Abteilung für Molekulare Innere Medizin (in der Medizinischen Klinik und Poliklinik II)
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TRAIL (TNF Related Apoptosis Inducing Ligand), ein Mitglied der TNF-Ligandenfamilie, wurde bislang hauptsächlich hinsichtlich seiner dominanten Funktion als Auslöser des apoptotischen Programms untersucht. In neueren Untersuchungen konnte allerdings gezeigt werden, dass TRAIL unter bestimmten Bedingungen auch eine starke Aktivierung nicht-apoptotischer Signalwege induzieren kann. Um die Mechanismen der TRAIL-induzierten nicht-apoptotischen Signaltransduktion genauer zu untersuchen, wurde in der hier vorliegenden Arbeit besonderes Augenmerk auf die TRAIL-vermittelte Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFkB und deren Modulation durch Interferon gamma und FLIP gelegt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass Interferon gamma, neben einer synergistischen Wirkung hinsichtlich der TRAIL-induzierten Apoptose, unter nicht-apoptotischen Bedingungen, die durch Caspase-Inhibition oder Bcl2-Überexpression geschaffen wurden, auch eine verstärkende Wirkung auf die TRAIL-induzierten NFkB-Aktivierung in KB-Zellen entfaltet. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass FLIP, ein Inhibitor der Caspase-8-Aktivierung, dessen Expression unter anderem durch Interferon gamma reguliert wird, neben einer Apoptose-inhibierenden Wirkung auch die TRAIL-induzierte NFkB-Aktivierung in KB-Zellen inhibiert, was auf eine gemeinsame Regulation beider Mechanismen auf der Ebene des DISC (Death Inducin Signaling Complex) hindeutet.
TNF-Liganden liegen primär in membranständiger Form mit trimerer Struktur vor und die meisten von ihnen können sekundär durch Metalloproteasen in lösliche trimere Liganden prozessiert werden. Während membranständige Formen der TNF-Liganden ihre korrespondierenden Rezeptoren aktivieren können, sind die löslichen Varianten einzelner TNF-Liganden unterschiedlich aktiv beziehungsweise inaktiv an den korrespondierenden Rezeptoren, obwohl sie ebenfalls zur Bindung in der Lage sind. Dies konnte bereits in Studien für TNF und TRAIL gezeigt werden. Die Unterschiede zwischen löslichen Varianten und der membranständigen Form des Liganden betreffen sowohl die Rezeptorselektivität als auch den Aktivierungsgrad am Rezeptor bis hin zu völliger Inaktivität der löslichen Form. Unterschiede finden sich jedoch nicht nur hinsichtlich der Aktivität, sondern auch in der Interaktion des Liganden mit dem Rezeptor. Für die membranständige und die lösliche Form von FasL konnten Unterschiede in der Notwendigkeit intrazellulärer Signalmoleküle bei der Ausbildung Ligand-induzierter Rezeptorsignalcluster gezeigt werden. Für die lösliche und membranständige Form des CD40L werden eine unterschiedliche Rezeptorinternalisierung und eine unterschiedliche Rekrutierung von TRAF-Molekülen angenommen. Bisherige Arbeiten zur Untersuchung der Rezeptor-Ligand-Interaktion stützen sich meist auf lösliche Varianten von TNF-Liganden, die durch artifizielle Multimerisierung oder Antikörper-induzierte Quervernetzung sekundär aktiviert werden müssen. Um für die Untersuchung der Rezeptor-Ligand-Interaktion in Zukunft realitätsnähere Bedingungen zu schaffen, sollten im Rahmen dieser Arbeit multifunktionelle Fusionsproteine des membranständigen FasL und CD40L hergestellt und charakterisiert werden. Die Fusionsproteine wurden im Rahmen der Klonierung so konstruiert, dass von der aminoterminalen Seite beginnend eine GST-Domäne, ein Flag-Tag, ein YFP-Tag und abschließend die vollständige membranständige Form des Liganden (FasL oder CD40L) aneinander gefügt wurden. In FACS-Analysen konnte sowohl die Funktion des YFP-Tag als auch die korrekte Expression des Liganden an der Zelloberfläche durch spezifische Antikörperfärbung nachgewiesen werden. Die funktionelle Aktivität der Liganden wurde durch IL-8-Induktion gezeigt, die eine Aktivierung des NFB-Signalweges durch die GST-Fusionsproteine des membranständigen FasL und des membranständigen CD40L beweist. Im Rahmen von Immunopräzipitationen wurde die Möglichkeit der Detektion der Fusionsproteine über ihr Flag-Tag getestet. Für das in GST-pull-down-Assays genauer untersuchte membranständige GST-Flag-YFP-CD40L-Fusionsprotein gelang eine Koimmunopräzipitation mit dem im Rezeptorkomplex gebundenen TRAF2. Für dieses in der Signaltransduktion des CD40 entscheidende Molekül konnte seine transiente Interaktion mit dem Rezeptorsignalkomplex sowie eine Veränderung in der Assoziation an den Rezeptor durch TNF-abhängige TRAF1-Induktion gezeigt werden. Im Zusammenhang der mit der Rezeptoraktivierung oftmals gleichgesetzten Bildung von Rezeptorsignalclustern durch den entsprechenden TNF-Liganden war die Beobachtung interessant, dass das Konstrukt GST-Flag-YFP-CD40L im Gegensatz zum analog konstruierten GST-Flag-YFP-FasL nicht in der Lage war, Signalcluster des korrespondierenden Rezeptors zu erzeugen, aber dennoch fähig war, eine Rezeptoraktivierung zu bewirken. Hinsichtlich der Untersuchung von Unterschieden in der Rezeptor-Ligand-Interaktion von löslichen und membranständigen Formen sind für FasL und CD40L noch viele Fragen offen, die beispielsweise auch die Stabilität von Rezeptorsignalclustern betreffen. Die in dieser Arbeit erzeugten und charakterisierten multifunktionellen Fusionsproteine sollten helfen, neue Erkenntnisse bezüglich der molekularen Grundlagen der Rezeptor-Ligand-Interaktion zu erzielen.
TNF wird zunächst als TypII-Transmembranprotein (mTNF) gebildet und erst anschließend durch spezifische Spaltung durch die Metalloprotease TACE zum löslichen Zytokin sTNF prozessiert. Da mTNF der alleinige Hauptaktivator des TNFR2 ist und sich bisherige Untersuchungen zum TNF-Signaling weitgehend auf sTNF konzentrierten, ist vergleichsweise wenig über TNFR2-vermittelte Signaltransduktion bekannt. An TNFR1 sind dagegen beide TNF-Varianten bioaktiv. Trotz intensiver Untersuchung des TNFR1-Signaling sind jedoch auch hier viele Fragen noch unbeantwortet. Derzeit existieren deshalb zum TNFR1-Signaling zwei verschiedene Modellvorstellungen nebeneinander. Im ersten Modell, dem Modell der Kompartmentalisation, bindet TRADD erst nach Rezeptorinternalisierung an TNFR1, genauso wie FADD und Caspase-8. Die Rezeptorinternalisierung nach Ligandenbindung gilt hier daher als Voraussetzung für die TRADD-Rekrutierung und für die Apoptoseinduktion. Im zweiten Modell, dem Modell zweier sequentiell arbeitender Signalkomplexe, bindet TRADD dagegen bereits im membrangebundenen Signalkomplex an TNFR1. Anschließend dissoziiert TRADD vom Rezeptor, um im Zytoplasma einen zweiten, apoptoseinduzierenden Komplex mit FADD und Caspase-8 zu formen. Um mehr über TNFR2 zu erfahren und um das TNFR1-Signaling besser zu verstehen, wurden in dieser Arbeit die Signaltransduktion und die Geninduktion über TNFR1 und TNFR2 nach Stimulation mit mTNF untersucht. Ziel war es letztlich, eine Methode zu etablieren, die es erlaubt, membrangebundene TNFR1- und TNFR2-Signalkomplexe getrennt zu isolieren. Dazu wurden zunächst nicht zu sTNF spaltbare TNFR1- bzw. TNFR2-spezifische mTNF-Varianten mit GST-Tag hinsichtlich Rezeptorbindung und Rezeptoraktivierung näher charakterisiert. Die selektive Bindung dieser mTNF-Varianten an TNFR1 bzw. TNFR2 konnte gezeigt werden. Auch der Nachweis ihre Funktionalität in Versuchen zur IL8-Induktion war möglich. Mit Hilfe der TNFR1-spezifischen mTNF-Variante gelang im GST-Fishing die Koimmunopräzipitation von TNFR1, TRADD und TRAF2 und damit die Isolierung des membrangebundenen Signalkomplexes des TNFR1. Mit Hilfe einer TNFR2-spezifischen Variante konnten dagegen TNFR2 und TRAF2 koimmunopräzipitiert werden, TRADD dagegen nicht. Somit ließen sich mit den rezeptorspezifischen Varianten von mTNF die Rezeptorsignalkomplexe des TNFR1 und TNFR2 getrennt isolieren. Interessant war dabei insbesondere die TRADD-Rekrutierung an TNFR1 im membrangebundenen TNFR1-Signalkomplex. Da die Internalisierung von TNFR1 nach mTNF-Stimulation schwer vorstellbar ist, bindet TRADD offensichtlich an TNFR1, ohne dass eine Rezeptorinternalisierung Voraussetzung wäre. Damit erscheint das Modell der Kompartmentalisation zumindest für mTNF wenig plausibel. Dagegen sind die bisher für mTNF erhobenen Daten mit einer TRADD-Dissoziation vom Rezeptor vereinbar, weshalb ein Modell zweier sequentiell arbeitender Signalkomplexe durchaus auch für mTNF Gültigkeit besitzen könnte.
Das Spurenelement Selen ist in den letzten Jahren in den Mittelpunkt klinischen Interesses gerückt. Diverse Krankheiten lassen sich mit einem Selenmangel in Verbindung bringen. In einigen Studien wird durch Selenzufuhr eine Senkung der Tumorinzidenz beobachtet und in der Intensivmedizin wird Natriumselenit zur Senkung der Mortalität bei akuter Pankreatitis oder bei der SIRS/ Sepsis verwendet. Um den Selenstatus von Patienten zu erfassen, wird in der Klinik die Routinemethodik der Atomabsorptionsspektrometrie mit Serumproben durchgeführt. In den Untersuchungen von Christina N. Stober [29] wird allerdings gezeigt, dass die Methode der Spektrofluorimetrie sehr gut mit diesem Verfahren konkurrieren kann und in einer optimierten Durchführung sogar einfacher und kostengünstiger ist. Diese optimierte Methode der Spektrofluorimetrie, die auf der Grundlage der Arbeit von Koh und Benson [27] entstand, wurde in der hier vorliegenden Promotionsarbeit auf die Anwendbarkeit mit Urinproben untersucht; In Ausführung eines Pilotprojektes wurde in dieser Arbeit der Selengehalt von 100 Kinderurinproben in Dreifachbestimmung untersucht. Einer der ersten Schritte war die Bestimmung der unteren Nachweisgrenze für Selenwerte in Urinproben. Mittels des sogenannten Inter-Assays, bei dem die Selenkonzentration derselben Urinproben an mehreren Tagen gemessen wur-den, wurde als untere Nachweisgrenze ein Wert der Selenkonzentration von 7,5 µg/l festgestellt. Selenkonzentrationen, die unter dieser Nachweisgrenze lagen, konnten mit der optimierten Analysemethode der Spektrofluorimetrie nicht präzise und reproduzierbar ermittelt werden. Bei der Mehrzahl der untersuchten Urine lag der Selengehalt über dieser unteren Nachweisgrenze von 7,5 µg/l, bewegte sich also in einem gut detektierbaren Messbereich. Nur bei drei Urinproben lag die Selenkonzentration unterhalb der Nachweisgrenze, bei allen restlichen Urinproben konnte der Selengehalt präzise und reproduzierbar mit der optimierten Methode erfasst werden. In 57 Prozent dieser Fälle bewegten sich die Messergebnisse im Wertebereich von 20 bis 35 µg/l. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte nachgewiesen werden, dass die optimierte Methode der Spektrofluorimetrie zur genauen Selenbestimmung in Urinproben geeignet ist. Der Hauptaspekt der Arbeit, die Anwendbarkeit des optimierten Analyseverfahrens auf Urinproben, wurde durch entsprechende Versuchsansätze auch statistisch untersucht. Um die optimierte Analysemethode für die Anwendung auf Urinproben zu validieren, wurden zunächst standardisierte externe Referenz-Urine gemessen, dann verschiedene organische Verbindungen auf ihren Selengehalt untersucht und schließlich überprüft, ob Störsubstanzen im Urin die Messergebnisse verfälschen. Im 1. Schritt wurden standardisierte Referenzsubstanzen reproduzierbar und mit statistisch definierter Richtigkeit vermessen. Damit wurden immanente systemische Fehler bei der Methodik ausgeschlossen. Aus den organischen Verbindungen Selenocystein und Selenomethionin konnte das Selen spektrofluorimetrisch zu beinahe 100% wiedergefunden werden. Da im Urin selenhaltige Aminosäuren wie Selenomethionin ausgeschieden werden, ist es von großer Wichtigkeit, dass das Messverfahren dieses in Bindung vorliegende Selen richtig erfasst. Die Richtigkeit der optimierten Methode der Spektrofluorimetrie bei der Messung der Selenkonzentration in Urinproben konnte somit nachgewiesen werden. In einem weiteren Versuchsansatz wurden die häufigsten Ionen im Urin, nämlich Kalium, Natrium und Phosphat, auf ihren möglichen Störeinfluss auf die Selenmessung hin untersucht. Albumin, das ebenfalls im Urin erscheint, wurde ebenfalls dieser Fragestellung unterzogen. In den mit den diversen Salzen ver-setzten Urinproben konnten bei der Selenmessung kein Störeinfluss beobachtet werden. Die Selenkonzentration der Urinproben mit dem zugesetzten Protein nahm entsprechend der Albuminmengen linear zu. Diese Beobachtung ließ sich direkt auf den im Albumin vorhandenen Selengehalt zurückführen. Damit war ein Störeinfluss des Albumins bei der Selenmessung ebenfalls ausgeschlossen. Neben der Untersuchung der Anwendbarkeit der optimierten Methode der Spektrofluorimetrie auf Urinproben, der Hauptaufgabenstellung dieser Promotionsarbeit, wurde auch - als Nebenaspekt - ein epidemiologischer Ansatz verfolgt: Um die regionale Selenversorgung in Franken zu untersuchen, wurden 100 Kinder-Urine aus einem Würzburger Gymnasium herangezogen. Aus den Messungen ließ sich für die Region Franken der Mittelwert 29,3 und die Stan-dardabweichung +/- 1,2 µg/l bei einem 95% Konfidenzintervall von 27,8 bis 30,8 µg/l für die Selenkonzentration in Urin angeben. Um aus diesem Mittelwert eine epidemiologisch fundierte Aussage über die Selenversorgung in Franken abzuleiten, war einerseits dieses Pilotprojekt mit 100 Proben noch zu klein, andererseits ist keine verbindliche untere Grenze für eine ausreichende Selenkonzentration im Urin bekannt. Über einen Selenmangel läßt sich bei fehlenden Vergleichsdaten kaum eine Aussage treffen. Standardwerte für den Selengehalt im Urin, die einen Selenmangel anzeigen würden, sind nicht bekannt. Nimmt man die Daten einer Untersuchung mit gesunden Kindern in Deutschland aus dem Jahre 1997 zum Vergleich, liegen die Messergebnisse dieser Arbeit im Durchschnitt etwas höher. Damit ist für die Region Franken eine bessere Selenversorgung zumindest im bundesweiten Vergleich gegeben. Eine Gruppe der Kinder wies eine auffällig höhere Selenversorgung auf. Dies könnte auf eine bessere Selenversorgung aufgrund hochwertigerer und ausgewogener Ernährung hinweisen. Vielleicht hatten diese Probanden aber nur unmittelbar vor der Urinabgabe selenhaltige Nahrung zu sich genommen. Die Jodkonzentrationen aus den vorliegenden pädiatrischen Urinproben waren aus einer früheren Studie bekannt. Beim Vergleich der Selen- mit den Jod-Daten war eine Korrelation erkennbar, jedoch lag der Wert des Korrelationskoeffizienten unter 0,8 und war damit für eine fundiere Aussage statistisch unzureichend. Nur ein einziger Proband fiel bei einer mittleren Selenkonzentration durch eine auffällig hohe Jodkonzentration auf. Dies könnte man durch eine Jod-Supplementation dieses Schülers erklären. Die Frage, ob Selen im Urin aussagekräftig für den gesamten Selenhaushalt des Körpers ist, muss weitergehend untersucht werden. In der Fachliteratur wird der Selengesamtstatus oft mit den Serumwerten veranschaulicht. Unklar ist, ob Selen entsprechend der Höhe im Blut auch im Urin erscheint. Hierzu wurde ein Versuchsansatz in beschränktem Umfang mit 13 Probanden durchgeführt; es wurden die Selenkonzentrationen im Urin und im Serum der Probanden miteinander verglichen. Ein signifikanter Zusammenhang war jedoch nicht ersichtlich. Diese Schlussfolgerung ist aufgrund der geringen Probenzahl allerdings nicht ausreichend fundiert und bedarf eines umfangreicheren Experimentes. In einer groß angelegten Untersuchung wird bei Combs et al. [60] eine positive Korrelation zwischen der Selenzufuhr und der Ausscheidung im Urin beschrieben. Allerdings wurden nicht die Selenwerte im Blut und Urin miteinander verglichen. So könnte das aufgenommene Selen auch zunächst in die organischen Selenspeicher gelangen und demzufolge nur das überflüssige Selen im Harn erscheinen. Für weitere Experimente in diese Richtung ist die Selenmessung im 24-Stunden-Urin und in mehreren, über den Tag hinweg gewonnenen Blutproben zu empfehlen, da Messungen im Blut und Urin sonst nur Momentanaufnahmen darstellen. Die Hauptmotivation dieser Promotionsarbeit war der Nachweis, dass die optimierte Methode der Spektrofluorimetrie zur genauen Messung des Selengehaltes in Urinproben geeignet ist. Da von Kindern leichter Urin als Blut abgenommen werden kann, ist eine solche Selenmessung in Urin generell von Vorteil. Mit diesem Nachweis ist die Voraussetzung geschaffen, weitergehende epidemiologische Untersuchungen durchzuführen. Im Ausblick auf zukünftige epidemiologische Untersuchungen könnten die Proben mit wenig Aufwand gewonnen werden und es wären auch mehr Probanden zur Teilnahme bereit. Da die wichtige Frage nach der Aussagefähigkeit der Selenkonzentration im Urin in Bezug zum Selen-Gesamtkörperstatus in dieser Arbeit nicht hinreichend geklärt werden konnte, müssen zunächst weitergehende einschlägige Untersuchungen zu dieser wichtigen Fragestellung durchgeführt werden.
Ziel der Arbeit war die Untersuchung der Fragestellung, ob eine parakrin gesteuerte Kommunikationsebene zwischen thyrotropen TaT1-Zellen und follikulostellaren TtT/GF-Zellen der Hypophyse besteht. Es konnten gegenseitig modulierende Effekte von TtT/GF- und TaT1-Zellen beobachtet werden, die bei der Entstehung und/oder Aufrechterhaltung eines gestörten TSH Feedback in pathologischen Zuständen beteiligt sein könnten. Die daraus folgenden Veränderungen in den Funktionen auf der Ebene der Hypothalamus-Hypophysen-Schilddrüsen-Achse unterstreichen die wichtige Funktion der Hypophyse als übergeordnetes Organ in der Regulation von Körperfunktionen. Zudem lassen die gewonnenen Daten auch im Zusammenhang mit anderen verfügbaren Modellen darauf schließen, dass es eine wichtige Kommunikationsebene gibt zwischen Immunsystem und der Schilddrüsenhormonachse, die in bestimmten Situationen wie z.B. Stress, Infektionen und Entzündungssituationen beide Systeme auf der Ebene der Adenohypophyse miteinander interagieren lassen.
Das Spurenelement Selen hat in den vergangenen Jahren zunehmend an klinischer Relevanz gewonnen, da einige Krankheiten mit einem Selenmangel in Verbindung gebracht werden konnten. Um den Selenstatus eines Individuums erfassen zu können und gegebenenfalls eine Selen-Substitution einzuleiten, bedarf es einer Methode, die genau, einfach und im klinischen Alltag einsetzbar ist. Die bislang üblichen Verfahren der AAS sind relativ teuer bei der Geräteanschaffung und im Vergleich zu der hier vorgestellten optimierten spektrofluorimetrischen Methode ungenauer. Das derzeit genaueste Verfahren zur quantitativen Selenbestimmung, die NAA, ist aufgrund des immensen zeitlichen Aufwands und hoher Kosten für die klinische Routine ungeeignet. In dieser Arbeit wurde die erstmals von Koh und Benson [56] beschriebene spektrofluorimetrische Methode zur Selenbestimmung so modifiziert und optimiert, dass eine für die klinische Selenbestimmung biologischer Proben geeignete, genaue Methode resultierte. Das zur Bestimmung eingesetzte Volumen an Serum konnte gegenüber dem von Koh und Benson [56] beschriebenen Verfahren um mehr als die Hälfte reduziert werden. Außerdem wurden in dieser Arbeit nur 400 µL einer Selen-Standardprobe im Gegensatz zu dem von Koh und Benson [56] eingesetzten 1 mL verwendet. Durch das geringere Probenvolumen war 1 mL der Säuremischung zum Aufschluss der Proben ausreichend. Die Schritte der Inkubation wurden verkürzt und mittels eines Heizblocks dahingehend vereinfacht, dass Inkubationen im Wasserbad überflüssig waren. Unnötige Wartezeiten durch Vorheizen des Heizblocks wurden ausgelassen. Außerdem wurde die Temperatur auf 190 °C reduziert, weil sie für den Probenaufschluss ausreichend war. Da bei dieser Temperatur die Teflon-beschichteten Deckel der Probenröhrchen geschont wurden, konnten sie für mehrere Versuchsreihen eingesetzt werden. Dies führte zu einer weiteren Kosteneinsparung. Bei der Zugabe von rauchender Salzsäure zu den Proben wurden potenzielle Selenverluste durch Ausspülen der Deckel vermieden. Die Reduktion erfolgte mit offenen Probenröhrchen, was zusätzlich das Abrauchen von überschüssiger Salpetersäure bewirkte. Die Waschvorgänge der DAN-Lösung konnten auf 3 Durchgänge reduziert werden, da sich die Ergebnisse gut mit den Resultaten decken, die man mit den von Koh und Benson [56] verwendeten 4 Waschvorgängen erhielt. Die in der Literatur widersprüchlich diskutierte Frage eines pH-Wert-Einflusses auf die Piazselenolbildung wurde auch für die hier beschriebene Methode erörtert. In Übereinstimmung mit Koh und Benson [56] wurde auch bei der optimierten Methode keine Einstellung des pH-Wertes vorgenommen. Im Gegensatz zu der von Koh und Benson [56] beschriebenen Methode erfolgte in dem hier beschriebenen Verfahren die Zugabe von Cyclohexan zur Extraktion erst nach der Piazselenolbildung, da dadurch die Werte der Standardabweichung erheblich gesenkt werden konnten. Die weitere Optimierung des Extraktionsprozesses beinhaltete den zusätzlichen Gebrauch eines Vibrofix. Entgegen der von Koh und Benson [56] postulierten Unabhängigkeit des Piazselenols gegenüber Lichteinwirkung, ergaben die Untersuchungen zur Lichtempfindlichkeit in dieser Arbeit, dass das Piazselenol direkter Lichteinwirkung nicht ausgesetzt werden sollte. Aus diesem Grund empfiehlt es sich auch, die spektrofluorimetrische Messung derselben Probe nur ein Mal durchzuführen. Die Einstellungen des Perkin-Elmer Modells zur spektrofluorimetrischen Messung erwiesen sich als optimal bei einer Spaltbreite für die Excitation von 2,5 nm, einer Spaltbreite für die Emission von 10 nm, 364 nm für die Excitation, 520 nm für die Emission und einer Integrationszeit von 1 Sekunde. Die Versuche zur Validierung zeigten, dass die hier beschriebene Methode eine zuverlässige und gut reproduzierbare Bestimmung der Selenkonzentration ermöglicht, deren Ergebnisse gut mit denen von standardisierten Referenzsubstanzen übereinstimmen. Ein Selenverlust tritt nicht auf; zu den Proben zugesetztes Selen wird vollständig nachgewiesen. Auch in organischen Verbindungen gebundenes Selen kann gänzlich aus den Verbindungen gelöst und nachgewiesen werden.