gott und Welt rein rational ableiten lassen. Vor diesem Hintergrund stellt sich die genannte Frage, wie weit ein christlicher Denker mit Avicenna gehen kann, wenn er dessen Ontologie heranzieht, um das Verhältnis von Gott und Welt zu erklären. Diese Frage untersucht die Autorin für die drei Gelehrten Dominicus Gundisalvi († nach 1190), Wilhelm von Auvergne († 1249) und Heinrich von Gent († 1293). Die Verschränkung von Ontologie, Theologie und Kosmogonie gibt der Autorin die Möglichkeit, für diese drei Bereiche jeweils herauszuarbeiten, an welchen Stellen und aus welchen Motiven Modifikationen an der avicennischen Theorie vorgenommen wurden, um sie eigenen Zwecken oder neuen Kontexten wie der Trinitätstheologie anzupassen. Zugleich zeigt sie auf, an welchen Punkten mit Avicennas Theorie gänzlich gebrochen wurde. Was bedeuten diese Änderungen und Brüche inhaltlich? Und insbesondere: Wie werden sie rational gerechtfertigt?
Teilnehmende Beobachtungen gehören zum grundlegenden Handwerkszeug musikethnologischer Feldforschung. Doch wie lernt man musikalisches Handeln zu hören, zu beobachten und zu verstehen? Mit einer Autoethnographie lädt Nepomuk Riva die Leser*innen dazu ein, die Welt durch eine Vielfalt von Tönen wahrzunehmen. In Schlüsselszenen beschreibt er, was es für ihn bedeutet, musikethnologisch zu denken und zu forschen. Das Handbuch gibt konkrete Tipps für die Feldforschung. Mit reflektierenden Fragen und Aufgaben können die Themen vertieft und die eigene Wahrnehmung geschärft werden. Der erzählende Zugang ermöglicht ein Verständnis dafür, wie eng Herkunft und Lebenserfahrungen mit den Forschungsschwerpunkten eines Musikethnologen zusammenhängen.
Hintergrund: Bei der Entscheidung für eine intravenöse Kortikosteroid-Pulstherapie bei schweren Formen der AA ist die Abwägung von Therapieaufwand, Nebenwirkungen und Risiken einerseits und der Erfolgsaussicht andererseits von zentraler Bedeutung.
Ziel: Ziel dieser retrospektiven Analyse war es daher, die Wirksamkeit und Sicherheit der intravenösen Kortikosteroid-Pulstherapie bei Patient:innen mit ausgeprägter AA klinikintern als qualitätssichernde Maßnahme zu untersuchen, prognostisch bedeutsame Faktoren für den Therapieeffekt zu ermitteln und hierdurch die beste Indikation herauszuarbeiten.
Methode: 126 Patient:innen (13 Kinder und Jugendliche) erhielten Dexamethason 100 mg (122 Patienten) oder Methylprednisolon 20-30 mg/kg/KG (max. 1000 mg, 4 Patienten) an drei aufeinanderfolgenden Tagen für ein bis drei Zyklen.
Ergebnisse: Patienten mit einer AA partialis bzw. diffusa zeigten im Hinblick auf ein vollständiges oder kosmetisch akzeptables Wiederwachstum die besten Ansprechraten (44,3%, n=43). Unter den Ophiasis-Patienten und den Patienten mit AA totalis/universalis sprach nur etwa ein Viertel auf die Therapie an (Ophiasis 23,8%, n=5; AA totalis/universalis: 25%, n=2). Schwerwiegende unerwünschte Nebenwirkungen wurden nicht beobachtet.
Schlussfolgerung: In der vorliegenden Untersuchung ließen sich eine längere Bestandsdauer der Erkrankung und Erkrankungsepisode (über 6 Monate), ein schwerer Ausprägungsgrad (Ophiasis, AA totalis/universalis) und krankheitstypische Nagelveränderungen als wichtige ungünstige prognostische Faktoren nachweisen. Dagegen wirkten sich die untersuchten Kriterien Alter, Geschlecht, atopisches Ekzem und andere Erkrankungen des atopischen Formenkreises, Schilddrüsen- und Autoimmunerkrankungen in der Eigenanamnese sowie AA in der Familienanamnese nicht negativ auf den Behandlungserfolg aus. Patienten mit AA partialis und einer Bestandsdauer der AA von maximal 6 Monaten haben die besten Erfolgsaussichten.
Eine gefürchtete Komplikation nach Resektionen am Kolon mit Wiederherstellung der Kontinuität ist das Auftreten einer Anastomoseninsuffizienz (AI). Der Prozess der Diagnosestellung und das therapeutische Vorgehen sind zentrumsspezifisch und sehr heterogen. Ziel dieser Promotionsarbeit war die deskriptive Darstellung der Prävalenz, Diagnostik und Therapie von AI, um anhand dieser Daten ein bestimmtes zu favorisierendes Vorgehen zur AI-Behandlung herauszuarbeiten.
Es wurde eine retrospektive unizentrische Analyse durchgeführt. Diese umfasste eine Kohorte von 744 Patienten, welche von 2009 bis 2013 am Universitätsklinikum Würzburg unter Kontinuitätserhalt kolorektal reseziert wurden. Es erfolgte eine deskriptive und statistische Auswertung mittels uni- und multivariater Analysen in Bezug auf Demographie, Risikofaktoren für die Entwicklung einer AI und den Erfolg der einzelnen Therapiekonzepte.
Während der Nachbeobachtungsphase vom im Mittel 2,5 Jahren entwickelten 10,48% der Patienten eine AI. 60% der Insuffizienzen wurden während der ersten 7 postoperativen Tage detektiert. Als Risikofaktoren konnten indikationsunabhängig männliches Geschlecht, offener Zugangsweg und pulmonale Erkrankungen herausgearbeitet werden. Indikationsspezifisch zeigte sich eine Zunahme des AI-Risikos bei Divertikulitis-Patienten mit pulmonalen Erkrankungen (OR 4,5) und Cortisoneinnahme (OR 5,4). Auffällig wurden Patienten mit AI durch heterogene und teils unspezifische Symptome – am häufigsten durch Fieber (28,21%) und auffällige Laborwerte (48,72%). Eine folgende CT-Diagnostik bestätigte die Diagnose in 76,32% der Fälle und war in 24,48% falsch negativ. Patienten mit schlechtem AZ bei Diagnose der AI zeigten eine signifikant höhere Mortalität. Ein protektives Stoma konnte eine AI nicht verhindern, aber ihre Symptome und die Schwere des Verlaufs abmildern. Gemessen an der Überlebensrate und der Revisionspflichtigkeit unterschieden sich die durchgeführten Maßnahmen beim Versuch der kontinuitätserhaltenden Therapie nicht in Bezug auf den Erfolg der Therapie.
Wie Insuffizienz- und Mortalitätsrate nach AI zeigen, ist diese unizentrische Analyse international vergleichbar. Die Ableitung einer generellen Empfehlung zur therapeutischen Vorgehensweise bei AI ist nicht möglich. Vielmehr sind alle dargestellten Maßnahmen zur Beherrschung der AI sinnvoll, während die Wahl der Vorgehensweise weiterhin eine Individualentscheidung bleibt.
Autonomous mobile robots operating in unknown terrain have to guide
their drive decisions through local perception. Local mapping and
traversability analysis is essential for safe rover operation and low level
locomotion. This thesis deals with the challenge of building a local,
robot centric map from ultra short baseline stereo imagery for height
and traversability estimation.
Several grid-based, incremental mapping algorithms are compared and
evaluated in a multi size, multi resolution framework. A new, covariance
based mapping update is introduced, which is capable of detecting sub-
cellsize obstacles and abstracts the terrain of one cell as a first order
surface.
The presented mapping setup is capable of producing reliable ter-
rain and traversability estimates under the conditions expected for the
Cooperative Autonomous Distributed Robotic Exploreration (CADRE)
mission.
Algorithmic- and software architecture design targets high reliability
and efficiency for meeting the tight constraints implied by CADRE’s
small on-board embedded CPU.
Extensive evaluations are conducted to find possible edge-case scenar-
ios in the operating envelope of the map and to confirm performance
parameters. The research in this thesis targets the CADRE mission, but
is applicable to any form of mobile robotics which require height- and
traversability mapping.
In der vorliegenden Studie wird ein entscheidungsmodelltheoretischer Ansatz verwendet, um unter Vernachlässigung von Unsicherheit und Risiko Kennzahlen zu entwickeln, die verschiedene Formen der Altersvorsorge miteinander vergleichbar machen. Zu diesem Zweck werden die steuer- und sozialversicherungsrechtlichen Grundlagen für ausgewählte Altersvorsorgeformen (gesetzliche Rentenversicherung, Basisrentenversicherung, zulagengeförderte Altersvorsorge, betriebliche Altersversorgung und private Rentenversicherung) im Rechtsrahmen des Jahres 2020 erläutert. Darauf aufbauend wird ein eigenes System von Kennzahlen entwickelt, um die Vor- und Nachteile der jeweiligen Alterssicherungsform zu quantifizieren. Die Ergebnisse werden anhand von stilisierten Modellbiografien präsentiert und diskutiert. Eine abschließende Gesamtwürdigung fasst schließlich wesentliche Erkenntnisse zusammen.
Immunofluorescence is a common method to localise proteins within their cellular context via fluorophore labelled antibodies and for some applications without alternative. However, some protein targets evade detection due to low protein abundance or accessibility issues. In addition, some imaging methods require a massive reduction in antigen density thus impeding detection of even medium-abundant proteins.Here, we show that the fusion of the target protein to TurboID, a biotin ligase labelling lysine residues in close proximity, and subsequent detection of biotinylation by fluorescent streptavidin offers an “all in one” solution to the above-mentioned restrictions. For a wide range of target proteins tested, the streptavidin signal was significantly stronger than an antibody signal, markedly improving the imaging sensitivity in expansion microscopy and correlative light and electron microscopy, with no loss in resolution. Importantly, proteins within phase-separated regions, such as the central channel of the nuclear pores, the nucleolus or RNA granules, were readily detected with streptavidin, while most antibodies fail to label proteins in these environments. When TurboID is used in tandem with an HA epitope tag, co-probing with streptavidin and anti-HA can be used to map antibody-accessibility to certain cellular regions. As a proof of principle, we mapped antibody access to all trypanosome nuclear pore proteins (NUPs) and found restricted antibody labelling of all FG NUPs of the central channel that are known to be phase-separated, while most non-FG Nups could be labelled. Lastly, we show that streptavidin imaging can resolve dynamic, temporally and spatially distinct sub-complexes and, in specific cases, reveal a history of dynamic protein interaction.In conclusion, streptavidin imaging has major advantages for the detection of lowly abundant or inaccessible proteins and in addition, can provide information on protein interactions and biophysical environment.
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.
Kardiovaskuläre und renale Komorbiditäten in Zusammenhang mit chronischem Hypoparathyreoidismus
(2024)
Der cHPT ist eine seltene Erkrankung, die durch zu niedriges Kalzium im Serum aufgrund einer zu geringen PTH-Sekretion über 6 Monate charakterisiert ist. Auch bei Patienten mit einem gut kontrollierten cHPT treten Komorbiditäten und Langzeitkomplikationen auf, die jedoch bisher kaum in prospektiven Studien untersucht wurden.
Ziel dieser Arbeit war es daher, im Rahmen einer systematischen und prospektiv erfassten Studie das Auftreten kardiovaskulärer und renaler Komorbiditäten bei Patienten mit cHPT zu untersuchen und mögliche Prädiktoren für diese zu ermitteln. Außerdem erfolgte ein Vergleich mit gematchten Kontrollgruppen der deutschen Normalbevölkerung mithilfe der SHIP-TREND Studie.
Patienten mit cHPT zeigten eine signifikant höhere QTc-Zeit, eine höhere Prävalenz für QTc-Zeit-Verlängerung und signifikant höhere systolische und diastolische Blutdruckwerte trotz tendenziell, jedoch nicht signifikant, häufigerer Einnahme antihypertensiver Medikamente. In der Echokardiographie lagen eine geringere linksventrikuläre Masse, eine geringere Prävalenz für linksventrikuläre Hypertrophie und signifikant häufiger Klappenstenosen vor.
Eine renale Insuffizienz lag mit 21% der Patienten mit cHPT signifikant häufiger als bei gesunden Kontrollpersonen vor. Die Prävalenz renaler Kalzifikationen betrug 9,6%.
Mögliche Risikofaktoren für das Auftreten kardiovaskulärer und renaler Komorbiditäten bei cHPT sind weiterhin unklar. In dieser Studie zeigte sich eine mögliche Assoziation zwischen den Elektrolytstörungen wie Hyperphosphatämie und Hypomagnesiämie, der Hyperkalziurie und dem PTH-Mangel mit valvulären, vaskulären und renalen Kalzifikationen sowie den Blutdruckwerten und der Nierenfunktion.
Demnach erscheint eine Überwachung der Serumelektrolyte sowie der Kalziumausscheidung im Urin notwendig und essenziell. Auch die Bedeutung der PTH-Ersatztherapie ist weiterhin im Hinblick auf die Prävention kardiovaskulärer und renaler Erkrankungen unklar.
Die mit dem Klimawandel einhergehenden Umweltveränderungen, wie steigende Temperaturen, Abnahme der Sommer- und Zunahme der Winterniederschläge, häufigere und längere Trockenperioden, zunehmende Starkniederschläge, Stürme und Hitzewellen betreffen besonders den Bodenwasserhaushalt in seiner zentralen Regelungsfunktion für den Landschaftswasserhaushalt. Von der Wasserverfügbarkeit im Boden hängen zu einem sehr hohen Grad auch die Erträge der Land- und Forstwirtschaft ab. Eine besonders große Bedeutung kommt dabei der Wasserspeicherkapazität der Böden zu, da während einer Trockenphase die effektiven Niederschläge den Wasserbedarf der Pflanzen nicht decken können und das bereits gespeicherte Bodenwasser das Überleben der Pflanzen sicherstellen kann. Für die land- und forstwirtschaftlichen Akteure sind in diesem Kontext quantitative und qualitative Aussagen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf den Boden essenziell, um die notwendigen Anpassungsmaßnahmen für ihre Betriebe treffen zu können.
Zielsetzungen der vorliegenden Arbeit bestehen darin, die Dynamik der Bodenfeuchte in unterfränkischen Böden besser zu verstehen, die Datenlage zum Verlauf der Bodenfeuchte zu verbessern und die Auswirkungen von prognostizierten klimatischen Parametern abschätzen zu können. Hierzu wurden an sechs für ihre jeweiligen Naturräume und hinsichtlich ihrer anthropogenen Nutzung charakteristischen Standorten meteorologisch-bodenhydrologische Messstationen installiert. Die Messstationen befinden sich in einem Rigosol auf Buntsandstein in einem Weinberg bei Bürgstadt sowie auf einer Parabraunerde im Lössgebiet bei Herchsheim unter Ackernutzung. Am Übergang von Muschelkalk in Keuper befinden sich die Stationen in Obbach, wo eine Braunerde unter Ackernutzung vorliegt und im Forst des Universitätswalds Sailershausen werden die Untersuchungen in einer Braunerde-Terra fusca durchgeführt. Im Forst befinden sich auch die Stationen in Oberrimbach mit Braunerden aus Sandsteinkeuper und in Willmars mit Braunerden aus Buntsandstein. Der Beobachtungszeitraum dieser Arbeit reicht von Juli 2018 bis November 2022. In diesen Zeitraum fiel die dreijährige Dürre von 2018 bis 2020, das Jahr 2021 mit einem durchschnittlichen Witterungsverlauf und das Dürrejahr 2022.
Das Langzeitmonitoring wurde von umfangreichen Gelände- und Laboranalysen der grundlegenden bodenkundlichen Parameter der Bodenprofile und der Standorte begleitet. Die bodengeographischen-geomorphologischen Standortanalysen bilden zusammen mit den qualitativen Auswertungen der Bodenfeuchtezeitreihen die Grundlage für Einschätzungen zu den Auswirkungen des Klimawandels auf den Bodenwasserhaushalt. Verlässliche Aussagen zum Bodenwasserhaushalt können nur auf Grundlage von zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Daten getroffen werden. Bodenfeuchtezeitreihen zusammen mit den bodenphysikalischen Daten lagen in dieser Datenqualität für Unterfranken bisher nur sehr vereinzelt vor.
Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass die untersuchten Böden entsprechend den jeweiligen naturräumlichen Gegebenheiten sehr unterschiedliche bodenhydrologische Eigenschaften aufweisen. Während langer Trockenphasen können beispielsweise die Parabraunerden am Standort Herchsheim wegen ihrer höheren Wasserspeicherkapazität die Pflanzen länger mit Wasser versorgen als die sandigen Braunerden am Standort Oberrimbach. Die Bodenfeuchteregime im Beobachtungszeitraum waren sehr stark vom Witterungsverlauf einzelner Jahre abhängig. Das Bodenfeuchteregime bei einem durchschnittlichen Witterungsverlauf wie in 2021 zeichnet sich durch eine langsame Abnahme der Bodenfeuchte ab Beginn der Vegetationsperiode im Frühjahr aus. Regelmäßige Niederschläge im Frühjahr füllen den oberflächennahen Bodenwasserspeicher immer wieder auf und sichern den Bodenwasservorrat in der Tiefe bis in den Hochsommer. Im Hochsommer können Pflanzen dann während der Trockenphasen ihren Wasserbedarf aus den tieferen Horizonten decken. Im Gegensatz dazu nimmt die Bodenfeuchte in Dürrejahren wie 2018 bis 2020 oder 2022 bereits im Frühjahr bis in die untersten Horizonte stark ab. Die nutzbare Feldkapazität ist zum Teil schon im Juni weitgehend ausgeschöpft, womit für spätere Trockenphasen kein Bodenwasser mehr zur Verfügung steht. Die Herbst- und Winterniederschläge sättigen den Bodenwasservorrat wieder bis zur Feldkapazität auf. Bei tiefreichender Erschöpfung des Bodenwassers wurde die Feldkapazität erst im Januar oder Februar erreicht.
Im Zuge der land- und forstwirtschaftlichen Nutzung ist eine gute Datenlage zu den bodenkundlichen und standörtlichen Gegebenheiten für klimaadaptierte Anpassungsstrategien essentiell. Wichtige Zielsetzungen bestehen grundsätzlich in der Erhaltung der Bodenfunktionen, in der Verbesserung der Infiltrationskapazität und Wasserspeicherkapazität. Hier kommt dem Boden als interaktive Austauschfläche zwischen den Sphären und damit dem Bodenschutz eine zentrale Bedeutung zu. Die in Zukunft erwarteten klimatischen Bedingungen stellen an jeden Boden andere Herausforderungen, welchen mit standörtlich abgestimmten Bodenschutzmaßnahmen begegnet werden kann.
Einleitung:
Die Ätiologie der Early Onset Arthrose (EOA) der Schulter ist bislang ungeklärt. Aufgrund des Einflusses der Muskeln der Rotatorenmanschette (RM) auf die glenohumerale Kinematik werden muskuläre Ursachen diskutiert. Ziel der Studie war es, entsprechende Faktoren anhand von Volumenmessungen der RM und Untersuchungen der angrenzenden knöchernen Strukturen in der MRT-Bildgebung sowie der Erfassung patientenspezifischer Charakteristika zu identifizieren.
Methoden:
In einer Fall-Kontroll-Studie wurden Schultern von 15 PatientInnen (14 Männer, 1 Frau) mit einer Omarthrose vor dem 60. Lebensjahr und 13 Kontrollpersonen (ausschließlich Männer) untersucht. Dabei wurden anthropometrische Körpermessungen sowie klinische Charakteristika erhoben. Anhand von MRT-Bildern wurden die Volumina der RM mittels manueller Umrandung der einzelnen Muskelquerschnitte berechnet. Weiterhin wurden die Winkel zwischen Coracoid bzw. Spina scapulae und Scapulakörper gemessen. Die Stellung der Scapula zum Thorax wurde anhand des Winkels der Scapula zur Tischebene erhoben. Zudem wurden die Glenoidretroversion, -morphologietypen und Humeruskopfsubluxation ermittelt. Die Auswertung erfolgte anhand deskriptiver und vergleichender statistischer Verfahren sowie logistischer und linearer Regressionsanalysen.
Ergebnisse:
Die Volumina der RM von PatientInnen mit EOA unterschieden sich weder absolut noch im relativen Verhältnis von denen der Kontrollpersonen. Dagegen konnten im Vergleich signifikant höhere Werte des Thoraxumfangs und -durchmessers, des Körpergewichts sowie des BMI bei erkrankten Personen nachgewiesen werden. Weiterhin übten diese signifikant häufiger Berufe aus, die mehr als 1400 kcal pro Tag verbrauchten. Das Risiko einer EOA nahm zu, je steiler die Scapula zum Thorax stand. PatientInnen mit B2-Glenoid wiesen signifikant größere Winkel zwischen Coracoid und Scapulakörper sowie höhere Werte des transversalen Thoraxdurchmessers auf, als erkrankte Personen mit einem B1-Glenoid. Unabhängig von einer Erkrankung mit EOA zeigte sich, dass das Ausüben einer Überkopfsportart mit einem höheren Subluxationsindex assoziiert war.
Fazit:
Während die RM keine Auffälligkeiten bei PatientInnen mit EOA zeigte, waren ein männliches Geschlecht, der BMI, die Thoraxform und Scapulastellung, sowie die Ausübung bestimmter Berufe und Sportarten mit der Erkrankung assoziiert. Weitere Studien müssen folgen, um diese Risikofaktoren bei EOA genauer zu untersuchen und mögliche Therapiekonzepte zu entwickeln. Dabei sollte auch die periphere Schultermuskulatur (z. B. M. teres major oder M. pectoralis major) in die Untersuchungen miteinbezogen werden.
Background
Iron deficiency (ID) is the leading cause of anemia worldwide. The prevalence of preoperative ID ranges from 23 to 33%. Preoperative anemia is associated with worse outcomes, making it important to diagnose and treat ID before elective surgery. Several studies indicated the effectiveness of intravenous iron supplementation in iron deficiency with or without anemia (ID(A)). However, it remains challenging to establish reliable evidence due to heterogeneity in utilized study outcomes. The development of a core outcome set (COS) can help to reduce this heterogeneity by proposing a minimal set of meaningful and standardized outcomes. The aim of our systematic review was to identify and assess outcomes reported in randomized controlled trials (RCTs) and observational studies investigating iron supplementation in iron-deficient patients with or without anemia.
Methods
We searched MEDLINE, CENTRAL, and ClinicalTrials.gov systematically from 2000 to April 1, 2022. RCTs and observational studies investigating iron supplementation in patients with a preoperative diagnosis of ID(A), were included. Study characteristics and reported outcomes were extracted. Outcomes were categorized according to an established outcome taxonomy. Quality of outcome reporting was assessed with a pre-specified tool. Reported clinically relevant differences for sample size calculation were extracted.
Results
Out of 2898 records, 346 underwent full-text screening and 13 studies (five RCTs, eight observational studies) with sufficient diagnostic inclusion criteria for iron deficiency with or without anemia (ID(A)) were eligible. It is noteworthy to mention that 49 studies were excluded due to no confirmed diagnosis of ID(A). Overall, 111 outcomes were structured into five core areas including nine domains. Most studies (92%) reported outcomes within the ‘blood and lymphatic system’ domain, followed by “adverse event” (77%) and “need for further resources” (77%). All of the latter reported on the need for blood transfusion. Reported outcomes were heterogeneous in measures and timing. Merely, two (33%) of six prospective studies were registered prospectively of which one (17%) showed no signs of selective outcome reporting.
Conclusion
This systematic review comprehensively depicts the heterogeneity of reported outcomes in studies investigating iron supplementation in ID(A) patients regarding exact definitions and timing. Our analysis provides a systematic base for consenting to a minimal COS.
Systematic review registration
PROSPERO CRD42020214247
A novel USP11-TCEAL1-mediated mechanism protects transcriptional elongation by RNA Polymerase II
(2024)
Deregulated expression of MYC oncoproteins is a driving event in many human cancers. Therefore, understanding and targeting MYC protein-driven mechanisms in tumor biology remain a major challenge.
Oncogenic transcription in MYCN-amplified neuroblastoma leads to the formation of the MYCN-BRCA1-USP11 complex that terminates transcription by evicting stalling RNAPII from chromatin. This reduces cellular stress and allows reinitiation of new rounds of transcription. Basically, tumors with amplified MYC genes have a high demand on well orchestration of transcriptional processes-dependent and independent from MYC proteins functions in gene regulation. To date, the cooperation between promoter-proximal termination and transcriptional elongation in cancer cells remains still incomplete in its understanding.
In this study the putative role of the dubiquitinase Ubiquitin Specific Protease 11 (USP11) in transcription regulation was further investigated. First, several USP11 interaction partners involved in transcriptional regulation in neuroblastoma cancer cells were identified. In particular, the transcription elongation factor A like 1 (TCEAL1) protein, which assists USP11 to engage protein-protein interactions in a MYCN-dependent manner, was characterized. The data clearly show that TCEAL1 acts as a pro-transcriptional factor for RNA polymerase II (RNAPII)-medi- ated transcription. In detail, TCEAL1 controls the transcription factor S-II (TFIIS), a factor that assists RNAPII to escape from paused sites. The findings claim that TCEAL1 outcompetes the transcription elongation factor TFIIS in a non-catalytic manner on chromatin of highly expressed genes. This is reasoned by the need regulating TFIIS function in transcription. TCEAL1 equili- brates excessive backtracking and premature termination of transcription caused by TFIIS.
Collectively, the work shed light on the stoichiometric control of TFIIS demand in transcriptional regulation via the USP11-TCEAL1-USP7 complex. This complex protects RNAPII from TFIIS-mediated termination helping to regulate productive transcription of highly active genes in neuroblastoma.
In this study, we developed an innovative nanoparticle formulation to facilitate the delivery of antitumor antibodies to tumor sites. The study commenced with the utilization of 13 bispecific antibody fusion proteins, which targeted the Fn14 receptor, thereby validating the pivotal role of crosslinking in Fn14 receptor activation. Subsequently, gold nanoparticles were activated using COOH-PEG-SH in combination with EDC/NHS, and subsequently conjugated with two Fn14-targeting antibodies, PDL192 and 5B6. Following this, a pH-sensitive shell was generated on the outer layer of the antibody-coupled gold nanoparticles through the application of chemically modified polylysine. The resultant complexes, termed MPL-antibody-AuNP, demonstrated a release profile reminiscent of the tumor microenvironment (TME). Notably, these complexes released antibody-AuNPs only in slightly acidic conditions while remaining intact in neutral or basic environments. Functionality analysis further affirmed the pH-sensitive property of MPL-antibody-AuNPs, demonstrating that the antibodies only initiated potent Fn14 activation in slightly acidic environments. This formulation holds potential for applicability to antibodies or ligands targeting the 80 TNFRSF family, given that gold nanoparticles successfully served as platforms for antibody crosslinking, thereby transforming these antibodies into potent agonists. Moreover, the TME disintegration profile of MPL mitigates the potential cytotoxic effects of antibodies, thereby circumventing associated adverse side effects. This study not only showcases the potential of nanoparticle formulations in targeted therapy, but also provides a solid foundation for further investigations on their clinical application in the context of targeting category II TNFRSF receptors with antibodies or ligands.
Structure and dynamics of the plasma membrane: a single-molecule study in \(Trypanosoma\) \(brucei\)
(2024)
The unicellular, flagellated parasite Trypanosoma brucei is the causative agent of human African sleeping sickness and nagana in livestock. In the last decades, it has become an established eukaryotic model organism in the field of biology, as well as in the interdisciplinary field of biophysics. For instance, the dense variant surface glycoprotein (VSG) coat offers the possibility to study the dynamics of GPI-anchored proteins in the plasma membrane of living cells. The fluidity of the VSG coat is not only an interesting object of study for its own sake, but is critically important for the survival of the parasite in the mammalian host. In order to maintain the integrity of the coat, the entire VSG coat is recycled within a few minutes. This is surprisingly fast for a purely diffusive process with the flagellar pocket (FP) as the sole site for endo- and exocytosis. Previous studies characterising VSG dynamics using FRAP reported diffusion coefficients that were not sufficient to to enable fast turnover based on passive VSG randomisation on the trypanosome surface.
In this thesis, live-cell single-molecule fluorescence microscopy (SMFM) was employed to elucidate whether VSG diffusion coefficients were priorly underestimated or whether directed forces could be involved to bias VSGs towards the entrance of the FP. Embedding the highly motile trypanosomes in thermo-stable hydrogels facilitated the investigation of VSG dynamics on living trypanosomes at the mammalian host's temperature of 37°C. To allow for a spatial correlation of the VSG dynamics to the FP entrance, a cell line was employed harbouring a fluorescently labelled structure as a reference. Sequential two-colour SMFM was then established to allow for recording and registration of the dynamic and static single-molecule information.
In order to characterise VSG dynamics, an algorithm to obtain reliable information from short trajectories was adapted (shortTrAn). It allowed for the quantification of the local dynamics in two distinct scenarios: diffusion and directed motion. The adaptation of the algorithm to the VSG data sets required the introduction of an additional projection filter. The algorithm was further extended to take into account the localisation errors inherent to single-particle tracking. The results of the quantification of diffusion and directed motion were presented in maps of the trypanosome surface, including an outline generated from a super-resolved static structure as a reference. Information on diffusion was displayed in one map, an ellipse plot. The colour code represented the local diffusion coefficient, while the shape of the ellipses provided an indication of the diffusion behaviour (aniso- or isotropic diffusion). The eccentricity of the ellipses was used to quantify deviations from isotropic diffusion. Information on directed motion was shown in three maps: A velocity map, representing the amplitude of the local velocities in a colour code. A quiver plot, illustrating the orientation of directed motion, and a third map which indicated the relative standard error of the local velocities colour-coded. Finally, a guideline based on random walk simulations was used to identify which of the two motion scenarios dominated locally. Application of the guideline to the VSG dynamics analysed by shortTrAn yielded supermaps that showed the locally dominant motion mode colour-coded.
I found that VSG dynamics are dominated by diffusion, but several times faster than previously determined. The diffusion behaviour was additionally characterised by spatial heterogeneity. Moreover, isolated regions exhibiting the characteristics of round and elongated traps were observed on the cell surface. Additionally, VSG dynamics were studied with respect to the entrance of the FP. VSG dynamics in this region displayed similar characteristics compared to the remainder of the cell surface and forces biasing VSGs into the FP were not found.
Furthermore, I investigated a potential interference of the attachment of the cytoskeleton to the plasma membrane with the dynamics of VSGs which are anchored to the outer leaflet of the membrane. Preliminary experiments were conducted on osmotically swollen trypanosomes and trypanosomes depleted for a microtubule-associated protein anchoring the subpellicular microtubule cytoskeleton to the plasma membrane. The measurements revealed a trend that detachment of the cytoskeleton could be associated with a reduction in the VSG diffusion coefficient and a loss of elongated traps. The latter could be an indication that these isolated regions were caused by underlying structures associated with the cytoskeleton.
The measurements on cells with an intact cytoskeleton were complemented by random walk simulations of VSG dynamics with the newly determined diffusion coefficient on long time scales not accessible in experiments. Simulations showed that passive VSG randomisation is fast enough to allow for a turnover of the full VSG coat within a few minutes. According to an estimate based on the known rate of endocytosis and the newly determined VSG diffusion coefficient, the majority of exocytosed VSGs could escape from the FP to the cell surface without being immediately re-endocytosed.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Reaktivitat niedervalenter borhaltiger Verbindungen der Oxidationsstufe +I, sowie der Darstellung eines neuen zweizähnigen Carbens. Von zentraler Bedeutung waren dabei Verbindungen aus der Substanzklasse der cAACs, die sowohl als stabilisierende Lewis-Basen der Diborene und Borylene zum Einsatz kamen, als auch das Grundgerüst des neuen Carbens bilden.
Zunächst stand die Synthese eines neuen Diborens im Fokus, wobei Cyclohexylsubstituenten am Pyrrolidingerust des cAACs verwendet wurden. Die Reaktivitätsstudien wurden anschließend am Diboren mit dem methylsubstituierten cAAC-Derivat durchgeführt. Dabei konnte neben der 1,2-Addition von Wasser die Insertion von Acetylen in die BB-Bindung, sowie die Spaltung durch die Reaktion mit diversen Aziden beobachtet werden. Darüber hinaus gelingt die vollständige Separierung beider Boratome in zwei getrennte Moleküle bei der Umsetzung mit Kohlenstoffdioxid in einer Reaktionssequenz aus [2+2]-Cycloaddition und -reversion.
Das dabei erhaltene Hydroborylen wurde im zweiten Teil der Arbeit hinsichtlich seiner Reaktivität untersucht. Gerade die Carbonylfunktionalität erlaubte hierbei den Zugang zu vielfältigen Reaktionsprodukten. Unter anderen kann der Carbonylsubstituent in ein Alkin oder ein Nitril überführt werden. Zudem kann die, aus der Übergangsmetall-Carbonylchemie bekannte, Fischer-Carben Synthese am Borylen reproduziert werden und stellt somit ein metallomimetisches Verhalten der Borylene zur Schau.
Der letzte Teil befasst sich mit der Darstellung eines zweizähnigen Carbenliganden, wobei der Nachweis des freien Carbens indirekt mittels Abfangreaktionen gelang.
Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) sind potente Differenzierungs- und Wachstumsfaktoren, die strukturell der Transforming Growth Factor-β (TGF-β) - Superfamilie zugeordnet werden. Sie spielen eine Schlüsselrolle in einer Vielzahl an zellulären Prozessen ab den frühen Stadien der Embryogenese. Dadurch sind BMPs nicht nur für die korrekte Festlegung der embryonalen Körperachse verantwortlich, sondern regulieren als multifunktionale Mediatoren neben der Morphogenese auch Proliferation, Differenzierung und Apoptose unterschiedlicher Zelltypen. Bone Morphogenetic Proteins sind somit für die Aufrechthaltung der Homöostase im adulten Körper mitverantwortlich. Ihre Funktionalität vermitteln die BMPs über eine Signalkaskade, indem sie als dimeres Protein spezifische transmembrane Serin/Threonin-Kinaserezeptoren von Typ I und Typ II in einem heteromeren Komplex assemblieren. Die intrazelluläre Signalweiterleitung verläuft über verschiedene Signalkaskaden (Smad-Proteine oder MAPKs), wodurch final im Zellkern Änderungen auf der Ebene der Gentranskription ausgelöst werden. Laut der namensgebenden Eigenschaft fungieren einige Wachstumsfaktoren als aktive Induktoren der Knochenbiosynthese. Ihre Anwesenheit ist essentiell für die vielen zellulären Prozesse, die während einer Frakturheilung auftreten, wobei eine Knochenneubildung ebenso stark abhängig ist vom Zusammenspiel verschiedener Stimulatoren und Inhibitoren, die die BMPs in ihrer Aktivität regulieren. Bedingt durch ihr großes Potential fanden die erstmals durch Marshal Urist 1965 aus Knochenmaterial isolierten BMP-Proteine ihren Einsatz in der regenerativen Medizin. Kommerziell erhältlich und bereits seit vielen Jahren in der klinischen Anwendung befindet sich derzeit das rhBMP-2 und rhBMP-7. Diese beiden Wachstumsfaktoren werden u.a. verwendet, um die Heilungsprozesse von langwierigen Schienbeinfrakturen zu verbessern, aber auch bei degenerativen Wirbelsäulenerkrankungen und in der Kieferchirurgie. Jedoch führt die schlechte Löslichkeit des BMPs aufgrund der ausgeprägten Aggregationstendenz zu gravierenden Problemen, nicht nur während der biotechnologischen Herstellung, sondern auch bei der klinischen Anwendung.
Der Schwerpunkt des Optimierungsbedarfs der BMP-2 Herstellung im Rahmen dieser Doktorarbeit lag daher auf der Etablierung eines prokaryotischen Expressionssystems für die lösliche Produktion von BMP-2. Dafür wurde zunächst der Fokus auf die ungünstigen Löslichkeitseigenschaften des Wachstumsfaktors gelegt. Um die hohe Aggregationsneigung des BMP-2 während der Produktion in Escherichia coli zu minimieren, wurden anhand einer Algorithmus-basierten Analyse BMP-2-Varianten entworfen, in denen Aminosäuren mit stark hydrophoben Eigenschaften gegen solche mit hydrophilem Charakter ausgetauscht wurden. Hierdurch konnten die zur Aggregation neigenden Bereiche des BMP-2 weitestgehend eliminiert werden. Es wurden für die bezüglich ihrer Löslichkeit optimierten Proteinvarianten unterschiedliche Expressionsstrategien etabliert, wodurch dimere BMP-2-Muteine in angepassten chromatographischen Profilen mit einem Aufreinigungsschritt und ohne jegliche Renaturierungsmaßnahmen gewonnen wurden. Allerdings verbleiben hierbei Restmengen an bakteriellen Kontaminationen, die vorwiegend aus endogenen ribosomalen E. coli-Proteinen stammen und nicht vollständig entfernt werden konnten. Während der umfassenden in vitro Charakterisierung der BMP-2-Varianten konnte durch massenspektroskopische Analysen die Gesamtmasse beider Zielproteine bestätigt werden, wobei sequenzspezifische Fragmente eine eindeutige Identifikation der eingebrachten Mutationen ermöglichten. CD-spektroskopische Analysen erweitert um Auswertealgorithmen konnten die wesentlichen Wt-BMP-2-typischen Sekundärstrukturelemente identifizieren. Die neu generierten BMP-2-Varianten zeigen in der dynamischen Lichtstreuungsanalyse stark verminderte Aggregationstendenz im Vergleich zum Wildtyp-BMP-2. Dessen Aggregationsverhalten wurde durch die kombinierte Analytik seiner mikrofluidischen Diffusion und der dynamischen Lichtstreuung zum ersten Mal über den Konzentrationsbereich von 0.5 µM bis 100 mM genau charakterisiert. Erste zellbiologische Versuche verliefen ohne Erfolg, wodurch die biologische Aktivität der BMP-Varianten nicht abschließend geklärt werden konnte.
Die simple Methode zur Expression und Aufreinigung der hydrophilisierte BMP-2-Muteine aus dieser Dissertation kann leicht in einen größeren Produktionsmaßstab überführt werden. BMP 2 kann dadurch schneller und kostengünstiger hergestellt werden. Final bleibt es jedoch erforderlich, die biologische Aktivität der neuen löslichen BMP-2-Varianten vollständig zu charakterisieren, um deren ganzes Funktionsspektrum zu entdecken. Der Fokus weiterer Forschung sollte zudem auf die verbleibende Oligomerisierungstendenz und die bestehende Kontamination mit Fremdproteinen gelegt werden, da diese beiden Faktoren letztendlich die Ausbeute an dimeren BMP-2 Varianten aus diesem System derzeit minimieren.