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- B-1911-2015 (1)
- C-2593-2016 (1)
- D-1221-2009 (1)
- N-2030-2015 (1)
- N-3741-2015 (1)
Accurate information transfer between neurons governs proper brain function. At chemical synapses, communication is mediated via neurotransmitter release from specialized presynaptic intercellular contact sites, so called active zones. Their molecular composition constitutes a precisely arranged framework that sets the stage for synaptic communication.
Active zones contain a variety of proteins that deliver the speed, accuracy and plasticity inherent to neurotransmission. Though, how the molecular arrangement of these proteins influences active zone output is still ambiguous. Elucidating the nanoscopic organization of AZs has been hindered by the diffraction-limited resolution of conventional light microscopy, which is insufficient to resolve the active zone architecture on the nanometer scale. Recently, super-resolution techniques entered the field of neuroscience, which yield the capacity to bridge the gap in resolution between light and electron microscopy without losing molecular specificity. Here, localization microscopy methods are of special interest, as they can potentially deliver quantitative information about molecular distributions, even giving absolute numbers of proteins present within cellular nanodomains.
This thesis puts forward an approach based on conventional immunohistochemistry to quantify endogenous protein organizations in situ by employing direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM). Focussing on Bruchpilot (Brp) as a major component of Drosophila active zones, the results show that the cytomatrix at the active zone is composed of units, which comprise on average ~137 Brp molecules, most of which are arranged in approximately 15 heptameric clusters. To test for a quantitative relationship between active zone ultrastructure and synaptic output, Drosophila mutants and electrophysiology were employed. The findings indicate that the precise spatial arrangement of Brp reflects properties of short-term plasticity and distinguishes distinct mechanistic causes of synaptic depression. Moreover, functional diversification could be connected to a heretofore unrecognized ultrastructural gradient along a Drosophila motor neuron.
The increasing importance of environmental friendly and efficient transportation guides the interest of researchers and car manufacturers towards the development of technologies that support an efficient driving style.
This thesis presents the development of a traffic light assistance system with the focus on human factors. The system aims on supporting drivers in approaching traffic light intersections efficiently. In three driving simulator studies, the content related research covered the investigation of the unassisted driving task, the influence of the system on the driver’s perception of the interaction with other road users and the information strategy of the human machine interface. When the traffic light phase changes or when visibility is limited, drivers prepare driving behaviour that is not appropriate for the traffic light phase at arrival at the intersection. These situations offer the greatest potential for the assistance system. The traffic light assistant is able to change driving behaviour. However, the expectation of other road user’s emotional reactions influences driver compliance. In situations in which drivers expected to bother others with their driving behaviour, compliance to the traffic light assistant was low. Further, the deviations of driver behaviour from the target strategy of the traffic light assistant are lowest when the HMI includes the two information units target speed and action recommendations. Traffic light phase information in the HMI is a subjectively important information for drivers. The results point towards the presentation of all three information units.
The method related research covered the development of a method for measuring drivers’ information demand for dynamic stimuli. While driving, specific stimuli are action relevant for drivers, i.e. they need to be processed in order to decide on the appropriate driving behaviour. Eye tracking has been the standard method for measuring information demand while driving. The novel MARS (Masking Action Relevant Stimuli) method measures information demand by masking the dynamic action relevant stimulus in the driving environment or in the vehicle. To unmask the stimulus for a fixed interval, drivers press a button at the steering wheel. In the present thesis, two driving simulator studies evaluated the MARS method. They included measuring information demand for the traffic light phasing and the in-vehicle display of the traffic light assistant. The analyses demonstrate that variations in the experimental conditions influence the information demand measured with the MARS method qualitatively similar to the influences on fixations measured by eye tracking. Due to its simple application, the MARS method represents a promising tool for transportation research.
Protein-protein interactions play a crucial role in the development of drug delivery devices for the increasingly important biologicals, including antibodies, growth factors and cytokines. The understanding thereof might offer opportunities for tailoring carriers or drug proteins specifically for this purpose and thereby allow controlled delivery to a chosen target. The possible applications range from trigger-dependent release to sustained drug delivery and possibly permanently present stimuli, depending on the anticipated mechanism.
Silk fibroin (SF) is a biomaterial that is suitable as a carrier for protein drug delivery devices. It combines processability under mild conditions, good biocompatibility and stabilizing effects on incorporated proteins.
As SF is naturally produced by spiders and silkworms, the understanding of this process and its major factors might offer a blueprint for formulation scientists, interested in working with this biopolymer. The natural process of silk spinning covers a fascinating versatility of aggregate states, ranging from colloidal solutions through hydrogels to solid systems. The transition among these states is controlled by a carefully orchestrated process in vivo. Major players within the natural process include the control of spatial pH throughout passage of the silk dope, the composition and type of ions, and fluid flow mechanics within the duct, respectively. The function of these input parameters on the spinning process is reviewed before detailing their impact on the design and manufacture of silk based drug delivery systems (DDS). Examples are reported including the control of hydrogel formation during storage or significant parameters controlling precipitation in the presence of appropriate salts, respectively. The review details the use of silk fibroin to develop liquid, semiliquid or solid DDS with a focus on the control of SF crystallization, particle formation, and drug-SF interaction for tailored drug load.
Although we were able to show many examples for SF drug delivery applications and there are many publications about the loading of biologics to SF systems, the mechanism of interaction between both in solution was not yet extensively explored. This is why we made this the subject of our work, as it might allow for direct influence on pharmaceutical parameters, like aggregation and drug load.
In order to understand the underlying mechanism for the interaction between SF and positively charged model proteins, we used isothermal titration calorimetry for thermodynamic characterization. This was supported by hydrophobicity analysis and by colloidal characterization methods including static light scattering, nanoparticle tracking analysis and zeta potential measurements. We studied the effects of three Hofmeister salts – NaCl (neutral), NaSCN (chaotropic) and Na2SO4 (cosmotropic) – and the pH on the interaction of SF with the model proteins in dependence of the ratio from one to another. The salts impacted the SF structure by stabilizing (cosmotropic) or destabilizing (chaotropic) the SF micelles, resulting in completely abolished (cosmotropic) or strongly enhanced (chaotropic) interaction. These effects were responsible for different levels of loading and coacervation when varying type of salt and its concentration. Additionally, NaCl and NaSCN were able to prolong the stability of aqueous SF solution during storage at 25°C in a preliminary study.
Another approach to influence protein-protein interactions was followed by covalent modification. Interleukin-4 (IL-4) is a cytokine driving macrophages to M2 macrophages, which are known to provide anti-inflammatory effects. The possibility to regulate the polarization of macrophages to this state might be attractive for a variety of diseases, like atherosclerosis, in which macrophages are involved. As these cases demand a long-term treatment, this polarization was supposed to be maintained over time and we were planning to achieve this by keeping IL-4 permanently present in an immobilized way. In order to immobilize it, we genetically introduced an alkyne-carrying, artificial amino acid in the IL-4 sequence. This allowed access to a site-specific click reaction (Cu(I)-catalyzed Huisgen azide-alkyne cycloaddition) with an azide partner. This study was able to set the basis for the project by successful expression and purification of the IL-4 analogue and by proving the availability for the click reaction and maintained bioactivity. The other side of this project was the isolation of human monocytes and the polarization and characterization of human macrophages. The challenge here was that the majority of related research was based on murine macrophages which was not applicable to human cells and the successful work was so far limited to establishing the necessary methods.
In conclusion, we were able to show two different methods that allow the influence of protein-protein interactions and thereby the possible tailoring of drug loading. Although the results were very promising for both systems, their applicability in the development of drug delivery devices needs to be shown by further studies.
Einführung. In der vorliegenden Studie untersuchten wir durch funktionelle Nahinfrarotspektroskopie (fNIRS) präfrontale Hirnoxygenierung während Ableistung von Sprachaufgaben. FNIRS weist über Bestimmung von Konzentrationsunterschieden von sauerstoffbeladenes (OxyHb) und sauerstofffreies Hämoglobin (DeoxyHb) regionale Blutflussänderungen nach und lässt somit validen Rückschluss auf Hirnaktivität zu. Bereits in früheren Studien konnte nachgewiesen werden, dass Patienten mit Alkoholkrankheit verminderte präfrontale Hirnaktivität zeigen. Teil 2 der Studie untersucht den im Untersuchungsgebiet liegenden Schläfenmuskel (musculus temporalis) auf Einflüsse auf die Methode fNIRS.
Methoden. Wir verglichen 15 entgiftete Patienten mit Alkoholkrankheit (Patientengruppe, PG) mit passenden 15 gesunden Kontrollprobanden (Kontrollgruppe, KG)bezüglich deren Hirn- und Muskelaktivität während Ableistung Wortflüssigkeitsaufgabe (VFT; engl. Verbal Fluency Task). Bestimmte, insbesondere präfrontale Hirnareale wurden durch phonologische und semantische Testsaufgaben (TA´s), ebenso durch eine Kontrollaufgabe (KA), (Wochentag aufzählen) aktiviert. Durch EMG wurde während Durchführung der Aufgabe die Aktivität des musculus temporalis gemessen. Wir verwendeten zur Datenanalyse sowohl von fNIRS wie auch EMG eine 2x2x2x6 Varianzanalyse (ANOVA) mit Zwischensubjektfaktor „Gruppe“ und Innersubjektfaktoren „Bedingung“, „Seite“ und „Zeit“, gerechnet wurde dies für jeweils Oxy- und DeoxyHb sowie den phonologischen sowie semantischen Teil.
Ergebnisse. Beide Gruppen lieferten eine vergleichbare Menge an Worten, Hirnaktivierung zeigte sich bei beiden Gruppen signifikant höher in den Testaufgaben (phonologisch > semantisch). Die PG zeigte verminderte Hirnaktivierung präfrontal im phonologischen, vergleichbare Hirnaktivität im semantischen Teil. Beide Gruppen zeigten vergleichbare Muskelaktivität, jeweils signifikant höher in den jeweiligen Testaufgaben. Es zeigten sich keine systematischen Assoziationen (Korrelation nach Pearson) zwischen fNIRS und EMG.
Schlussfolgerungen. Insgesamt konnten vorherige Studien mit Nachweis niedrigerer präfrontaler Hirnoxygenierung bei entgifteten Patienten mit Alkoholkrankheit gegenüber gesunden Kontrollen bestätigt werden. Die Mehraktivierung beider Gruppen während phonologischer Aufgabe gründet in dem höheren intelektuellen Anspruch der Aufgabe, dies erklärt auch den Gruppenunterschied in speziell dieser Aufgabe. Durch eine vergleichbare Muskelaktivität der beiden Gruppen sowie fehlende Assoziationen zwischen fNIRS und EMG sehen wir keinen Einfluss von Muskelaktivität auf die Hirnaktivitätsmessung durch fNIRS. Auch eine valide Untersuchung von psychiatrisch kranken Probandengruppen wie Patienten mit Alkoholkrankheit ist hierdurch gut möglich. Die Studie befürwortet den künftigen Einsatz und weitere methodische Untersuchungen zur Messung mit fNIRS, einem validen, artefaktunempfindlichen, handlichen und relativ günstigen Messinstrument.
In diesem Band werden die Bedingungen erfolgreicher Förderung von Mädchen im Breiten- und Leistungsfußball dargestellt. Den Schwerpunkt bilden motorische und psychsoziale Unterschiede bei Mädchen und Jungen ab der frühen Kindheit. Es handelt sich um einen Forschungsüberblick, in dem alle wissenschaftlichen Erkenntnisse zu körperlichen, sportlichen und psychosozialen Unterschiede zusammengefasst sind, die für den Breiten- und Leistungsfußball relevant sind.
Dabei kann deutlich gemacht werden, dass der Mädchenfußball über teilweise völlig verschiedene Voraussetzungen verfügt als der Jungenfußball, die sich nicht nur auf motorische Fähigkeiten beziehen, sondern auch auf die bislang kaum beachtete Persönlichkeitsentwicklung von Mädchen und Jungen.
Mit diesem Abschlussbericht liegen die Ergebnisse der Begleitevaluation zur dritten Programmphase des „Mannheimer Unterstützungssystems Schule“ vor. Bei dieser Evaluation wird der Schwerpunkt auf ausgewählte MAUS-Schulen gelegt, die über ein spezifisches Profil in der Umsetzung des Konzepts verfügen. Dieses Profil wurde aus umfangreichen qualitativen Interviews der zweiten Programmphase von MAUS gewonnen.
Der Fokus auf ausgewählte Schulen erlaubt einen vertiefenden Blick in Gelingensbedingungen und Herausforderungen bei der Durchführung eines solchen Förderangebots. Befragt wurden ausgewählte Lehrkräfte, FörderlehrerInnen, Eltern und SchülerInnen mittels qualitativer Interviews. Zusätzlich wurde eine Stichprobe der Förderlehrkräfte anhand eines standardisierten Online-Fragebogens befragt.
Insgesamt ist festzuhalten, dass sich spezifische Gelingensbedingungen und Ansatzpunkte für eine Optimierung und Transferierbarkeit des Unterstützungssystems herauskristallisieren.
A series of combustion relevant species like radicals, carbenes and polycyclic aromatic hydrocarbons were characterized in the gas phase by vacuum UV synchrotron radiation and their ionization energies (IE) and further spectroscopic details of the respective cations were retrieved from threshold photoelectron spectra. The reactive intermediates were generated by flash vacuum pyrolysis from stable precursor molecules. Furthermore three polycyclic aromatic hydrocarbons were investigated by threshold photoelectron spectroscopy, too. The experiment was performed at the VUV beamline of the Swiss Light Source in Villigen/Switzerland and the iPEPICO (imaging photoelectron photoion coincidence) setup was applied to correlate ions and electrons from the same ionization event. From the threshold photoelectron spectra and from quantum chemical computations the vibrational structure of the molecule cations and the geometry changes upon ionization were assigned. The ionization energies of the two C4H5 isomers 2-butyn-1-yl and 1-butyn-3-yl were assigned to 7.94±0.02 eV and 7.97±0.02 eV, respectively. The isomerization between the two isomers was computed to have a barrier of 2.20 eV, so a rearrangement between the two radicals cannot be excluded. From the threshold photoelectron spectra of the two constitutional C4H7 isomers 1-methylallyl and 2-methylallyl the ionization energies were assigned to 7.48±0.02 eV and to 7.59±0.02 eV for 1-E-methylallyl and 1-Z-methylallyl, as well as to 7.88±0.01 eV for 2-methylallyl. The two radicals 9-fluorenyl, C13H9, and benzhydryl, C13H11, were observed to ionize at 7.01±0.02 eV and 6.7 eV. The threshold photoelectron spectrum of benzhydryl also incorporated the signal of the diphenylmethyl carbene, C13H10, which has an IE at 6.8 eV. In addition, the head-to-head dimers of 9-fluorenyl and benzhydryl were observed as products in the pyrolysis. C26H18 has an IE at 7.69±0.04 eV and C26H22 has an IE at 8.13±0.04 eV. The three polycyclic aromatic hydrocarbon DHP (C14H16) 1-PEN (C18H22) and THCT (C22H16) were investigated in an effusive beam. The ionization energies were determined to IE(DHP)= 7.38±0.02 eV, IE(1-PEN)=7.58±0.05 eV and IE(THCT)=6.40±0.02 eV. Furthermore the thermal decomposition and the dissociative photoionization of diazomeldrum’s acid was investigated. The pyrolysis products yielded beside several other products the two not yet (by photoelectron spectroscopy) characterized molecules E-formylketene, C3O2H2 and 2-diazoethenone, N2C2O. The dissociative photoionization showed the Wolff rearrangement to occur at higher internal energies.
Die Produktion von Abwehr-, Signal- und Botenstoffen sichert vielen Pflanzen und Mikroorganismen das Überleben in einer sich ständig wandelnden Umwelt mit zahlreichen Konkurrenten und Feinden. Diese Sekundärmetabolite können oft medikamentös gegen Pathogene eingesetzt werden, die den Menschen befallen und Krankheiten verursachen. Die Herausforderung besteht dabei in der selektiven und sensitiven Detektion, der schonenden Isolierung und der richtigen und kompletten Strukturaufklärung dieser Moleküle, sowie der eventuellen synthetischen Modifikation, um eine bessere Verträglichkeit oder Wirkung für den menschlichen Körper zu erreichen. Leistungsfähige chromatographische Instrumente zur Trennung wie HPLC und CZE, emfindliche Detektoren wie UV- und Massenspektrometer, sowie aussagekräftige Messverfahren zur Charakterisierung struktureller Merkmale wie NMR- und CD-Spektroskopie und quantenchemische Rechnungen sind dabei von essentieller Bedeutung.
Mit diesen – und weiteren – Methoden gelang in der vorliegenden Arbeit die Detektion, Isolierung und Strukturaufklärung neuer Naphthylisochinolin-Alkaloide aus zwei tropischen Ancistrocladus-Lianen, die Charakterisierung von bekannten und neuen Polyketiden aus einem Pilz der Gattung Streptomyces, sowie die Analyse von Glucosinolaten im Phloemsaft der Modellpflanze Arabidopsis thaliana.
Der Kehlkopf ist ein stimmerzeugendes knorpelhaltiges Organ und spielt eine wichtige Rolle in der Atemfunktion und beim aspirationsfreien Schluckakt. Funktionsstörungen des Kehlkopfs wie Stimmbandlähmungen werden durch Schädigungen des Kehlkopfnervs nach operativen Eingriffen und Halsverletzungen hervorgerufen. Des Weiteren führen durch Traumen, Teil- und komplette Resektionen verursachte Substanzdefekte des Kehlkopfs zu Funktionsverlusten. Die hierfür notwendigen und komplexen Rekonstruktionen werden durch das schlechte Regenerationspotential von Knorpelgewebe eingeschränkt und können nur bedingt durch synthetische Ersatzmaterialen oder körpereigenes Ersatzgewebe bewerkstelligt werden. Ist es möglich, mit Hilfe des Tissue Engineerings aus körpereigenen Stammzellen und biokompatiblen Trägermaterialien implantierbares Knorpelersatzgewebe herzustellen, welches zur dauerhaften Wiederherstellung der Kehlkopffunktionen eingesetzt werden kann? Die zusätzliche Markierung von Stammzellen mit superparamagnetischen Eisenoxidnanopartikeln (VSOP) als Zellmarker bietet die Möglichkeit der Detektion und der Verfolgung der Zellen mittels nicht-invasiver Nachweismethoden nach deren Implantation. Ist die Verwendung dieser Nanopartikel ohne negative Folgen für die Stammzellen möglich und sind diese für den Einsatz in der Laryngologie geeignet?
Fettgewebsstammzellen (ASC) wurden aus humanem Liposuktionsmaterial und Kaninchen-Nackenfett isoliert und expandiert. Die Zellen wurden in Hydrogelkombinationen aus Kollagen Typ-I, Agarose, Fibrin und Hyaluronsäure eingebettet und mit den chondrogenen Wachstumsfaktoren TGF-β3, BMP-6 und IGF-I über 14 Tage differenziert. Anschließend wurden diese Zell-Hydrogelkonstrukte bezüglich Morphologie, extrazellulärer Matrixanreicherung und knorpelspezifischer Genexpression histologisch, immunhistochemisch und molekularbiologisch analysiert. In einem weiteren Schritt wurden die Integration der Zell-Hydrogelkonstrukte in natives Knorpelgewebe sowie die Defektdeckung in einem in vitro- und einem in vivo-Knorpeldefektmodell mit vor- und nicht-vordifferenzierten Zell-Hydrogelkonstrukten untersucht. Die Analyse möglicher zyto- und genotoxischer Effekte von VSOP sowie des Einflusses der Markierung von ASC mit VSOP auf die Proliferation, Migration und das Multidifferenzierungspotential erfolgte nach der Markierung der Zellen mit unterschiedlichen VSOP-Konzentrationen. Außerdem wurden VSOP-markierte ASC in Kaninchenstimmlippen injiziert und die Nachweisbarkeit dieser Zellen im Injektionsareal histologisch und mittels Magnetresonanztomographie (MRT) untersucht.
Nach 14-tägiger chondrogener Differenzierung wurde in den Zell-Hydrogelkonstrukten eine knorpelähnliche Morphologie, die Anreicherung knorpelspezifischer Matrixproteine und die Expression chondrogener Markergene nachgewiesen. Die Kombination der chondrogenen Wachstumsfaktoren zeigte keinen verstärkenden Einfluss auf die Chondrogenese von ASC. Hydrogele aus Kollagen Typ I und Hyaluronsäure wiesen die stärkste extrazelluläre Matrixanreicherung auf. Bei den agarosefreien Hydrogelen war eine ausgeprägte Gelschrumpfung auffällig. In den beiden Knorpeldefektmodellen konnte weder eine Integration der Zell-Hydrogelkonstrukte in den Nativknorpel noch eine vollständige Defektdeckung nachgewiesen werden. Nach der Markierung von ASC mit VSOP zeigte sich bei der höchsten Konzentration von 1,5 mM eine genotoxische Wirkung. Zytotoxische Effekte sowie Einflüsse der Markierung auf die Proliferation, Migration und das Multidifferenzierungspotential von ASC waren nicht nachweisbar. VSOP-markierte ASC konnten nach deren Injektion in Kaninchenstimmlippen im Injektionsareal nur vereinzelt mittels MRT und histologisch nachgewiesen werden.
Es ist möglich, mit Hilfe des Tissue Engineerings aus körpereigenen Stammzellen und biokompatiblen Trägermaterialien implantierbares knorpelähnliches Gewebe herzustellen. Dabei begünstigen agarosefreie Trägermaterialien die chondrogene Differenzierung von ASC. Diese könnte durch die jeweilige Erhöhung der Zelldichte und Wachstumsfaktorkonzentrationen sowie die Verlängerung der Induktionszeit verstärkt werden. Eine mögliche klinische Anwendung dieser knorpelähnlichen Gewebe in der Laryngologie ist jedoch durch deren Schrumpfung wie auch mangelnde Integration und Defektdeckung noch weit entfernt. Aufgrund ihrer genotoxischen Wirkung kann eine Verwendung von VSOP als Zellmarker auch unterhalb von 1,5 mM ohne negative Folgen für den Organismus nicht sicher ausgeschlossen werden. Der inhomogene Gewebekontrast im Kehlkopf, die schlechte Auflösung im MRT und die geringe Größe von VSOP erschweren die Nachweisbarkeit und Verfolgung markierter Zellen mittels MRT. Daher sind andere nicht-invasive Nachweismethoden für die Verwendung von VSOP im Kehlkopf zu evaluieren. Der möglichen Anwendung dieser knorpelähnlichen Gewebe und VSOP in der rekonstruktiven Laryngologie muss eine erfolgreiche Optimierung und ausführliche positive Validierung in klinischen Tests vorausgehen.