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Deciphering the Molybdenum Mediated Synthesis of Pentathiepines: a Synthetic Approach with Mechanistic Insights
Full text linkPentathiepines are naturally occurring polysulfides of pharmacological relevance. Among their artificial analogues, the 1,2,3,4,5-pentathiepino[6,7-a]indolizines (iPTEs) stand out for their facile synthesis, broad functionalization potential of the indolizine core and promising biological activity. In this work, their molybdenum-mediated formation was comprehensively investigated by addressing the roles of all three reaction partners: the functionalized 2-alkynylpyridine precursors bearing a terminal 3,3-diethoxy-substituted propargyl aldehyde fragment (REPy), the tetraethylammonium oxobis(tetrasulfido)molybdate complex (MoOBTS), and elemental sulfur (S₈), to decipher their respective contributions to iPTE formation.
The role of MoOBTS was established as that of a mediator in the generation of reactive sulfur species rather than a direct reactant with REPy. While the reaction can proceed with elemental sulfur alone at temperatures above 80 °C, the presence of MoOBTS remains crucial to ensure efficient conversion and satisfactory yields under mild conditions.
Building on these mechanistic insights, fifteen new iPTEs were rationally designed and synthesized, featuring systematically varied substituents on both the pyridine ring and the propargylic -CH(OEt)2 position of REPys to probe the effects of electronic modulation on reactivity and applied conditions. Variation of the pyridine substituents (-H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -Me, -CN, -CHO), introduced predominantly in the para position relative to the alkynyl group, revealed correlations between substituent properties, reaction conditions, and outcomes that are yet to be fully understood. One most significant finding was the possibility of performing the reaction under ambient atmosphere, without the need for anhydrous solvents or inert gases. Computational studies and preliminary QSAR models both supported these observations and provided insight into the likely reaction outcomes.
Modification at the propargylic position -CH(OEt)2, site, achieved by formally replacing one -OEt with alternative -R groups (-Me, -Ar and -O(CH2)nOH with n = 2,3) was introduced for the first time. This approach expanded the accessible chemical space of the pyrrolic ring within the indolizine scaffold and provided mechanistic evidence for a delocalized carbocation intermediate.
Few selected iPTEs were evaluated for their cytotoxic activity against A549, HCT116, MCF7, and MDA-MB-231 cancer cell lines, as well as the non-malignant CR9 fibroblast line. Derivatives bearing hydrophilic substituents exhibited the most promising profiles, showing pronounced cytotoxicity, apoptosis induction, and inhibition of metastatic potential, confirming previous findings and providing additional evidence supporting their potential use as drug candidates. Preliminary assays also indicated intracellular sulfide ion (S2-) formation.
This work expands the synthetic scope and mechanistic understanding of indolizine-based pentathiepines and underscores their promise for future pharmaceutical developmentPentathiepine sind natürlich vorkommende Polysulfide von pharmakologischem Interesse. Unter ihren künstlichen Analoga zeichnen sich die 1,2,3,4,5-Pentathiepino[6,7-a]indolizine (iPTEs) durch eine unkomplizierte Synthese, eine breite Funktionalisierbarkeit des Indolizin-Kerns sowie vielversprechende biologische Aktivität aus. In der vorliegenden Arbeit wurde ihre molybdänvermittelte Synthese umfassend untersucht, wobei die Rollen aller drei Reaktionspartner – der funktionalisierten 2-Alkinylpyridin-Vorstufen mit einem terminalen, 3,3-diethoxy-substituierten Propargylaldehyd-Fragment (REPy), des Tetraethylammonium-oxobis(tetrasulfido)molybdat-Komplexes (MoOBTS) und des elementaren Schwefels (S8), im Hinblick auf ihren jeweiligen Beitrag zur iPTE-Bildung entschlüsselt wurden.
MoOBTS konnte als Mediator für die Erzeugung reaktiver Schwefelspezies identifiziert werden, nicht jedoch als direkter Reaktionspartner von REPy. Obwohl die Reaktion auch allein mit elementarem Schwefel bei Temperaturen über 80 °C ablaufen kann, ist die Anwesenheit von MoOBTS entscheidend, um eine effiziente Umsetzung und zufriedenstellende Ausbeuten unter milden Bedingungen zu gewährleisten.
Auf Grundlage dieser mechanistischen Erkenntnisse wurden fünfzehn neue iPTE-Derivate konzipiert und synthetisiert, wobei die Substituenten sowohl am Pyridinring als auch an der propargylischen –CH(OEt)2-Position der REPy-Vorstufe systematisch variiert wurden, um den Einfluss elektronischer Modulation auf Reaktivität und Reaktionsbedingungen zu untersuchen. Die Variation der Pyridin-Substituenten (-H, -F, -Cl, -Br, -I, -NO2, -Me, -CN, -CHO), überwiegend in para-Position zur Diethoxypropargyl-Aldehyd-Gruppe eingeführt, zeigte Korrelationen zwischen Substituenteneigenschaften, Reaktionsbedingungen und Produkten, die bislang nicht vollständig verstanden sind. Die wichtigste Erkenntnis war die Möglichkeit, die Reaktion unter Umgebungsatmosphäre durchzuführen, ohne wasserfreie Lösungsmittel oder Inertgase verwenden zu müssen. Rechenchemische Untersuchungen und vorläufige QSAR-Modelle bestätigten diese Beobachtungen und lieferten zusätzliche Einblicke in die wahrscheinlichen Reaktionsverläufe.
Die erstmalige Modifikation an der propargylischen -CH(OEt)2-Position durch den formalen Austausch einer -OEt-Gruppe gegen alternative -R-Substituenten (-Me, -Ar und -O(CH2)nOH mit n = 2, 3) erweiterte den zugänglichen chemischen Spielraum um den Pyrrol-Ring innerhalb des Indolizin-Gerüsts und lieferte mechanistische Hinweise auf ein delokalisiertes Carbokation-Zwischenprodukt.
Eine Auswahl der synthetisierten iPTEs wurde hinsichtlich ihrer zytotoxischen Aktivität gegenüber den Krebszelllinien A549, HCT116, MCF7 und MDA-MB-231 sowie der nicht-malignen Fibroblastenlinie CR9 untersucht. Verbindungen mit hydrophilen Substituenten zeigten die vielversprechendsten Profile mit ausgeprägter Zytotoxizität, Apoptose-Induktion und Hemmung des metastatischen Potenzials. Diese Ergebnisse bestätigen frühere Befunde und liefern zusätzliche Anhaltspunkte für das pharmakologische Potenzial dieser Verbindungen als Wirkstoffkandidaten. Erste Untersuchungen deuteten zudem auf die intrazelluläre Bildung von Sulfid-Ionen (S2⁻) hin.
Diese Arbeit erweitert den synthetischen und mechanistischen Kenntnisstand über Indolizin-basierte Pentathiepine und unterstreicht deren Potenzial als schwefelreiche Gerüste für zukünftige pharmazeutische Entwicklunge
Ultraschallbasierte Bestimmung der zerebrovaskulären Pulsatilität als Prädiktor eines postoperativen Delirs und Assoziation zu präoperativen kognitiven Funktionsstörungen
Full text linkHintergrund
Das postoperative Delir (POD) ist eine häufige und schwerwiegende Komplikation bei älteren Patienten nach elektiven Operationen, die kurz- und langfristige kognitive Einschränkungen verursacht. Ziel dieser Studie war es, den Pulsatilitätsindex (PI) als prädiktiven Marker für das POD-Risiko zu bewerten und seinen Zusammenhang mit präoperativen kognitiven Defiziten und strukturellen Hirnveränderungen zu untersuchen.
Methoden
Es wurde eine prospektive, monozentrische Beobachtungsstudie mit 99 Patienten (≥60 Jahre) durchgeführt, die sich elektiven Wirbelsäulenoperationen unterzogen. Der PI wurde mittels präoperativem zerebrovaskulärem Ultraschall gemessen. Zusätzliche Daten wurden aus kognitiven Tests (Consortium to Establish a Registry for Alzheimer's Disease-Plus-Batterie) und struktureller Magnetresonanztomographie (sMRT) erhoben. Logistische Regression und Receiver Operating Characteristic (ROC)-Analysen wurden zur Bewertung des PI als Prädiktor für ein POD verwendet.
Ergebnisse
Ein erhöhter PI war signifikant mit einem höheren POD-Risiko assoziiert (ORadj = 6.38, p = 0.005). Die diagnostische Genauigkeit des PI war moderat (AUC = 0.74). Zudem korrelierte der PI negativ mit kognitiven Testergebnissen und positiv mit periventrikulären White-Matter-Läsionen in der sMRT.
Diskussion & Zusammenfassung
Der PI ist ein vielversprechender Marker zur Vorhersage von POD und bietet Einblicke in zugrunde liegende pathophysiologische Mechanismen. Die Integration des PI in präoperative Assessments könnte die Identifikation von Hochrisikopatienten verbessern und gezielte präventive Maßnahmen ermöglichen. Weitere Studien sind notwendig, um diese Erkenntnisse in größeren Kohorten zu validieren.Background
Postoperative delirium (POD) is a common and serious complication in older patients after elective surgeries. It leads to both short- and long-term cognitive impairment. This study aimed to evaluate the pulsatility index (PI) as a predictive marker for POD risk and its association with preoperative cognitive deficits and structural brain changes.
Methods
A prospective monocentric observational study included 99 patients (≥60 years) undergoing elective spine surgery. PI was measured via preoperative cerebrovascular ultrasound. Additional data included cognitive testing (Consortium to Establish a Registry for Alzheimer's Disease-Plus battery) and structural magnetic resonance imaging (MRI). Logistic regression and Receiver Operating Characteristic (ROC) analyses were conducted to evaluate PI as a POD predictor.
Results
Elevated PI was significantly associated with higher POD risk (ORadj = 6.38, p = 0.005). The diagnostic accuracy of PI was moderate (AUC = 0.74). PI correlated negatively with cognitive test scores and positively with periventricular white-matter lesions on MRI.
Discussion & Summary
PI is a promising marker for predicting POD and provides insights into underlying pathophysiological mechanisms. Integrating PI into preoperative assessments could improve the identification of high-risk patients and enable targeted preventive strategies. Further studies are needed to validate these findings in large
Von der traditionellen Nutzung zur modernen Phytotherapie: Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit von Droserae herba
Full text linkDie zunehmende wissenschaftliche Untersuchung traditionell genutzter Arzneipflanzen verdeutlicht den Wandel hin zu einer modernen, evidenzbasierten und qualitätsgesicherten Phytotherapie. Eine verlässliche Bewertung von Qualität, Wirksamkeit und Unbedenklichkeit pflanzlicher Zubereitungen setzt eine analytisch gesicherte Bestimmung von Identität, Reinheit und Gehalt der eingesetzten Droge voraus. Das Europäische Arzneibuch (Ph. Eur.) dient dabei als verbindlicher Standard für pflanzliche Ausgangsstoffe und definiert spezifische Prüfmethoden zur Qualitätssicherung. Von zentraler Bedeutung ist die Quantität wirksamkeitsbestimmender Inhaltsstoffe, sowohl für die Standardisierung von Phytopräparaten als auch für deren pharmakologische und toxikologische Bewertung.
Pflanzeninhaltsstoffe, insbesondere in komplexen Extrakten, zeichnen sich durch eine hohe strukturelle Vielfalt aus und können gleichzeitig mehrere molekulare Strukturen angreifen. Drosera rotundifolia L., der Rundblättriger Sonnentau, enthält eine charakteristische Kombination aus Flavonoiden und Naphthochinonen, die antibakterielle, antioxidative und spasmolytische Wirkungen zeigen. Diese bilden die pharmakologische Grundlage für die traditionelle Anwendung bei Atemwegserkrankungen. Die medizinische Nutzung wird jedoch durch den drastischen Rückgang natürlicher Bestände infolge jahrzehntelanger Moorentwässerung zunehmend eingeschränkt. Politische Initiativen zur Renaturierung, etwa die Verordnung der Europäischen Union über die Wiederherstellung der Natur (Nature Restoration Law), eröffnen neue Perspektiven für eine nachhaltige Kultivierung.
Zugleich rückt die pharmakologische Erforschung pflanzlicher Naturstoffe angesichts der globalen Ausbreitung multiresistenter Erreger zunehmend in den Fokus. Ein besonders dringliches Anwendungsfeld stellt die Behandlung rezidivierender Harnwegsinfektionen dar, die häufig durch multiresistente Escherichia (E.) coli-Stämme verursacht werden und bei denen die Bildung bakterieller Biofilme maßgeblich zu Therapieversagen und chronischen Verläufen beiträgt.
Ziel dieser Dissertation ist es, die pharmazeutische Anwendung von Drosera rotundifolia auf eine wissenschaftlich fundierte Grundlage zu stellen, ihr pharmakologisches Potenzial zu untersuchen und eine Basis für eine qualitätsgesicherte, therapeutische Nutzung zu schaffen. Die Arbeit folgt einem integrativen Forschungsansatz, der sich in drei übergeordnete Schwerpunkte gliedert: (i) die Entwicklung analytischer Qualitätskriterien auf Grundlage der Methodik des Europäischen Arzneibuchs, (ii) die funktionelle Charakterisierung der bioaktiven Komponenten im Hinblick auf antimikrobielle, antivirulente und antiinflammatorische Effekte sowie (iii) eine erste toxikologische Bewertung der untersuchten Extrakte, Fraktionen und Einzelsubstanzen.
Zur Umsetzung der Zielstellung kamen analytische und bioanalytische Verfahren zum Einsatz. Als Ausgangsmaterial diente Drosera rotundifolia, kultiviert auf wiedervernässten Torfmoosflächen in Norddeutschland. Nach Gewinnung der Extrakte mittels Ultraschallextraktion erfolgte die quantitative Bestimmung charakteristischer Flavonoide und Naphthochinone durch HPLC-Analyse. Das antimikrobielle und antivirulente Potenzial der Extrakte wurde mithilfe von in vitro Modellen untersucht. Aufbauend auf den Ergebnissen in den biologischen Modellen wurde eine bioaktivitätsgeleitete Fraktionierung durchgeführt, um aktive Fraktionen und Einzelsubstanzen zu isolieren und näher zu charakterisieren. Ergänzend wurden erste toxikologische Bewertungen anhand standardisierter MTT-Zytotoxizitätstests an Epithelzellen, in einem 3D-Zellmodell sowie im Galleria mellonella-Modell durchgeführt.
Die Extrakte zeigten eine antimykotische Wirkung gegen Candida albicans und Candida maltosa, antiinflammatorische Effekte durch Hemmung der Cyclooxygenase-Aktivität sowie eine biofilmhemmende Wirkung gegenüber drei multiresistenten E. coli-Stämmen. Diese Effekte waren überwiegend auf den hohen Gehalt an Flavonoiden zurückzuführen. Aufgrund der besonderen klinischen Relevanz bakterieller Biofilme, lag ein Schwerpunkt der Untersuchungen auf der biofilmhemmenden Wirkung. Proteomanalysen zeigten eine erhöhte Abundanz von Proteinen, die an der Synthese und Aufnahme des Siderophors Enterobactin beteiligt sind. Da Siderophore pathogenen Mikroorganismen die Eisenaufnahme in der eisenlimitierten Wirtsumgebung ermöglichen, gelten sie als Virulenzfaktoren. Eine gezielte Störung dieses Systems stellt somit einen vielversprechenden Ansatz zur Schwächung der bakteriellen Virulenz insbesondere uropathogene E. coli-Stämme, dar.
Die Zytotoxizitätsuntersuchungen zeigte eine insgesamt geringe Toxizität der Extrakte, wobei die Naphthochinone 7-Methyljuglon und Plumbagin im Zellmodell schädigende Effekte aufwiesen. Die Erkenntnisse aus Wirksamkeits- und Unbedenklichkeitsuntersuchungen wurden in die erarbeitete Qualitätskontrolle integriert. Für die Flavonoide wurde ein Mindestgehalt festgelegt, da sie für die biofilmhemmende Wirkung von Bedeutung sind. Zudem eignet sich der vergleichsweise hohe Flavonoidgehalt und das spezifische Flavonoidmuster von Drosera rotundifolia als Unterscheidungsmerkmal gegenüber anderen Drosera-Arten. Bei den Naphthochinonen wurden Mindest- und Höchstgehalte definiert, wodurch sowohl ihr Beitrag zur Wirksamkeit als auch ihr toxisches Potenzial berücksichtig werden. Die verwendeten Methoden ermöglichten eine verlässliche Bestimmung von Identität, Reinheit und Gehalt und tragen zur Abgrenzung von Drosera rotundifolia gegenüber anderen Sonnentauarten bei.
Zusammenfassend leistet diese Dissertation einen Beitrag zur wissenschaftlichen Bewertung einer ökologisch gefährdeten, pharmakologisch jedoch vielversprechenden Arzneipflanze. Durch die Kombination aus analytischer Qualitätskontrolle, pharmakologischer Grundlagenforschung und einer ersten toxikologischen Bewertung wird eine fundierte Basis für die Entwicklung antivirulenter Phytotherapeutika geschaffen. Die Verwendung von nachhaltig kultiviertem Drosera rotundifolia auf wiedervernässten Moorflächen ermöglicht nicht nur eine ressourcenschonende Nutzung, sondern trägt auch zum Erhalt von Ökosystemen, Biodiversität und Klima bei. Damit steht diese Arbeit exemplarisch für einen integrativen Forschungsansatz im Sinne des One-Health-Konzepts, das die Gesundheit von Mensch, Tier und Umwelt als untrennbar miteinander verbunden begreift.The increasing scientific investigation of traditionally used medicinal plants reflects a shift toward modern, evidence-based, and quality-assured phytotherapy. A reliable assessment of the quality, efficacy, and safety of phytopharmaceuticals requires analytically verified determination of the identity, purity, and content of the herbal drugs used. The European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) serves as a binding standard for herbal drugs and defines specific analytical methods for quality assurance. A key aspect is the quantification of active compounds, which is essential for both the standardization of phytopharmaceuticals and for their pharmacological and toxicological evaluation.
Plants compounds, especially when combined in complex extracts, are characterized by high structural diversity and can target multiple molecular structures simultaneously. Drosera rotundifolia L., round-leaved sundew, contains a characteristic combination of flavonoids and naphthoquinones, which exhibit antibacterial, antioxidant, and spasmolytic effects. These compounds form the pharmacological basis for the plant’s traditional use in the treatment of respiratory diseases. However, its medicinal use has become increasingly restricted due to the significant decline in wild populations caused by decades of peatland drainage. Political initiatives for ecological restoration, such as the European Union’s Nature Restoration Law, open new perspectives for sustainable cultivation.
In view of the global spread of multidrug-resistant pathogens, the pharmacological investigation of natural products is becoming a focus of research. A particularly relevant therapeutic area is the treatment of recurrent urinary tract infections, which are often caused by multidrug-resistant Escherichia (E.) coli strains. In these cases, the formation of bacterial biofilms significantly contributes to therapeutic failure and chronic progression.
The aim of this thesis is to provide a scientific basis for the use of Drosera rotundifolia in medicine, to explore its pharmacological potential, and to support its standardized and quality-assured therapeutic use. This work follows an integrative research approach, organized around three main thematic areas: (i) the development of analytical quality criteria based on the methodology of the European Pharmacopoeia, (ii) the functional characterization of bioactive compounds with regard to antimicrobial, antivirulence, and anti-inflammatory effects, and (iii) an initial toxicological evaluation of the investigated extracts, fractions, and single compounds.
To achieve this, analytical and bioanalytical techniques were employed. As raw material, Drosera rotundifolia cultivated on re-wetted peat moss areas in northern Germany was used. After extraction using ultrasound-assisted methods, the quantitative determination of characteristic flavonoids and naphthoquinones was performed via HPLC analysis. The antimicrobial and antivirulence potential of the extracts was investigated using in vitro models. Based on the results of the biological models, a bioactivity-guided fractionation was carried out to isolate and characterize active fractions and individual substances. Additionally, preliminary toxicological evaluations were conducted using standardized MTT cytotoxicity assays on epithelial cells, a 3D cell model, and the Galleria mellonella model.
The extracts showed antifungal activity against Candida albicans and Candida maltosa, anti-inflammatory effects via inhibition of cyclooxygenase activity, and antibiofilm effects against three multidrug-resistant E. coli strains. Given the clinical importance of bacterial biofilms, the study placed particular emphasis on antibiofilm activity. Proteomic analyses showed an increased abundance of proteins involved in the synthesis and uptake of the siderophore enterobactin. Since siderophores enable pathogenic microorganisms to acquire iron in the iron-limited environment of the host, they are considered important virulence factors. Targeting this system thus represents a promising strategy to weaken bacterial virulence, particularly in uropathogenic E. coli strains.
Cytotoxic assessment revealed an overall low level of cell toxicity for the extracts, however, the naphthoquinones 7-methyljuglone and plumbagin exhibited cytotoxic effects in the in vitro cell model. Findings from both efficacy and safety studies were incorporated into the quality control strategy. A minimum threshold was established for flavonoids, reflecting their contribution to antibiofilm activity. In addition, the comparatively high flavonoid content and specific flavonoid patterns of Drosera rotundifolia serve as a distinguishing feature from other Drosera species. Lower and upper limits were defined for the naphthoquinones to balance pharmacological activity and potential cytotoxicity. The analytical methods applied allowed for reliable determination of identity, purity, and constituent levels, thereby supporting the differentiation of Drosera rotundifolia from other sundew species.
In summary, this thesis contributes to the scientific evaluation of a medicinal plant that is ecologically threatened yet pharmacologically promising. By integrating analytical quality control, pharmacological research, and initial toxicological assessment, it provides a scientific basis for developing phytotherapeutics that target bacterial virulence. The use of sustainable cultivation of Drosera rotundifolia on re-wetted peatlands not only enables resource-efficient use but also supports ecosystem restoration, biodiversity, and climate protection. This work exemplifies an integrative research approach aligned with the One Health concept, which recognizes the health of humans, animals, and the environment as intrinsically interconnected
The S. aureus serine protease-like protein B (SplB) in murine allergic lung disease
Full text linkAsthma is a chronic inflammatory disease that is characterized by wheezing, coughing, chest tightness, and shortness of breath. Allergic asthma is the most common form of asthma and is characterized by a type 2 immune response. Genetic and environmental factors, such as microbial colonization, play a role in the onset of asthma.
Staphylococcus aureus (S. aureus) is a gram-positive opportunistic pathogen that is well-known for its Janus-faced behavior. On the one hand, S. aureus is a major cause of community-acquired and nosocomial infections. On the other hand, nearly 30% of the human population is colonized without visible adverse effects. Asthma patients are more frequently colonized with S. aureus than healthy persons, however, the causality of this relationship is unknown. S. aureus secretes several virulence factors that promote allergic sensitization. Among them are the serine protease-like proteins (Spls). Recent epidemiological studies indicate that especially SplB induces an allergic immune response in humans.
In this thesis, we characterize the allergenic properties of SplB in a murine model of chronic allergic airway inflammation (AAI). We induced AAI in C57BL/6J wild-type, IL 33 ko, PAR2 ko and Rag2 ko mice through repeated intratracheal (i.t.) inoculation of recombinant SplB. We also exposed C57BL/6J wild-type mice i.t. to an enzymatically inactive mutant of SplB.
We observed severe eosinophil infiltration in the lungs of SplB-sensitized mice, as well as high SplB-specific serum IgE titers. Remarkably, SplB induced these asthma symptoms without the need for adjuvants. Characterization of the pathomechanisms revealed that the proteolytic activity of SplB as well as a functional adaptive immune system were essential for the development of murine asthma. The soluble protease sensor IL-33 was necessary for eosinophil tissue invasion, whereas the membrane-bound protease sensor PAR2 was dispensable.
Based on these results we propose a new hypothesis about the relationship between asthma and S. aureus colonization. Previously, it has been debated whether asthma facilitates S. aureus colonization, and/or whether S. aureus favors sensitization to environmental allergens. We have identified the S. aureus virulence factor SplB as a potent allergen. Therefore, we propose that S. aureus is capable of inducing allergic airway inflammation on its own
Prospektive Studie zur systematischen Untersuchung determinierender Modulatoren der postnatalen Regulation der Innate Lymphoid Cells in humaner Muttermilch im zeitlichen Verlauf
Full text linkDas unreife Immunsystem von Frühgeborenen ist durch ein erhöhtes Infektionsrisiko mit einer höheren Mortalität und Morbidität assoziiert. In den ersten Lebensmonaten ist Muttermilch einer der wirksamsten immunologischen Schutzmechanismen, der auch über Zellbestandteile vermittelt wird. In der Muttermilch sind Innate Lymphoid Cells (ILCs) nachweisbar. Die drei ILC-Klassen besitzen pro- und/oder antiinflammatorische Eigenschaften. Die ILC1 bilden die größte Gruppe und zeichnen sich durch die Sekretion von Interferon γ als schwach zytotoxisch aus. Das relative Verhältnis der ILCs zueinander ändert sich in der Muttermilch von Müttern reifer Neugeborener während der Laktation, daher könnte eine veränderte Regulation mit überwiegend proinflammatorischen
ILC1 die Schutzbarriere des Darms bei Frühgeborenen stören. Die Funktionsweise des maternalen Immunsystems, darunter die absolute Anzahl, sowie das relative Verhältnis der ILCs, hängt mit vielen Prozessen innerhalb des Organismus zusammen. Schwangerschafts-assoziierte Faktoren wie Gestationsdiabetes (GDM), der präkonzeptionelle Body-Mass-Index (BMI) oder die Gewichtszunahme während der Schwangerschaft (gestional weight gain, GWG) sind in diesem Zusammenhang zu nennen.
Der GDM ist eine der häufigsten Komplikationen in der Schwangerschaft und wird mit kindlichen und mütterlichen Komplikationen assoziiert. GDM beeinflusst zusätzlich das maternale Immunsystem. In diesem Zusammenhang sind gewebsständige ILC1 mit einem erhöhten Risiko für Adipositas und erhöhter Insulin-Resistenz beschrieben worden, wobei ILC3 und ILC2 möglicherweise einen protektiven Effekt haben können. Die Inzidenz des GDM steigt mit dem zunehmenden präkonzeptionellen BMI und damit mit einem höheren Anteil des Fettgewebes am gesamten Körpergewicht. Fettgewebe erfüllt weitaus mehr Funktionen als das bloße Speichern von Energie. Es enthält immunologisch aktive Zellen, die Zytokine, Akut-Phaseproteine und Hormone ausschütteln. In weißem Fettgewebe wurden alle drei Subgruppen von ILCs nachgewiesen.
Eine überschießendes GWG verschlechtert maternales und neonatales Outcome. Es beeinflusst unter anderem den Hormongehalt in der Muttermilch. Um die Zusammenhänge zwischen ILCs und der genannten Faktoren näher zu betrachten wurden zwei Hypothesen formuliert.
Erstens, die postnatale Regulation der Innate Lymphoid Cells hinsichtlich Anzahl und Zusammensetzung in humaner Muttermilch unterscheidet sich zwischen Müttern Reif-und Frühgeborener. Die Anzahl der ILCs in humaner Muttermilch korreliert dabei mit der Zellzahl der ILCs im mütterlichen Blut.
Zweitens, maternale Faktoren wie der präkonzeptionelle BMI, das Vorliegen eines GDM sowie die GWG beeinflussen die Anzahl und Zusammensetzung der ILCs in humaner Muttermilch.
In der prospektiven Studie wurden 10 Mütter von Frühgeborenen (MW: 32+5 SSW) und 20 Mütter von Reifgeborenen (MW: 39+6) eingeschlossen. Die Muttermilchproben wurden zum Zeitpunkt 3. (t1), 8. (t2) und 13. (t3) Tag (jeweils ±1 Tag) post partum (p.p.) und eine Blutprobe der Mutter zum Zeitpunkt t1 zur Analyse gewonnen. Bestimmt wurden ILC1, ILC2 und ILC3 mittels Durchflusszytometrie.
Ergebnisse
Postnatale Regulation der ILCs in der Muttermilch und Abhängigkeit von der ILC-Zahl im maternalen Blut
Es konnten ILCs in der Muttermilch nachgewiesen werden. Die absolute Anzahl aller ILC-Subgruppen pro ml Muttermilch zeigte einen signifikanten Abfall zwischen t1 und t2 sowie t3 in der Muttermilch Reif- und Frühgeborener. Ein Unterschied zwischen beiden Gruppen stellte sich in der postnatalen Regulation der ILCs nicht heraus. Für ILC1, nicht jedoch für ILC2 und ILC3 fand sich ein signifikanter Zusammenhang zwischen
der ILC-Zahl im Blut und in der Muttermilch.
Präkonzeptioneller BMI und GWG
Der präkonzeptionelle BMI hatte Einfluss auf die Anzahl der Lymphozyten und ILC2 zum Zeitpunkt t1 in der Muttermilch. Die Gruppe mit einem präkonzeptionellen BMI über 30 wies eine höhere Konzentration von Lymphozyten und eine dreifach höhere Anzahl von ILC2 auf als die Gruppe mit einem BMI unter 25. Die GWG hängt eng mit dem präkonzeptionellen BMI zusammen. So ist die Gewichtszunahme in der Regel bei
untergewichtigen Frauen größer als bei denen mit Überwegewicht. Die Gruppe mit dem geringsten GWG wies höhere ILC-Konzentrationen auf als Gruppen mit einem größeren GWG. Signifikant waren diese Effekte bei ILC2 und ILC3 zum Zeitpunkt t1.
GDM
Das Vorliegen eines Gestationsdiabetes bzw. einer funktionellen Störung des Glukosestoffwechsels korreliert mit höheren postnatalen ILC-Konzentrationen in der Muttermilch zum Zeitpunkt t1. Bei allen drei ILC-Klassen wurde
bei der Gruppe „mit GDM“ zum Zeitpunkt t1 eine höhere Zellzahl beobachtet als bei der Gruppe „ohne GDM“.
Zusammenfassend zeigte sich, dass die Menge von ILCs in der Muttermilch postpartum abnimmt. Eine gestörte Glukosetoleranz während der Schwangerschaft, ein hoher präkonzeptioneller BMI und das damit zusammenhängende GWG hingen statistisch mit der postnatalen Regulation von ILCs zusammen. Hier könnte die mit einem GDM und hohem BMI zusammenhängende proinflammatorische Stoffwechsellage der Mutter
eine Rolle spielen. Inwiefern dies Einfluss auf das Outcome der Neugeborenen hat und ob die Entwicklung ihres Immunsystems, welches zum Teil im Darm lokalisiert ist, davon moduliert wird, erfordert weitere Forschung
Quasi-isodynamic stellarator optimisation
Full text linkStellarators, a promising class of fusion reactor candidates, use geometrically complex magnetic fields to confine plasma in donut-shaped geometries. This complexity means that the vast majority of stellarator designs are nonviable, and any reactor-relevant stellarator design requires an extremely carefully sculpted geometry -- typically achieved through numerical optimisation. Such optimisation requires the use of "target functions", which should quantitatively assess the quality of a stellarator magnetic field. In this work, we present several novel target functions for stellarator optimisation, which we used to guide the design of magnetohydrodynamic (MHD) plasma equilibria. These equilibria are quasi-isodynamic (QI) --- a property of stellarator magnetic fields --- to an extent never before seen, granting them unrivalled stability and low neoclassical transport. These results were made possible by enhancements in computational power and an improved theoretical understanding of plasma physics. We additionally present other target functions which grant additional important properties to the plasma, notably magnetohydrodynamic stability and a reduction in plasma turbulence, whose presence hinders the performance of magnetic confinement fusion reactors. These target functions, while often at-odds with one another, were made sufficiently compatible that a wide variety of extremely enticing properties can be simultaneously achieved in a single plasma equilibrium. These equilibria, known as SQuIDs (Stable Quasi-Isodynamic Designs) are now a leading candidate for stellarator fusion reactors
Angiogenese-assoziierte microRNAs als Biomarker für gefäßassoziierte Netzhauterkrankungen
Full text linkDie vorliegende Dissertationsschrift fasst eine im August 2023 publizierte Studie
zusammen und ergänzt diese durch Daten zur Qualitätskontrolle und zur Etablierung
des Verfahrens [1]. Im Rahmen der Studie wurde untersucht, ob potentiell
Angiogenese-assoziierte microRNAs (miRNAs) als zirkulierende miRNAs in humanen
Serum- und Glaskörperproben vorkommen und ob quantitative Unterschiede zwischen
Patient*innen mit verschiedenen Netzhauterkrankungen bestehen. Die Quantifizierung
wurde mittels quantitativer Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR) durch-
geführt. In den Serumproben von Patient*innen mit neovaskulärer altersbedingter
Makuladegeneration wurden die miRNAs 29a-3p und 192-5p mit erhöhten Spiegeln
detektiert. Im Serum von Patient*innen mit proliferativer diabetischer Retinopathie
(PDR) waren die miRNAs 335-5p, 192-5p und 194-5p im Vergleich zur Kontrollgruppe
verstärkt exprimiert. In Glaskörperproben war zudem miR-100-5p bei Patient*innen mit
PDR im Vergleich zur Kontrollgruppe signifikant vermindert exprimiert. Receiver
operating characteristics (ROC) Analysen unterstrichen zudem die mögliche
Anwendung als Biomarker. Die Untersuchungen zur angewandten Normalisierungs-
strategie ergaben, dass die miR-103a-3p keine signifikanten Unterschiede zwischen
den Erkrankungsgruppen und der Kontrollgruppe aufwies, im Mittel einen Variations-
koeffizienten in % (CV%) unter 2 % in den Versuchswiederholungen zeigte und stabile
bzw. mit einer synthetischen RNA vergleichbare Expressionsmuster im Zeitverlauf
darstellte. Außerdem konnten nur geringe Abweichungen der einzelnen
Krankheitsentitäten der zusammengefassten Kontrollgruppe von der Gesamtheit
festgestellt werden. Die Wiederholbarkeit der Versuche wies einen CV% im Mittel unter
1 % und damit eine geringe Beeinflussung der Studienergebnisse durch technische
Abläufe auf. Die von uns untersuchten miRNAs zeigten im Zeitverlauf stabile
Expressionsmuster und erfüllen damit eine wichtige Voraussetzung für die Anwendung
als Biomarker. Darüber hinaus werden Daten zur Etablierung der Quantifizierung der
miRNAs in Glaskörperproben und an der unteren Detektionsgrenze der qRT-PCR-
Methode dargestellt. Zusammenfassend weisen die Analysen dieser Dissertation auf
einen geringen Einfluss der technischen Abläufe auf die Studienergebnisse hin und
unterstreichen damit das Potential der untersuchten miRNAs als mögliche Biomarker
für gefäßassoziierte Netzhauterkrankungen.This dissertation summarises a study published in August 2023 and supplements it with data on quality control and the establishment of the method [1]. The study investigated whether potentially angiogenesis-associated microRNAs (miRNAs) are present as circulating miRNAs in human serum and vitreous samples and quantitative differences exist between patients with different retinal diseases. Quantification was performed using quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). Elevated levels of miRNAs 29a-3p and 192-5p were detected in the serum samples of patients with neovascular age-related macular degeneration. In the serum of patients with proliferative diabetic retinopathy (PDR), miRNAs 335-5p, 192-5p and 194-5p were expressed at higher levels compared to the control group. In vitreous samples, miR-100-5p was significantly less expressed in patients with PDR compared to the control group. Receiver operating characteristics (ROC) analyses also underlined the potential application as a biomarker. The investigations into the normalisation strategy used revealed that miR-103a-3p showed no significant differences between the disease and control groups, a coefficient of variance in % (CV%) of less than 2 % in the experimental replicates and stable expression patterns over time that were comparable to those of a synthetic RNA. Also, a slight deviation of the individual disease entities of the pooled control group from the whole control group was observed. The repeatability of the experiments showed a CV% on average below 1 % and thus suggested a low influence of technical procedures on the study results. The miRNAs we investigated showed stable expression patterns over time and thus fulfil an important prerequisite for use as biomarkers. In addition, data on the establishment of the quantification of miRNAs in vitreous samples and at the detection limit of the qRT-PCR method are presented. In summary, the analyses of this dissertation indicate a minor influence of the technical procedures on the study results and thus underline the potential of the investigated miRNAs as possible biomarkers for vascular-associated retinal diseases
Equilibrium and stability of pair plasma with arbitrary non-neutrality in a magnetic dipole field
Full text linkThis thesis was conducted within the scope of the APEX collaboration (An Electron
Positron eXperiment) to confine an electron-positron pair plasma within a levitated
dipole trap [Stoneking et al., 2020]. In general, a pair plasma refers to a plasma that
consists of two particle species with equal mass and equal amount but opposite sign of
charge. In the context of APEX, this term is reserved for a plasma consisting of electrons
and positrons. This work addresses possible equilibrium states [Steinbrunner et al.,
2023] as well as their stability [Steinbrunner and O’Neil, 2024]
Indocyaningrün Markierung von Thrombozyten für Studien zur Analyse der thrombozytären Wiederfindungsrate und Überlebenszeit in-vivo
Full text linkThrombozyten sind als zelluläres Element für den Schritt der primären Hämostase der Blutgerinnung verantwortlich. Thrombozytenkonzentrat-Transfusionen sind bei der Vorbeugung und Behandlung von thrombozytär bedingten Blutungen indiziert. Thrombozytenkonzentrate werden aus Vollblutspenden (Pooling) oder durch ein automatisches Verfahren (Apherese) gewonnen. Neue Herstellungsmethoden müssen zur Validierung in-vivo getestet werden. Nach einer Markierung werden die Thrombozyten gesunden Probanden transfundiert, um ihre Wirksamkeit zu prüfen. Die radioaktive Markierung, lange Zeit der Goldstandard für die Markierung von Thrombozyten, wird für diesen Zweck nicht mehr akzeptiert. Als nicht-radioaktive Alternative war die Markierung von Thrombozyten mit dem Fluoreszenzfarbstoff Indocyaningrün (ICG) das Ziel dieser Arbeit. Aufgrund einer langjährigen klinischen Anwendung am Menschen und allenfalls seltenen allergischen Reaktionen hat ICG ein gutes Sicherheitsprofil und ist von internationalen Arzneimittelbehörden und auf lokalen europäischen Ebenen zugelassen. Thrombozytenkonzentrate wurden GMP konform mit ICG markiert. Die Markierung in einer Lagerungslösung aus 100% PAS-E (platelet additive solution-E) mit einer ICG-Konzentration von 10 µM lieferte die besten Ergebnisse. Vollblut wurde als Medium verwendet, um die natürliche Thrombozyten-Umgebung zu imitieren und mögliche ICG-Übertritte zwischen beiden Thrombozytenpopulationen (ICG-markierte Thrombozyten aus TKs und Vollblutthrombozyten) zu bewerten. Die ICG-Markierung war stabil und die auf dem ICG-Signal basierte Differenzierung zwischen beiden Populationen blieb über 24 Stunden erhalten. Diese Methode zur Markierung von Thrombozyten mit ICG stellt einen Konzeptnachweis für eine in-vivo-Studie dar. Eine klinische Studie der Phase-Ia mit gesunden Probanden ist geplant, um die Gültigkeit der in-vitro Daten zu überprüfen. Mit dem erfolgreichen Überleben von Thrombozyten in-vivo wäre der Weg für die Untersuchung neuartiger TK-Herstellungsverfahren geebnet
Ratten-assoziierte Krankheitserreger in Rattenpopulationen unterschiedlicher Habitate
Full text linkRatten sind kommensale Nagetiere, die durch ihre synanthrope Lebensweise eine wichtige Rolle als Schadnager z.B. bei der Lebensmittelherstellung oder in der Landwirtschaft, und zum anderen als Labortiere oder auch als Heimtierratten spielen und bei der Übertragung von zoonotischen Infektionserregern von großer Bedeutung sind.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines Workflows für die Untersuchung von Ratten auf Krankheitserreger, die Untersuchung von Heimtier-, Haltungs- und Wildratten auf das Vorkommen des Seoul-Orthohantavirus (SEOV) und die Untersuchung von Wildratten auf weitere zoonotische und vermutlich nicht-zoonotische Erreger.
Im Rahmen der Entwicklung eines Workflows für die Untersuchung von Ratten auf Krankheitserreger, wurde ausgehend von einer Ratte aus einem Passagierflugzeug ein umfangreiches Erregerscreening vorgenommen, um das Risiko einer Erregerübertragung auf die Passagiere, vor allem einer Hantavirus-Übertragung, einschätzen zu können. Das Tier wurde durch eine genetische Speziesanalyse als Hausratte Rattus rattus (Linnaeus, 1758) identifiziert, jedoch gelang es aufgrund der fehlenden phylogeographischen Struktur in den Verwandtschaftsbeziehungen der kompletten mitochondriellen DNA der Hausratte nicht, die genaue Herkunft der Ratte aufzuklären.
Die Ratte wurde mit verschiedenen Open-view (High-Throughput Sequencing, HTS; Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization-Time of Flight Mass Spectrometry, MALDI-TOF-MS, Multiplex-PCR, Multiplex-Serologie) und pathogenspezifischen Methoden (Reverse Transkription-Polymerasekettenreaktion, RT-PCR), Polymerasekettenreaktion, PCR), quantitative Polymerasekettenreaktion, qPCR), Enzyme-linked Immunosorbent Assay, ELISA) analysiert. Die umfassenden Untersuchungen führten zum Nachweis von vier Picobirnavirus-Genomsegmenten. Eine Infektion mit Hantaviren, insbesondere dem Sin Nombre-Orthohantavirus (SNV, Spezies Orthohantavirus sinnombreense), das aufgrund der Herkunft der Ratte in Betracht gezogen wurde, konnte ausgeschlossen werden. Des Weiteren konnte ein Methicillin-empfindlicher Staphylococcus aureus-Stamm des spa-Typs clonal complex 45 (CC45) nachgewiesen werden, der genetische Eigenschaften von S. aureus-Stämmen des Menschen aufweist. Weitere im Darminhalt nachgewiesene Bakterien und Pilze entsprachen der kommensalen mikrobiellen Besiedelung.
Ratten können als Reservoirwirt mit verschiedenen zoonotischen, nicht-zoonotischen Erregern und infektiösen Agenzien mit unbekanntem Zoonosepotenzial, infiziert sein, ohne selbst Symptome einer Infektion zu zeigen. Bei einem Pathogen-spezifischen Screening mittels PCRs/RT-PCRs von 426 Wildratten aus Deutschland und vier weiteren europäischen Ländern, bei dem auf die Nukleinsäure von Leptospira spp., Rickettsia spp., Orthopockenviren, aviäres Metapneumovirus (aMPV) Subtyp A und B und Ratten-Polyomavirus 1 (Rat PyV 1) getestet wurde, konnte in 14,3% der Ratten ausschließlich die Genomospezies Leptospira interrogans vom Sequenztyp 17 festgestellt werden, welcher der Serogruppe Icterohaemorrhagiae zugeordnet wird und als Krankheitserreger von großer Bedeutung ist. Der Nachweis von Rickettsien-DNA erfolgte lediglich in Ratten aus zoologischen Gärten in Deutschland, welche als Rickettsia helvetica identifiziert wurde. Die große Vielfalt an Tierarten in zoologischen Gärten erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass verschiedene Wirte und Vektoren miteinander interagieren, was die Übertragung und Verbreitung von Rickettsien fördert. In Ratten aus Deutschland wurden Antikörper gegen Orthopockenviren detektiert, jedoch keine Kuhpockenvirus-DNA und keine aMPV-RNA nachgewiesen. Des Weiteren wurde in allen untersuchten Ländern Rattenpolyomavirus (RnorPyV 1)-DNA gefunden, wobei eine breite geografische Verteilung mit hohen Prävalenzen in allen Lebensräumen der Ratten aufgezeigt werden konnte. So wurde RnorPyV 1 in Wildratten aus zoologischen Gärten, aus einem ländlichen Gebiet in Deutschland und aus Städten der untersuchten Länder, sowie in Zuchtratten detektiert.
Für das Vorkommen von Seoul-Orthohantavirus (SEOV) in Deutschland lag bisher noch kein Nachweis vor. Im Jahr 2019 konnte die erste autochthone Infektion einer jungen Frau mit SEOV in Deutschland nachgewiesen und ihre Heimtierratten als Quelle der Infektion ausfindig gemacht werden. Es konnten in drei Heimtierratten der Patientin SEOV-spezifische RNA und Antikörper nachgewiesen werden. Eine weitere Ratte, aus dem vorherigen Tierbestand der Patientin, war nicht infiziert. Die Nachverfolgung des Handelswegs der infizierten Ratten, seitens des örtlichen Gesundheitsamtes, konnte den Verkauf drei weiterer Tiere vom gleichen Händler aufzeigen. In 2 von 3 Tieren des zweiten Käufers wurde ebenfalls eine SEOV-Infektion molekularbiologisch und serologisch detektiert. Sequenzvergleiche der S-, M- und L- Segmente der SEOV-Stämme der infizierten Ratten zeigten eine sehr große Ähnlichkeit mit SEOV-Stämmen von Haltungsratten aus den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich. Aufgrund der Ähnlichkeiten zu niederländischen Sequenzen wurden 594 Ratten aus den Niederlanden mittels RT-PCR und Serologie untersucht. In 7 Tieren wurden Antikörper gegen SEOV detektiert, jedoch in keiner der untersuchten Ratten SEOV-RNA. Bei einem SEOV-S-Segment-basierten Screening von 490 Haltungsratten und 563 wildlebenden Ratten aus Deutschland konnte kein Hinweis auf SEOV-Infektion gefunden werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das SEOV in Deutschland vermutlich ausschließlich in Heimtierratten eine potenzielle Infektionsquelle für den Menschen darstellt und ein Monitoring dieser Tiere auf SEOV und weitere Zoonoseerreger von großer Bedeutung ist.
Die vorliegenden Ergebnisse dieser Studien demonstrieren das Vorkommen verschiedener zoonotischer, aber auch kommensaler und nicht-zoonotischer Erreger in Ratten aus Deutschland und anderen Ländern Europas. Bei Heimtierratten sollten zukünftig gezielte und ggf. verpflichtende Untersuchungen auf SEOV und andere humanpathogene Krankheitserreger in Betracht gezogen werden, um das Infektionsrisiko für Zoohändler und Besitzer zu minimieren. Ebenso sind weitere Untersuchungen, insbesondere von wildlebenden Ratten von großer Bedeutung, um eine Gefährdung von Mensch und Tier, insbesondere Zoo- und Nutztier, einschätzen und gegebenenfalls gezielte Präventions- und Bekämpfungsmaßnahmen entwickeln zu können