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1. Zusammenfassung
Während der Embryogenese und nach Verletzungen von Nerven regulieren neurotrophe Faktoren Signalwege für Apoptose, Differenzierung, Wachstum und Regeneration von Neuronen. In vivo Experimente an neugeborenen Nagern haben gezeigt, dass der Verlust von Motoneuronen nach peripherer Nervenläsion durch die Behandlung mit GDNF, BDNF, und CNTF reduziert werden kann In der pmn-Mausmutante, einem Modell für die Amyotrophe Lateralsklerose, führt die Gabe von CNTF, nicht aber von GDNF zu einem verzögerten Krankheitsbeginn und einem verlangsamten Fortschreiten der Motoneuronendegeneration. Auslöser der Motoneuronendegeneration in der pmn-Maus ist eine Mutation im Tubulin spezifischen Chaperon E (Tbce) Gen, das für eines von fünf Tubulin spezifischen Chaperonen (TBCA-TBCE) kodiert und an der Bildung von -Tubulinheterodimeren beteiligt ist. Diese Arbeit sollte dazu beitragen, die CNTF-induzierten Signalwege zu entschlüsseln, die sich lindernd auf den progredienten Verlauf der Motoneuronendegeneration in der pmn-Maus auswirken.
Primäre pmn mutierte Motoneurone zeigen ein reduziertes Axonwachstum und eine erhöhte Anzahl axonaler Schwellungen mit einer anomalen Häufung von Mitochondrien - ein frühes Erkennungsmerkmal bei ALS-Patienten. Die Applikation von CNTF nicht aber von BDNF oder GDNF, kann in vitro die beobachteten Wachstumsdefekte und das bidirektionale axonale Transportdefizit in pmn mutierten Motoneurone verhindern.
Aus älteren Untersuchungen war bekannt, dass CNTF über den dreiteiligen transmembranen Rezeptorkomplex, bestehend aus CNTFR, LIFR und gp130, Januskinasen aktiviert, die STAT3 an Tyrosin 705 phosphorylieren (pSTAT3Y705). Ich konnte beobachten, dass axonales fluoreszenzmarkiertes pSTAT3Y705 nach CNTF-Gabe nicht retrograd in den Nukleus transportiert wird. Stattdessen führt die CNTF-induzierte Phosphorylierung von STAT3 an Tyrosin 705 zu einer transkriptionsunabhängigen lokalen Reaktion im Axon. Diese pSTAT3Y705 abhängige Reaktion ist notwendig und ausreichend, um das reduzierte Axonwachstum pmn mutierter Motoneurone zu beheben. Wie die Kombination einer CNTF Behandlung mit dem shRNA vermittelten knock-down von Stathmin in pmn mutierten Motoneuronen zeigt, zielt die CNTF-STAT3 Signalkaskade auf die Stabilisierung axonaler Mikrotubuli ab und wirkt sich positiv auf die anterograde und retrograde Mobilität von axonalen Mitochondrien aus.
Interessanter Weise konnte ich außerdem feststellen, dass eine akute Gabe von CNTF das mitochondriale Membranpotential in Axonen primärer pmn mutierter und wildtypischer
Motoneurone erhöht und einen Anstieg von ATP auslöst. Meine Beobachtungen legen nahe, dass CNTF unerwarteter Weise auch eine transiente Phosphorylierung an STAT3 Serin 727 (pSTAT3S727) auslöst, die zur anschließenden Translokation von pSTAT3S727 in Mitochondrien führt. Diese Ergebnisse zeigen, dass STAT3 mehrere lokale Ziele im Axon besitzt, nämlich axonale Mikrotubuli und Mitochondrien.
Background
Among the modalities for lung imaging, proton magnetic resonance imaging (MRI) has been the latest to be introduced into clinical practice. Its value to replace X-ray and computed tomography (CT) when radiation exposure or iodinated contrast material is contra-indicated is well acknowledged: i.e. for paediatric patients and pregnant women or for scientific use. One of the reasons why MRI of the lung is still rarely used, except in a few centres, is the lack of consistent protocols customised to clinical needs.
Methods
This article makes non-vendor-specific protocol suggestions for general use with state-of-the-art MRI scanners, based on the available literature and a consensus discussion within a panel of experts experienced in lung MRI.
Results
Various sequences have been successfully tested within scientific or clinical environments. MRI of the lung with appropriate combinations of these sequences comprises morphological and functional imaging aspects in a single examination. It serves in difficult clinical problems encountered in daily routine, such as assessment of the mediastinum and chest wall, and even might challenge molecular imaging techniques in the near future.
Conclusion
This article helps new users to implement appropriate protocols on their own MRI platforms.
Main Messages
• MRI of the lung can be readily performed on state-of-the-art 1.5-T MRI scanners.
• Protocol suggestions based on the available literature facilitate its use for routine
• MRI offers solutions for complicated thoracic masses with atelectasis and chest wall invasion.
• MRI is an option for paediatrics and science when CT is contra-indicated
Proton magnetic resonance imaging (MRI) has recently emerged as a clinical tool to image the lungs. This paper outlines the current technical aspects of MRI pulse sequences, radiofrequency (RF) coils and MRI system requirements needed for imaging the pulmonary parenchyma and vasculature. Lung MRI techniques are presented as a “technical toolkit”, from which MR protocols will be composed in the subsequent papers for comprehensive imaging of lung disease and function (parts 2 and 3). This paper is pitched at MR scientists, technicians and radiologists who are interested in understanding and establishing lung MRI methods. Images from a 1.5 T scanner are used for illustration of the sequences and methods that are highlighted.
Main Messages
• Outline of the hardware and pulse sequence requirements for proton lung MRI
• Overview of pulse sequences for lung parenchyma, vascular and functional imaging with protons
• Demonstration of the pulse-sequence building blocks for clinical lung MRI protocols
Honeybees can easily be trained to perform different types of discrimination tasks under controlled laboratory conditions. This review describes a range of experiments carried out with free-flying forager honeybees under such conditions. The research done over the past 30 or so years suggests that cognitive abilities (learning and perception) in insects are more intricate and flexible than was originally imagined. It has become apparent that honeybees are capable of a variety of visually guided tasks, involving decision making under challenging situations: this includes simultaneously making use of different sensory modalities, such as vision and olfaction, and learning to use abstract concepts such as “sameness” and “difference.” Many studies have shown that decision making in foraging honeybees is highly flexible. The trained animals learn how to solve a task, and do so with a high accuracy, but when they are presented with a new variation of the task, they apply the learnt rules from the earlier setup to the new situation, and solve the new task as well. Honeybees therefore not only feature a rich behavioral repertoire to choose from, but also make decisions most apt to the current situation. The experiments in this review give an insight into the environmental cues and cognitive resources that are probably highly significant for a forager bee that must continually make decisions regarding patches of resources to be exploited.
Background
A new thromboembolic animal model showed beneficial effects of t-PA with an infarct volume reduction of 36.8% in swiss mice. Because knock-out animal experiments for stroke frequently used C57BL76 mice we evaluated t-PA effects in this mouse strain and measured infarct volume and vascular recanalisation in-vivo by using high-field 9.4 T MRI and a 1H surface cryo coil.
Methods
Clot formation was triggered by microinjection of murine thrombin into the right middle cerebral artery (MCA). Animals (n = 28) were treated with 10 mg/kg, 5 mg/kg or no tissue plasminogen activator (t-PA) 40 min after MCA occlusion. For MR-imaging a Bruker 9.4 T animal system with a 1H surface cryo probe was used and a T2-weighted RARE sequence, a diffusion weighted multishot EPI sequence and a 3D flow-compensated gradient echo TOF angiography were performed.
Results
The infarct volume in animals treated with t-PA was significantly reduced (0.67 ± 1.38 mm3 for 10 mg/kg and 10.9 ± 8.79 mm3 for 5 mg/kg vs. 19.76 ± 2.72 mm3 ; p < 0.001) compared to untreated mice. An additional group was reperfused with t-PA inside the MRI. Already ten minutes after beginning of t-PA treatment, reperfusion flow was re-established in the right MCA. However, signal intensity was lower than in the contralateral MCA. This reduction in cerebral blood flow was attenuated during the first 60 minutes after reperfusion. 24 h after MCA occlusion and reperfusion, no difference in signal intensity of the contralateral and ipsilateral MCAs was observed.
Conclusions
We confirm a t-Pa effect using this stroke model in the C57BL76 mouse strain and demonstrate a chronological sequence MRI imaging after t-PA using a 1H surface cryo coil in a 9.4 T MRI. This setting will allow testing of new thrombolytic strategies for stroke treatment in-vivo in C57BL76 knock-out mice.
As recently reviewed, 1026 neuroprotective drug candidates in stroke research have all failed on their road towards validation and clinical translation, reasons being quality issues in preclinical research and publication bias. Quality control guidelines for preclinical stroke studies have now been established. However, sufficient understanding of the underlying mechanisms of neuronal death after stroke that could be possibly translated into new therapies is lacking. One exception is the hypothesis that cellular death is mediated by oxidative stress. Oxidative stress is defined as an excess of reactive oxygen species (ROS) derived from different possible enzymatic sources. Among these, NADPH oxidases (NOX1-5) stand out as they represent the only known enzyme family that has no other function than to produce ROS. Based on data from different NOX knockout mouse models in ischemic stroke, the most relevant isoform appears to be NOX4. Here we discuss the state-of-the-art of this target with respect to stroke and open questions that need to be addressed on the path towards clinical translation.
This thesis focuses on the investigation of the electronic structure of amino acids and
salts in aqueous solution using X-ray spectroscopic methods. Both material groups are
of fundamental importance with regards to many physiological reactions, especially
for the Hofmeister effect which describes the solubility of proteins in salt solutions.
Hence, the investigation of the electronic structure of amino acids and the influence of
ions on the hydrogen bonding network of liquid water are important milestones to a
deeper understanding of the Hofmeister series.
Besides investigating the electronic structure of amino acids in aqueous solution,
the spectra were used to develop a building block model of the spectral fingerprints of
the functional groups and were compared to spectral signatures of suitable reference
molecules. In the framework of this thesis, it is shown that the building block approach
is a useful tool with allows the interpretation of spectral signatures of considerably
more complex molecules
In this work, the focus lies on the investigation of the occupied and unoccupied
electronic states of molecules in solid state, as well as in aqueous solution. Hereby,
different X-ray spectroscopic methods were applied. X-ray emission spectroscopy
(XES) was used to probe the occupied electronic structure of the solution, while the
unoccupied electronic structure was addressed by using X-ray absorption spectroscopy
(XAS). Finally, resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) as a combination of XAS
and XES measurements provides the combined information about the unoccupied and
occupied molecular levels. The element specific character of the three measurement
methods is a feature which allows the investigation of the local electronic structure of
a single functional group. With RIXS, also non-equivalent atoms of the same element
can be addressed separately.
Within this thesis firstly, a library of the XE spectra of all 20 proteinogenic amino
acids in zwitterionic form is presented. From this sample-set XES fingerprints of
the protonated alpha-amino group NH3+ and the deprotonated carboxylic group COO- were evaluated and used to identify the XES fingerprints of the nitrogen and oxygen
containing functional groups of the side chains of the amino acids. The data is discussed
based on a building block approach. Furthermore, the XE spectra of the functional
groups of lysine and histidine, namely the NH2 group and the C3N2H4 ring structure,
are both compared to XE spectra of suitable reference molecules (imidazole, ammonia
and methylamine). It is found that the XE and RIXS spectra of the side chains of lysine
and histidine show large similarities to the XE spectra of the reference molecules. This
agreement in the XE and RIXS spectra allows a qualitative investigation of XE and
RIXS spectra of more complex amino acids using the XE and RIXS spectra of suitable
reference molecules.
The chemical structure of histidine and proline is quite different from the structures
of the other proteinogenic amino acids. Due to the unique chemical structure of
the side chain which in both cases consists of a heterocyclic ring structure, these two
amino acids were investigated in more detail. Zubavichus et al. [1] have shown that
amino acids are decomposing while exposed to X-ray radiation of the experiment. The
damage is irreversible and molecular fragments can adsorb on the membrane of the
experimental setup. This contamination can also create a spectral signature which
then overlaps with the signal of the solution and which complicates the interpretation
of the data. To record spectra which are free from contributions of adsorbed molecular
fragments on the membrane, the adsorption behavior was investigated.
In contrast to the solid phase in which the amino acids are present as salts in one
electronic conformation, the charge state of the amino acids can be manipulated in
aqueous solution by tuning the pH-value. By doing this, all possible charge states are
accessible (cation, anion, zwitterion). In this work it is shown that also the spectra
of the different charge states can be modeled by the spectra of suitable reference
molecules using the building block approach. The spectral changes occurring upon
protonation and deprotonation of the functional groups are explored and verified by
comparing them to theoretical calculations.
The comparison with measurements of pyrrolidine show that the electronic structure
which surrounds the nitrogen atom of proline is strongly influenced by the
ring structure of the side chain. Furthermore, the proline, pyrrolidine, and histidine
molecules are also degrading during the liquid sample measurements. This can be
observed by the detection of a new spectral component which increases with the
measurement time originating from the window membrane. In all cases, the speed of
the agglomeration of molecular fragments at the membrane was observed to be highly
sensitive to the pH value of the solution.
To understand the Hofmeister series, also the impact of the salt ions have to be
investigated. In this study the influence of potassium chloride (KCl) on the hydrogen
bond network of water was studied by using non-resonantly excited XES as well as
RIXS. A decreased dissociation of hydrogen molecules and changes in the molecular
vibrations could be detected. These changes were interpreted with a molecular
reorganization of the water molecules and a decreased number of hydrogen bonds.
Im Fokus dieser Arbeit standen (6,5)-SWNT-PFO-BPy-Komplexe als Vertreter für polyfluorenstabilisierte, einwandige Kohlenstoffnanoröhren. In einem ersten Projekt wurden präparative Verfahren zur Dispergierung und Abscheidung dieser Proben weiterentwickelt. Es ist gelungen, die Ansatzgröße von 15 mL auf 200 mL hochzuskalieren sowie dünne SWNT-Filme über Rotationsbeschichtung herzustellen.
Des Weiteren wurde die lichtinduzierte Dynamik in halbleitenden SWNTs von der ps- bis zur µs-Zeitskala untersucht. Hier wurde ein umfassendes Bild zur Singulett- und Triplett-Exzitonendynamik in halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren gezeichnet, welches maßgeblich durch diffusionslimitierte Prozesse geprägt ist.
Abschließend wurde eine Methode vorgestellt, mit der sich Informationen zur Struktur von SWNT-Polymer-Komplexen und anderen supramolekularen Systemen gewinnen lassen. Diese basiert auf der Kombination von polarisationswinkelaufgelöster Absorptionsspektroskopie an anisotropen Proben und globaler Datenanalyse.
Die gesetzlich vorgeschriebene Nachsorge von Frühgeborenen in Deutschland beschränkt sich nach den Vorgaben des G-BA momentan auf eine Entwicklungstestung mit den Bayley Scales of Infant Development im Alter von zwei Jahren. Entwicklungsuntersuchungen zu einem späteren Zeitpunkt sind jedoch notwendig, da neurologische Folgen bzw. Auswirkungen dann besser beurteilt und gemessen werden können.
Die WUEP-KD ist eine neuropsychologische Testbatterie, die auf der CHC-Theorie basiert und den Vorteil einer guten Normierung und Validierung für deutsche Kinder, sowie einer kurzen Durchführungszeit hat. Außerdem wurden bereits langjährig Erfahrungen in der Anwendung bei Kindern mit anderen neuropsychologischen Problemen gesammelt.
Wir wendeten die WUEP-KD bei sechs bis acht Jahre alten Kindern an, die in den Jahren 2001 und 2002 in der Frauenklinik der Universität Würzburg mit einem Geburtsgewicht von unter 1500g zur Welt gekommen waren und in der Universitätskinderklinik Würzburg behandelt wurden. Weiterhin wurden zehn termingerecht geborene und gesunde Kinder im gleichen Alter untersucht.
Es stellte sich heraus, dass die Frühgeborenen, die an unserer Studie teilgenommen hatten, signifikant besser bei den BSID-II im Alter von zwei Jahren abgeschnitten hatten als diejenigen, die wir leider nicht von einer Teilnahme überzeugen konnten. Tendenziell zeigte sich in unserer Studie bezüglich der zentralen mentalen Leistungsfähigkeit dennoch eine geringere Leistung bei geringerem Gestationsalter und bzw. oder geringerem Geburtsgewicht. Die Ergebnisse des Untertests CPM, welcher die fluide Intelligenz abbildet, waren signifikant unterschiedlich beim Gruppenvergleich der Geburtsgewichte sowie des Gestationsalters. Somit konnten wir mit unserer Methodik ebenso wie in anderen Studien einen Unterschied in der kognitiven Leistung zwischen den VLBW-Kindern und den ELBW-Kindern im Alter von sechs bis acht Jahren nachweisen. Beim Vergleich mit den Untersuchungen im Alter von zwei bis drei Jahren konnten wir weitgehend eine gleichbleibende Leistung nachweisen, die Ergebnisse der Bayley-Scales und der mentalen Gesamtleistung der WUEP-KD korrelierten signifikant.
Um eine umfassende Diagnostik durchzuführen und weitere Intelligenzfaktoren nach der CHC-Theorie zu erfassen, werden in der WUEP-KD computerisierte Tests verwendet. Zur Messung der feinmotorischen Leistung wurde hierfür das Speed-Tapping verwendet, welches bisher nicht in der Untersuchung Frühgeborener angewandt wurde. Die feinmotorischen Fähigkeiten der Früh- und Reifgeborenen lagen durchschnittlich im Normbereich, jedoch hatten doppelt so viele Frühgeborene als Reifgeborene Defizite in der Feinmotorik. Insbesondere die ELBW-Kinder waren hiervon betroffen. Bei Betrachtung der Frühgeborenen konnte eine signifikante Korrelation zwischen dem Gestationsalter und der feinmotorischen Leistung nachgewiesen werden. Somit konnten wir nachweisen, dass ein geringeres Geburtsgewicht und Gestationsalter das Risiko erhöhen, feinmotorische Defizite im Schulalter nachweisen zu können – auch wenn keine höhergradigen intrakraniellen Blutungen im Neugeborenenalter aufgetreten waren und die kognitive Leistung zum Zeitpunkt der Untersuchung im Normbereich liegt. Die WUEP-KD kann zusätzlich im Bereich der motorischen Fähigkeiten Defizite aufdecken.
Die Aufmerksamkeitsleistung, gemessen mit dem CPT, lag im Normbereich, dennoch waren wiederum vermehrt Defizite bei den ELBW-Kindern und den Kindern mit einem Gestationsalter unter 29 SSW zu beobachten.
Um das Verhalten und die Lebensqualität der frühgeborenen Kinder einschätzen zu können, ließen wir die Eltern drei Fragebögen beantworten (CBCL, SDQ, KINDL-R). Hier konnten wir größtenteils keine signifikanten Unterschiede zwischen den Reif- und Frühgeborenen feststellen. Im Fragebogen zur Lebensqualität konnten bei den Frühgeborenen sogar signifikant bessere Ergebnisse in den Bereichen „Freunde“ und „Selbstwert“ nachgewiesen werden.
Die WUEP-KD stellt aus unserer Sicht eine geeignete Methodik dar, um frühgeborene Kinder in ihrer weiteren Entwicklung nachzuuntersuchen – sie basiert auf der CHC-Theorie, dem Goldstandard der Intelligenzdiagnostik, hat eine kurze Durchführungsdauer, es besteht eine langjährige Anwendung und Erfahrung in der Durchführung bei Kindern mit neuropsychologischer Problematik und hat die nun nachgewiesene Fähigkeit kognitive und motorische Defizite bei frühgeborenen Kindern aufzudecken. Hierdurch können die betroffenen Kinder in ihren Fähigkeiten und Grenzen besser eingeschätzt und somit gezielt betreut werden.
Um die Wirkungsgrade organischer Solarzellen weiter zu steigern, ist ein Verständnis der auftretenden Verlustmechanismen entscheidend. Im Vergleich zu anorganischen photovoltaischen Zellen sind in den organischen Halbleitern die durch Absorption erzeugten Elektron-Loch-Paare, die als Exzitonen bezeichnet werden, sehr viel stärker gebunden. Daher müssen sie an einer Heterogrenzfläche, gebildet durch ein Donator- und ein Akzeptormaterial, in freie Ladungsträger getrennt werden. Mit dem erforderlichen Transportweg an die Heterogrenzschicht sind Rekombinationsverluste der exzitonischen Anregungen verbunden, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher Prozesse resultieren und einen der Hauptverlustkanäle in organischen Solarzellen darstellen.
Aus diesem Grund wird der Fokus dieser Arbeit auf die Charakterisierung und mögliche Reduzierung solcher exzitonischen Verlustmechanismen gelegt. Als Modellsystem wird dazu eine planare Bilagen-Struktur auf Basis des Donatormaterials Diindenoperylen (DIP) und des Akzeptors Fulleren C60 verwendet. Durch die Kombination von elektrischen und spektroskopischen Messmethoden werden unterschiedliche exzitonische Verlustmechanismen in den aktiven Schichten charakterisiert und die zugrunde liegenden mikroskopischen Ursachen diskutiert. Dazu wird zuerst auf die strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften von DIP/C60-Solarzellen eingegangen. In einem zweiten Abschnitt werden die mikroskopischen Einflüsse einer Exzitonen blockierenden Lage (EBL, exciton blocking layer) aus Bathophenanthrolin (BPhen) durch eine komplementäre Charakterisierung von Photolumineszenz und elektrischen Parametern der Solarzellen untersucht, wobei auch die Notwendigkeit der EBL zur Unterbindung von Metalleinlagerungen in den aktiven organischen Schichten analysiert wird. Die anschließende Studie der Intensitäts- und Temperaturabhängigkeit der j(U)-Kennlinien gibt Aufschluss über die intrinsischen Zellparameter sowie die Rekombinationsmechanismen von Ladungsträgern in den aktiven Schichten. Ferner werden durch temperaturabhängige spektroskopische Untersuchungen der Photo- und Elektrolumineszenz der Solarzellen Informationen über die elektronischen Zustände der DIP-Schicht erlangt, die für Rekombinationsverluste der generierten Exzitonen verantwortlich sind. Zusätzlich werden Raman-Messungen an den Solarzellen und Einzelschichten diskutiert. In einer abschließenden Studie werden exzitonische Verluste unter Arbeitsbedingungen der Solarzelle durch Ladungsträgerwechselwirkungen in der Donator-Schicht quantifiziert. In dieser Arbeit konnten verschiedene relevante Verlustprozesse in organischen Solarzellen reduziert werden. Durch die Identifizierung der mikroskopischen Ursachen dieser Verluste wurde eine wichtige Voraussetzung für eine weitere Steigerung der Leistungseffizienz geschaffen.