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Intravitreal Aflibercept vs Laser Therapy for Retinopathy of Prematurity
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Prospective long-term data after retinopathy of prematurity (ROP) treatment with anti–vascular endothelial growth factor injections vs laser therapy are scarce. The FIREFLEYE (Aflibercept for ROP IVT Injection vs Laser Therapy) next trial is prospectively evaluating the long-term efficacy and safety outcomes following ROP treatment with intravitreal aflibercept vs laser therapy.
Objective
To evaluate 2-year ophthalmic and safety outcomes after 0.4-mg aflibercept injection or laser therapy in the 24-week randomized (2:1) FIREFLEYE trial (FIREFLEYE outcomes previously reported).
Design, Setting, and Participants
This prospective nonrandomized controlled trial performed in 24 countries in Asia, Europe, and South America (2020-2025) follows up participants treated in the FIREFLEYE randomized clinical trial (2019-2021) through 5 years of age. Participants included children born very or extremely preterm (gestational age ≤32 weeks) or with very or extremely low birth weight (≤1500 g) who were previously treated with a 0.4-mg injection of aflibercept compared with laser therapy for severe acute-phase ROP. Data for the present interim analysis were acquired from March 18, 2020, to July 25, 2022.
Interventions
Complications of ROP treated at investigator discretion (no study treatment).
Main Outcomes and Measures
Efficacy end points included ROP status, unfavorable structural outcomes, ROP recurrence, treatment for ROP complications, completion of vascularization, and visual function. Safety end points included adverse events and growth and neurodevelopmental outcomes.
Results
Overall, 100 children were enrolled (median gestational age, 26 [range, 23-31] weeks; 53 boys and 47 girls). Of these, 21 were Asian, 2 were Black, 75 were White, and 2 were of more than 1 race. At 2 years of age, 61 of 63 children (96.8%) in the aflibercept group vs 30 of 32 (93.8%) in the laser group had no ROP. Through 2 years of age, 62 of 66 (93.9%) in the aflibercept group and 32 of 34 (94.1%) in the laser group had no unfavorable structural outcomes. No new retinal detachment occurred during the study. Four children in the aflibercept group (6.1%) were treated for ROP complications before 1 year of age (2 had preexisting end-stage disease and total retinal detachment; 1 had reactivated plus disease; and 1 had recurrent retinal neovascularization not further specified). Most children were able to fix and follow a 5-cm toy (aflibercept group, 118 of 122 eyes [96.7%] among 63 children; laser group, 62 of 63 eyes [98.4%] among 33 children). High myopia was present in 9 of 115 eyes (7.8%) among 5 children in the aflibercept group and 13 of 60 eyes (21.7%) among 9 children in the laser group. No relevant differences in growth and neurodevelopmental outcomes by Bayley Scales of Infant and Toddler Development, Third Edition and Vineland Adaptive Behavior Scales, Second Edition were identified.
Conclusions and Relevance
In this nonrandomized follow-up of a randomized clinical trial comparing treatment of severe acute-phase ROP with 0.4-mg injection of aflibercept and laser, disease control was stable and visual function was appropriate in children through 2 years of age. No adverse effects on safety, including growth and neurodevelopment, were identified. These findings provide clinically relevant long-term information on intravitreal aflibercept injection therapy for ROP.
Trial Registration
ClinicalTrials.gov Identifier: NCT0401518
Der Einfluss von Körpergewichtsunterstützung bei akuter Ausbelastung auf einem Anti-Schwerkraft-Laufband auf kardiorespiratorische und hämodynamische Parameter.
Get PDFKörperliche Aktivität und Bewegung kann neben allgemeingültigen Empfehlungen, sowohl in Prävention, als auch Therapie und Rehabilitation von Herzkreislauferkrankungen, wie der Herzinsuffizienz, eingesetzt werden. Das Laufen auf einem Anti-Schwerkraft-, oder auch LBPP -Laufband mit Luftkammer stellt eine besondere Trainingsmöglichkeit dar, da die Bewegung mit BWS durchgeführt werden kann. Bisherige Studien mit diesen Geräten wurden hauptsächlich im Bereich der orthopädischen Rehabilitation oder mit Leistungssportler*innen und erfahrenen Freizeitläufer*innen durchgeführt.
Da nur wenige Untersuchungen mit durchschnittlich- bis untrainierten Personen vorliegen, untersuchten wir in einer, dem entsprechenden Studienpopulation, den Einflusses des BWS bei akuter Ausbelastung auf einem LBPP-Laufband auf kardiorespiratorische, vaskuläre und metabolische Parameter. Dies soll auch als Grundlage für zukünftige Studien mit spezifischen Subgruppen, wie Herzinsuffizienz-Erkrankten, dienen. In dieser Dissertation werden insbesondere die kardiorespiratorischen und vaskulären Parameter, VO2 und HF, sowie deren Spitzenwerte, RR und PWV, beschrieben.
Insgesamt 20 gesunde, durchschnittlich sportliche Teilnehmende (Frauen:Männer = 1:1) absolvierten, nach einer Baselineuntersuchung mit Testlauf, zwei kardiopulmonale Ausbelastungstests auf einem LBPP-Laufband im Abstand von 2-7 Tage, jeweils einmal ohne und einmal mit 40% BWS, in randomisierter Reihenfolge. Während der diskontinuierlichen, mehrstufigen Ausbelastungstests wurden unter anderem kontinuierlich, mittels Spiroergometer, respiratorische Parameter und die HF ermittelt und in den Pausen zwischen den Stufen eine RR- und PWV-Messung durchgeführt. Zur Auswertung fand ein intrapersoneller Vergleich im Cross-Over Design statt.
Bei den Läufen ohne BWS fand eine Ausbelastung und damit das Testende in früheren Stufen, als bei 40% BWS statt, teilweise wurden bei 40% BWS auch gar keine Ausbelastungskriterien bis zur letzten Stufe erfüllt. Der Anstieg der VO2 im Testverlauf war, im Vergleich zu 0% BWS, bei 40% BWS signifikant geringer. Auch wurden mit 0% BWS früher, höhere VO2peak, als mit 40% BWS erreicht. Die HF stieg ebenfalls, verglichen mit 0% BWS, bei 40% BWS signifikant stärker an. Während der Ausbelastungstests mit 0% BWS erreichten mehr Teilnehmende ihre maximale- oder submaximale, altersabhängig berechnete HF. Der RR zeigte durch den Einfluss des BWS keine signifikanten Veränderungen im Verlauf. Die PWV stieg gegenüber 0% BWS, mit 40% eher leicht an, war jedoch nur in der 5.Stufe signifikant höher.
Unsere Ergebnisse zum Einfluss des BWS auf VO2 und HF entsprechen bisherigen LBPP-Laufband-Studien mit ambitionierten Amateur- und Profiläufer*innen. Eine händische Bestimmung von HF-Deflexionspunkten, übereinstimmend mit dem 2. Laktat-Turn-Point, gelang, vermutlich auch aufgrund unseres Protokolldesigns, nicht. Ebenfalls limitierend war die in höheren Stufen verringerte Anzahl vergleichbarer Daten, da ohne BWS häufig eher eine Ausbelastung stattfand und dadurch diese Daten dann zum Vergleich in höheren Stufen fehlten.
Da der RR nicht vom BWS beeinflusst wurde, spricht dies eher gegen einen verstärkten kardialen Stress durch BWS-bedingte Vorlasterhöhung und scheint damit auch keine Kontraindikation für die Nutzung von LBPP-Laufbändern durch HI-Erkrankte zu sein. Weiterhin könnten HI-Patient*innen möglicherweise vom weniger abrupten VO2 und HF Anstieg beim Wechsel vom Gehen zum Laufen bei 40 % BWS profitieren und auch BWS bedingte, höhere und länger andauernde Laufintensitäten, bei geringerer VO2 und HF, sowie verspätete muskuläre Erschöpfung könnten eventuell Therapie und Prävention, vor allem aber Motivation und Compliance verbessern. Weiterführende Studien mit HI-Erkrankten, sowie längerfristige Trainingsstudien, sind noch notwendig
Down-modulation of functional ventral striatum activation for emotional face stimuli in patients with insula damage
Get PDFInsula damage results in substantial impairments in facial emotion recognition. In particular, left hemispheric damage appears to be associated with poorer recognition of aversively rated facial expressions. Functional imaging can provide information on differences in the processing of these stimuli in patients with insula lesions when compared to healthy matched controls (HCs). We therefore investigated 17 patients with insula lesions in the chronic stage following stroke and 13 HCs using a passive-viewing task with pictures of facial expressions testing the blood oxygenation dependent (BOLD) effect in predefined regions of interest (ROIs). We expected a decrease in functional activation in an area modulating emotional response (left ventral striatum) but not in the facial recognition areas in the left inferior fusiform gyrus. Quantification of BOLD-response in ROIs but also voxel-based statistics confirmed this hypothesis. The voxel-based analysis demonstrated that the decrease in BOLD in the left ventral striatum was driven by left hemispheric damaged patients (n = 10). In our patient group, insula activation was strongly associated with the intensity rating of facial expressions. In conclusion, the combination of performance testing and functional imaging in patients following circumscribed brain damage is a challenging method for understanding emotion processing in the human brain
Herstellung und Charakterisierung von mukoadhäsiven Polymerfilmen zur lokalen Arzneimitteltherapie in der Speiseröhre
Get PDFDer Ösophagus ist aufgrund seiner Physiologie und der dort herrschenden Bedingungen ein schwer zugänglicher Applikationsort für eine lokale Arzneimitteltherapie. Nichtsdestotrotz besteht für einige Krankheitsbilder wie beispielsweise eosinophile Ösophagitis (EoE) ein ansteigendes Bedürfnis für Möglichkeiten zur lokalen Pharmakotherapie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Übersichtsartikel verfasst, der die anatomischen und physiologischen Besonderheiten dieses Applikationsortes hervorhebt und diskutiert, wie diese überwunden werden können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich außerdem mit der Weiterentwicklung eines Modells zur Simulation der Speiseröhre unter dem Aspekt der Biorelevanz. In einer vorausgegangenen Arbeit wurde bereits der Einfluss von Peristaltik, Flussrate des Freisetzungsmediums und Neigungswinkel des Modells auf die Verweildauer eines Polymerfilms untersucht. Aufgrund der komplexen physiologischen Vorgänge im Ösophagus ist es schwierig den Einfluss dieser Parameter auf eine Arzneiform separat voneinander zu untersuchen. Auf Basis bereits durchgeführter Untersuchungen an dem etablierten EsoPeriDiss-Modell wurden zwei Testszenarien entwickelt. Der stimulierte und nicht stimulierte Modus simulieren physiologische Zustände in wachen Proband*innen tagsüber beziehungsweise entsprechend in schlafenden Proband*innen nachts. Die Untersuchungen mit einem mukoadhäsiven Polymerfilm und einer viskosen Lösung zeigen, dass die Verweilzeit beider Arzneiformen verlängert ist, im Vergleich zu einer Standardlösung. Erhöhte Stressbedingungen für die Arzneiform im stimulierten Modus, welche durch eine erhöhte Flussrate, hohen Neigungswinkel und häufige peristaltische Ereignisse gekennzeichnet sind, führen außerdem zu einer kürzeren Verweilzeit in dem EsoPeriDiss-Modell. Des Weiteren wurde eine Temperierung des gesamten Modells implementiert, wodurch nicht nur das Freisetzungsmedium, sondern auch der Applikationsort auf 37 °C beheizt werden konnte. Zur Steigerung der Biorelevanz wurden außerdem verschiedene künstliche Speichelmedien hergestellt und getestet. Es zeigte sich, dass vor allem der Zusatz eines Viskositätserhöhers zu einer Änderung der Verweilzeit eines applizierten Films beitrug. Insgesamt bildet das weiterentwickelte EsoPeriDiss-Modell die Komplexität des Ösophagus als Applikationsort gut ab und stellt eine gute Alternative zu kompendialen Testmethoden dar. Die Simulation von Peristaltik und verschiedenen Flussraten des Freisetzungsmediums bilden die physiologischen Bedingungen im Ösophagus genauer ab, als es mit Standardtestapparaturen der Arzneibücher möglich ist. Daraus ergibt sich ein Erkenntnisgewinn über ein mögliches Verhalten der Arzneiform in vivo. Zukünftige Untersuchungen mit diesem Ösophagus-Modell könnten einen Fokus auf die Abbildung von peristaltischen Dysfunktionen legen. Durch die Integration von In vivo-Daten könnte die Funktionalität von Arzneiformen wie der EsoCap in der Anwendung in erkrankten Patient*innen besser untersucht werden.
Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit der Herstellung von patientenindividuellen Filmen mit innovativen Verfahren wie dem 2D-Druck. Die Herstellung von ösophageal applizierten Polymerfilmen kann neben bewährten Methoden wie dem Solvent-Casting-Verfahren auch mittels neuerer Technologien geschehen. Der 2D-Druck von Arzneiformen ist neben dem 3D-Druck eine bereits viel untersuchte Herstellungstechnik. Sie bringt vor allem in der Zubereitung von individualisierter Arzneimitteltherapie einige Vorteile mit sich. In den durchgeführten Versuchen wurde allerdings deutlich, dass die Verwendung eines herkömmlichen Tintenstrahldruckers zwar eine gute Auflösung von gedruckten Formen auf Placebo-Filmen hervorbringt, eine Gehalteinstellung mittels der genutzten Software allerdings nicht ohne weiteres möglich ist. Untersuchungen mit hochkonzentrierten Koffeinlösungen zeigten, dass es durch ein Verdunsten der leicht flüchtigen Bestandteile der wirkstoffhaltigen Tinte zu einer Verstopfung der Druckkopfdüsen kommt. Durch diese Problematik wird im Vergleich zur offizinellen Herstellung von Kapseln eine geringere Präzision und Richtigkeit des Gehalts erreicht. Die durchgeführten Versuche zeigen die zum aktuellen Zeitpunkt bestehenden Limitationen dieser Technologie. Es bedarf weiterer Forschung im Bereich der Entwicklung von wirkstoffhaltigen Tinten, Implementierung von Überwachungssystemen zur Qualitätskontrolle und Nutzung der Systeme unter GMP-Bedingungen. Insbesondere für die Herstellung von Arzneiformen mit empfindlichen aktiven Substanzen wie beispielsweise Proteine oder Nukleinsäuren, könnte der 2D-Druck in der Zukunft eine vielversprechende Herstellungstechnologie sein.Due to its physiology and the conditions prevailing there, the oesophagus is a difficult site of application for local drug therapy. Nevertheless, there is an increasing need for local pharmacotherapy options for some clinical pictures such as eosinophilic esophagitis (EoE). As part of this work, a review article was written highlighting the anatomical and physiological characteristics of this application site and discussing how these can be overcome.
This thesis also deals with the further development of a model for simulating the esophagus from a biorelevance perspective. In a previous study, the influence of peristalsis, flow rate of the release medium and angle of inclination of the model on the retention time of a polymer film was investigated. Due to the complex physiological processes in the oesophagus, it is difficult to investigate the influence of these parameters on a dosage form separately. Two test scenarios were developed on the basis of previous studies using the established EsoPeriDiss model. The stimulated and non-stimulated modes simulate physiological states in awake test subjects during the day and, correspondingly, in sleeping test subjects at night. The studies with a mucoadhesive polymer film and a viscous solution show that the residence time of both drug forms is prolonged compared to a standard solution. Increased stress conditions for the dosage form in stimulated mode, which are characterized by an increased flow rate, high angle of inclination and frequent peristaltic events, also lead to a shorter residence time in the EsoPeriDiss model. Furthermore, temperature control of the entire model was implemented, whereby not only the release medium but also the application site could be heated to 37 °C. Various artificial saliva media were also produced and tested to increase biorelevance. It was found that the addition of a viscosity enhancer in particular contributed to a change in the residence time of an applied film. Overall, the further developed EsoPeriDiss model reflects the complexity of the oesophagus as an application site well and represents a good alternative to compendial test methods. The simulation of peristalsis and different flow rates of the release medium reproduce the physiological conditions in the oesophagus more accurately than is possible with standard pharmacopoeial test apparatus. This results in a gain in knowledge about the possible behavior of the dosage form in vivo. Future studies with this oesophagus model could focus on mapping peristaltic dysfunctions. By integrating in vivo data, the functionality of dosage forms such as the EsoCap could be better investigated when used in diseased patients.
Another part of the work deals with the production of patient-specific films using innovative methods such as 2D printing. The production of esophageally applied polymer films can be carried out using proven methods such as solvent casting as well as newer technologies. Alongside 3D printing, 2D printing of dosage forms is already a much-studied manufacturing technique. It offers a number of advantages, particularly in the preparation of individualized drug therapy. However, it became clear in the experiments that although the use of a conventional inkjet printer produces a good resolution of printed forms on placebo films, it is not easy to adjust the content using the software used. Tests with highly concentrated caffeine solutions showed that evaporation of the highly volatile components of the ink containing the active ingredient leads to clogging of the print head nozzles. This problem results in a lower precision and accuracy of the content compared to the official production of capsules. The tests carried out show the current limitations of this technology. Further research is required in the development of inks containing active ingredients, implementation of monitoring systems for quality control and use of the systems under GMP conditions. 2D printing could be a promising manufacturing technology in the future, particularly for the production of dosage forms with sensitive active substances such as proteins or nucleic acids
Evaluation einer kommerziellen KI-Anwendung zur automatisierten Krankheitserkennung im Röntgenthorax an einem deutschen Universitätsklinikum
Get PDFIn einem modernen, digitalisierten Gesundheitssystem mit all seinen komplexen Herausforderungen ist Künstliche Intelligenz (KI) aus dem klinischen Arbeitsalltag, insbesondere in der Radiologie, nicht mehr wegzudenken. Dennoch ist nur ein Bruchteil der aktuell verfügbaren kommerziellen medizinischen KI-Anwendungen durch unabhängige Studien evaluiert. Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit war daher, ein Programm, das mittels künstlicher Intelligenz auf Grundlage eines U-Net-Algorithmus insgesamt 15 verschiedene Erkrankungsbilder in Röntgenuntersuchungen des Thorax automatisiert befundet, anhand von
Aufnahmen aus einer deutschen Universitätsklinik zu evaluieren.
Dafür wurden 479 Untersuchungen mittels eines Auswertungsbogens durch zwei erfahrene Radiolog*innen zunächst separat befundet. Für sieben ausgewählte Krankheitsbilder erfolgte anschließend ein zusätzlicher, gemeinsamer Befundungsdurchgang der initial diskrepanten Untersuchungen. Separat davon wurden alle Röntgenuntersuchungen durch die KI-Anwendung analysiert. Die Diagnosen wurden anschließend mittels ROC-Analysen für unterschiedliche Klassifikations-Schwellenwerte abgeglichen. Sie wurden sowohl getrennt nach einzelnen Krankheitsbildern, als auch kombiniert im Sinne eines ganzheitlichen Befundes ausgewertet. Zudem erfolgte eine Analyse möglicher Einflussparameter auf die Übereinstimmung zwischen Mensch und KI mittels hierarchischer Regression.
Insgesamt ergab sich über alle Krankheitsbilder hinweg eine sehr gute Übereinstimmung der Konsens-Befunde und der KI-Ergebnisse mit AUC-Werten zwischen 0,79 und 0,92, Sensitivitäten zwischen 70% und 100% bei Spezifitäten von 57% bis 88%. Für den negativen prädiktiven Wert konnten für alle Erkrankungen exzellente Ergebnisse von mindestens 97% erzielt werden. Die besten Ergebnisse zeigten sich für die automatisierte Befundung jeweils einzelner Krankheitsbilder, für kombinierte Befunde waren die Ergebnisse weniger gut. Es zeigte sich ein Einfluss der Parameter Alter, Geschlecht und Komorbidität auf die
Übereinstimmung der menschlichen und der KI-Befunde.
Die Ergebnisse dieser Arbeit implizieren, dass KI-Anwendungen wie die hier vorliegende zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht für die vollständig automatisierte Befundung von Röntgenuntersuchungen des Thorax genutzt werden sollten. Es zeigte sich jedoch auch, dass solche Anwendungen in speziellen Situationen – wie etwa Screening-Szenarien – und mit qualifizierter menschlicher Supervision bereits heute eine große Unterstützung im klinischen Arbeitsalltag darstellen können
Structure Prediction and Computational Protein Design for Efficient Biocatalysts and Bioactive Proteins
Get PDFThe ability to predict and design protein structures has led to numerous applications in medicine, diagnostics and sustainable chemical manufacture. In addition, the wealth of predicted protein structures has advanced our understanding of how life's molecules function and interact. Honouring the work that has fundamentally changed the way scientists research and engineer proteins, the Nobel Prize in Chemistry in 2024 was awarded to David Baker for computational protein design and jointly to Demis Hassabis and John Jumper, who developed AlphaFold for machine‐learning‐based protein structure prediction. Here, we highlight notable contributions to the development of these computational tools and their importance for the design of functional proteins that are applied in organic synthesis. Notably, both technologies have the potential to impact drug discovery as any therapeutic protein target can now be modelled, allowing the de novo design of peptide binders and the identification of small molecule ligands through in silico docking of large compound libraries. Looking ahead, we highlight future research directions in protein engineering, medicinal chemistry and material design that are enabled by this transformative shift in protein science
Automated long‐term monitoring of RFID‐tagged individuals reveals high hibernaculum site fidelity in Daubenton's bats and Natterer's bats
Get PDFIn the temperate zone, many bat species depend on underground sites during the autumn mating period and as hibernacula in winter. Anthropogenic or natural alteration or destruction of a hibernaculum may severely threaten the bats that rely on the site, especially if they are not aware of suitable alternatives. Currently, the rate at which bats visit other hibernacula, or disperse between them, is poorly understood. Here, we studied hibernation site fidelity in two European bat species, Daubenton's bat (Myotis daubentonii) and Natterer's bat (Myotis nattereri), that share hibernacula but differ in their hibernation phenology and mating systems. The activity of over 2500 RFID‐tagged individuals was monitored using an automated recording system at the entrances of three hibernacula over eight full years. Hibernation site fidelity was high in both species, with only 1.6% of Daubenton's bats and 4.1% of Natterer's bats moving between the monitored sites during their lifetimes. Juvenile bats moved more frequently than adults and contrary to our expectations, in Natterer's bats, more females moved between hibernacula than males. Movements almost always occurred during the autumn mating season, and more frequently between neighboring hibernacula than between distant sites. Finally, we also found that individuals rarely explored more than one of the three entrances to a site, despite their close proximity. Taken together, our results suggest that some juvenile bats may explore multiple sites, but that they rarely disperse to other hibernacula as adults. As a result, most individuals are either not aware of alternative sites or do not regularly update this information. We therefore argue that the creation of new underground objects as a mitigation measure may not function as an immediate compensation for the disturbance or the loss of an existing hibernaculum. Instead, the proactive identification and protection of existing hibernacula should be prioritized
Pain Catastrophizing and Functional Activation During Occlusion in TMD Patients—An Interventional Study
Get PDFIn temporomandibular disorder (TMD), the effects of standard interventions such as using an occlusal splint and its impact on pain relief and pain catastrophizing are poorly understood. Earlier work pointed to a crucial role of insula activation with changes in pain relief by occlusal splint treatment. We performed a functional imaging study using specially developed splint systems to allow for a placebo‐controlled longitudinal design. Using functional MRI we examined 20 TMD patients during repetitive occlusal movements at baseline and over the course of splint therapy and also collected self‐reported pain catastrophizing. For balancing performance between baseline and after intervention we used occlusion force measures in an individualized fMRI‐splint system. Splint therapy lasted for approximately 7 weeks with one group selected by randomization wearing a palatine placebo splint over the first 3 weeks (delayed start; 11 individuals). As expected, fMRI activation in areas involved in pain processing (insula, primary and secondary somatosensory cortex) decreased with intervention. At baseline a positive correlation between activation of the left anterior insula and pain catastrophizing was present. Both parameters decreased over intervention while associations were primarily observable for patients with rather mild TMD
Comparative Bioremediation of Tetradecane, Cyclohexanone and Cyclohexane by Filamentous Fungi from Polluted Habitats in Kazakhstan
Get PDFStudying the fates of oil components and their interactions with ecological systems is essential for developing comprehensive management strategies and enhancing restoration following oil spill incidents. The potential expansion of Kazakhstan’s role in the global oil market necessitates the existence of land-specific studies that contribute to the field of bioremediation. In this study, a set of experiments was designed to assess the growth and biodegradation capacities of eight fungal strains sourced from Kazakhstan soil when exposed to the hydrocarbon substrates from which they were initially isolated. The strains were identified as Aspergillus sp. SBUG-M1743, Penicillium javanicum SBUG-M1744, SBUG-M1770, Trichoderma harzianum SBUG-M1750 and Fusarium oxysporum SBUG-1746, SBUG-M1748, SBUG-M1768 and SBUG-M1769 using the internal transcribed spacer (ITS) region. Furthermore, microscopic and macroscopic evaluations agreed with the sequence-based identification. Aspergillus sp. SBUG-M1743 and P. javanicum SBUG-M1744 displayed remarkable biodegradation capabilities in the presence of tetradecane with up to a 9-fold biomass increase in the static cultures. T. harzianum SBUG-M1750 exhibited poor growth, which was a consequence of its low efficiency of tetradecane degradation. Monocarboxylic acids were the main degradation products by SBUG-M1743, SBUG-M1744, SBUG-M1750, and SBUG-M1770 indicating the monoterminal degradation pathway through β-oxidation, while the additional detection of dicarboxylic acid in SBUG-M1768 and SBUG-M1769 cultures was indicative of the fungus’ ability to undertake both monoterminal and diterminal degradation pathways. F. oxysporum SBUG-M1746 and SBUG-M1748 in the presence of cyclohexanone showed a doubling of the biomass with the ability to degrade the substrate almost completely in shake cultures. F. oxysporum SBUG-M1746 was also able to degrade cyclohexane completely and excreted all possible metabolites of the degradation pathway. Understanding the degradation potential of these fungal isolates to different hydrocarbon substrates will help in developing effective bioremediation strategies tailored to local conditions
Investigating phytoplankton community responses to light quantity, light quality, and nutrient supply
Get PDFIn den letzten Jahren hat die Erforschung der Artenvielfalt an Bedeutung gewonnen, da die Sorge über den Einfluss anthropogener Faktoren wie Klimawandel und Eutrophierung auf die Existenz der meisten Ökosysteme wächst. In aquatischen Systemen bildet das Phytoplankton die zentrale Grundlage der Nahrungsnetze, und veränderte Umweltbedingungen können sowohl die Physiologie des Phytoplanktons als auch die Artenzusammensetzung von Gemeinschaften verändern. Dies kann zu aufeinanderfolgenden Effekten führen, die das gesamte Ökosystem beeinflussen. Während die Vorteile einer größeren Artenvielfalt (wie z.B. einer effizienteren Ressourcennutzung), nachgewiesen wurden, sind die zugrunde liegenden Mechanismen nach wie vor unklar.
Zunächst untersuchte ich die physiologischen Reaktionen von Phytoplankton-Gemeinschaften, die sich aus fünf Arten verschiedener Taxa zusammensetzten, auf eine multifaktorielle Umgebung. In diesem Laborexperiment lag der Fokus auf der Lichtintensität, Lichtvariabilität und Nährstoffversorgung (Experiment 1, Studie 1). Die Reaktionen des Phytoplanktons auf den verschiedenen Zeitskalen zeigten, dass die Gemeinschaften die Lichtvariabilität zu einem gewissen Grad kompensieren können. Die Gemeinschaften veränderten insgesamt ihre Pigmentzusammensetzung auf der mittleren Zeitskala, um die schnell reagierende photosynthetische Aktivität an die veränderlichen Bedingungen anzupassen. Bei der langsamen Reaktion der Biomasse und der Artenzusammensetzung schienen die Auswirkungen gering, aber artspezifisch zu sein.
Darüber hinaus konnte ich mit Hilfe des Bray-Curtis-similarity-index zeigen, dass die wichtigsten Mechanismen bei der Formung von Phytoplanktongemeinschaften von den Umweltbedingungen bestimmt werden (Experiment 1, Studie 2). Bei Nährstoffmangel war die Veränderung der Artenzusammensetzung (species sorting) von größerer Bedeutung, während die Arten bei ausreichender Nährstoffversorgung in der Lage waren, ihr Fettsäureprofil zu verändern (physiological plasticity). Zusätzlich, waren die Fettsäurekonzentrationen, welche Hinweise auf die Nahrungsqualität geben, abhängig von den Phosphor- und Lichtbedingungen. Dies unterstreicht die Bedeutung multifaktorieller Studien auf der Ebene der Phytoplanktongemeinschaft für Zooplanktonkonsumenten.
Schließlich verwendete ich ein speziell angefertigtes LED-Beleuchtungssystem, um Teile des Lichtspektrums schrittweise zu reduzieren, welches der vertikalen Verteilung der Lichtqualität in den meisten Seen ähnelt (Experiment 2, Studie 3). In diesem Laborexperiment stellte ich 13 einzigartige Gemeinschaften aus einer Kollektion, bestehend aus sieben Arten verschiedener Taxa, zusammen. Mit diesen untersuchte ich die Auswirkungen verschiedener Lichtqualitäten (zunehmender Anteil an blauem Licht) auf die Wachstumsraten, die daraus resultierende Zusammensetzung der Gemeinschaften und die Biomasseproduktion. Dabei zeigte sich, wie spezifisch die einzelnen Arten in einer Gemeinschaft auf bestimmte Wellenlängen und Konkurrenzarten reagieren können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Zusammenspiel von Ressourcenbedarf und -nutzung sowie inter- und intraspezifischer Konkurrenz Schlüsselkomponenten für das Verständnis der Verteilung von Phytoplanktonarten und der Struktur von Gemeinschaften in aquatischen Ökosystemen sind. Hier habe ich mit der Entwicklung eines neuen Beleuchtungssystems und der Anwendung konservativer Biodiversitätsindizes auf verschiedene Reaktionsvariablen, die für das Verständnis der Entwicklung von Phytoplanktongemeinschaften von entscheidender Bedeutung sind, einen Fortschritt auf diesem Gebiet erzielt. Diese ermöglichen eine genauere Untersuchung der Reaktionen von Phytoplanktongemeinschaften auf die sich verändernde Welt.Recent years have seen a growing focus in research on species diversity due to concerns over anthropogenic factors like climate change and eutrophication, posing new threats to ecosystems. In aquatic ecosystems, phytoplankton form the central base of food webs and these shifting environmental conditions can affect both the phytoplankton’s physiology as well as the species composition of a community, triggering cascading effects across the whole ecosystem. While benefits of increased species diversity (such as resource use efficiency) have been previously established, the underlying mechanisms remain unclear.
I first investigated the responses of phytoplankton communities (consisting of five species belonging to different taxa) to a multifactorial environment regarding different light intensities, light variability conditions, and nutrient supplies (experiment 1, study 1). The responses of phytoplankton at different time scales showed that communities can to some extent compensate for light variability. The communities adjusted the pigment composition over the intermediate scale to adapt the fast photosynthesis response to the new conditions. While the effect on the slow response of biomass and species composition was relatively small, it was species specific.
Additionally, by using the Bray-Curtis similarity index I showed that the mechanisms which are important in shaping phytoplankton communities are determined by the environmental conditions (experiment 1, study 2). While nutrients were limiting species sorting (changes of the species composition) was more relevant, whereas at sufficient nutrient supply species engaged in physiological plasticity (changes of fatty acid profile). Furthermore, fatty acid concentrations as indicators of food quality were dependent on phosphorous and light condition, emphasizing the importance of multifactorial studies at the phytoplankton community level for zooplankton consumers.
Lastly, I used a custom-built LED lighting system to simulate the vertical light quality distribution in most lakes. (Experiment 2, study 3). In this laboratory experiment, I assembled 13 unique communities from a collection consisting of seven species of different taxa. With these I investigated the effects of different light qualities (increasing proportion of blue light) on growth rates, resulting community composition, and biomass production. The results showed how each species in a community can react to specific wavelengths and competitor species.
In conclusion, the interplay of resource requirements and utilization, as well as inter- and intraspecific competition, are key components understanding phytoplankton species distribution and community structure in changing aquatic ecosystems. Here, I advanced the field by using a multifactorial environment, developing a new lighting system, and applying conservative biodiversity indices on new response variables. These allow for more detailed examination of the responses of phytoplankton communities to the changing world