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Einfluss peri-operativer Antibiotika Regime auf Häufigkeit und lokale Dynamik ESBL-positiver Escherichia coli sowie Komposition und Diversität des enteralen Mikrobioms bei hospitalisierten Pferden
Get PDFDiese Arbeit war Teil eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten interdisziplinären Forschungsnetzwerks (#1HealthPREVENT) und stellte eine einmalige peri-operative antibiotische (Penicillin/Gentamicin (P/G)) Prophylaxe (PAP) im Zuge eines operativen Eingriffs nach diagnostizierter Kolik beim Pferd der bislang üblichen fünf-Tage-Antibiose gegenüber, mit dem Ziel den Einfluss der PAP auf die Häufigkeit von (engl.) Extended Spectrum β-Lactamase produzierenden Escherichia coli (ESBL-EC) und die Veränderungen im enteralen Mikrobiom der Pferde zu untersuchen und zur Verbesserung des sorgfältigen Einsatzes von Antibiotika in der Veterinärmedizin beizutragen. Die per Los jeweils einer der zwei Gruppen („single shot“ Gruppe (SSG); „5 days“ Gruppe (5DG)) zugeordneten Pferde wurden dafür jeweils an drei verschiedenen Zeitpunkten (Klinikaufnahme (t0), Tag 3 (t1) und Tag 10 (t2) postoperativ) beprobt (Kotproben und Nüsternabstriche). Zusätzlich zur Gruppe der hospitalisierten Pferde wurde auch eine nicht-hospitalisierte Kontrollgruppe ohne klinische Auffälligkeiten einbezogen. Alle Proben wurden hinsichtlich positiver ESBL-EC untersucht und die identifizierten Isolate phänotypisch (durchgeführt vom Institut für Mikrobiologie und Tierseuchen, Freie Universität Berlin) und genotypisch charakterisiert. Unabhängig vom P/G PAP-Schema stieg für die Pferde die Wahrscheinlichkeit von t0 zu t1 sowie von t0 zu t2 an, positiv für ESBL-EC zu sein. Die Ganzgenom-Sequenzierung der Isolate ergab außerdem eine enge räumliche und zeitliche Beziehung zwischen Isolaten mit gemeinsamen Sequenztypen, was auf eine lokale Ausbreitung hindeutete. Die 16S rRNA-Gen Sequenzierung der Kotproben (durchgeführt vom Institut für Klinische Molekularbiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel) zur Untersuchung der Veränderungen im enteralen Mikrobiom zeigte nach der bioinformatischen Aufbereitung (durchgeführt von Silver Anthony Wolf, Robert Koch-Institut) und Fach-übergreifenden Analyse eine Beeinträchtigung in der Zusammensetzung der fäkalen Mikrobiota (Alpha-Diversität) für Pferde mit akuter Kolik im Vergleich zur Kontrollgruppe, welche jedoch nicht signifikant war. Die mikrobielle Gesamtkomposition der untersuchten Proben (Beta-Diversität) wies vor allem für die 5DG an t1 erhebliche Einschränkungen auf, was höchstwahrscheinlich auf die fortlaufende Verabreichung von Antibiotika zurückzuführen war. In beiden Studiengruppen wurde zudem an t1 eine erhöhte Abundanz von Enterobacteriaceae, insbesondere Escherichia, festgestellt. Insgesamt wiesen die Ergebnisse dieser Arbeit einen starken Einfluss des Krankenhausaufenthaltes an sich auf, vor allem auf die ESBL-EC-Isolationsraten, wodurch möglicherweise Unterschiede zwischen den verschiedenen PAP-Behandlungen überdeckt wurden. Trotzdem stellen die in dieser Studie gesammelten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse einen ersten wichtigen Schritt in der Etablierung von Antibiotic Stewardship-Programmen in Pferdekliniken dar und könnten somit einen langfristigen Einfluss auf die lokale Verbreitung von ESBL-EC haben
Evaluation einer neuen Rohrpostkartusche mit integriertem Arretierungsmechanismus und automatischer Entladefunktion
Get PDFAerocom® (Schwäbisch Gmünd, Deutschland) hat einen neuen Prototyp für Rohrpostsysteme entwickelt, der eine Transportkapazität von bis zu 9 Blutröhrchen hat. Diese werden beim Schließen des Deckels automatisch fixiert. In dieser Studie wurde der Einfluss des Transports auf die Qualität der Blutproben unter Verwendung des Prototyps im Vergleich zum Kuriertransport und der konventionellen Rohrpostkartusche (AD160, Aerocom®) untersucht.
Sets aus je drei Blutprobenröhrchen (1 Lithium-Heparin, 1 EDTA, 1 Natrium-Zitrat) von insgesamt 35 Probanden wurden zufällig auf die drei Transportmethoden Kurier, konventionelle Rohrpostkartusche und den Kartuschenprototypen verteilt. Nach dem Transport wurden 51 Messgrößen aus der klinischen Chemie, Hämatologie und Gerinnung ermittelt und miteinander verglichen.
Insgesamt zeigten 49 der 51 untersuchten Messgrößen eine gute Übereinstimmung zwischen den drei Transporttypen, insbesondere zwischen der konventionellen Kartusche und dem Kartuschenenprototyp. Im Blick auf die bekannten hämolysesensitiven Messgrößen zeigte Kalium keine statistisch signifikanten Diskrepanzen. Bei der Laktatdehydrogenase (LDH) und dem freien Hämoglobin (fHb) ergaben sich jedoch statistisch signifikante Unterschiede jeweils zwischen den Werten für Kurier und den beiden Rohrpostkartuschen, wobei diese Unterschiede aus klinischer Sicht zu vernachlässigen sind. So lag die mittlere Konzentration von fHb bei 0,29 g/L (18 µMol/L), 0,31 g/L (19 µMol/L) bzw. 0,32 g/L (20 µMol/L) für den Kuriertransport, die konventionelle Kartusche und den Kartuschenprototyp. Diese Unterschiede lassen sich analytisch nicht auflösen, da die minimale Differenz (MD) für fHb bei dieser Konzentration 0,052 g/L (3,23 µMol/L) beträgt.
Abschließend stellen wir fest, dass der Prototyp von Aerocom® für den Transport von diagnostischen Blutproben geeignet ist. Der gesamte Arbeitsablauf wird mithilfe dieses Prototyps maßgeblich verbessert, indem die Arbeitszeit auf der Station und im Labor verringert und gleichzeitig das Risiko für Hämolyse durch unzureichend oder falsch verpackte Proben minimiert wird.A carrier prototype by Aerocom® (Schwäbisch Gmünd, Germany) for pneumatic tube systems (PTS) is able to transport 9 blood tubes which are automatically fixed by closing the lid. In this study, we examined the influence of the transport on blood sample quality using the carrier prototype comparing to courier transport and a conventional carrier (AD160, Aerocom®).
Triplicate blood samples sets (1 lithium heparin, 1 EDTA, 1 sodium citrate) of 35 probands were split among the transportation methods 1. courier, 2. conventional carrier and 3. carrier prototype. After transport 51 measurands from clinical chemistry, hematology and coagulation were measured and compared.
Overall, 49 of the investigated 51 measurands showed a good concordance among the three transport types, especially between the conventional carrier and the carrier prototype. Focusing on well-known hemolysis sensitive measurands, potassium showed no statistically significant differences. However, between courier and both carrier types lactate dehydrogenase (LDH) and free hemoglobin (fHb) showed statistically significant shifts, whereas the clinical impact of the identified differences was neglectable. The median concentration of fHb, for example, was 18 µMol/L, 19 µMol/L and 20 µMol/L for courier transport, conventional carrier and carrier prototype, respectively. These differences cannot be resolved analytically since the minimal difference (MD) for fHb is 3.23 µMol/L at this concentration.
The carrier prototype by Aerocom® is suitable for transportation of diagnostic blood samples. The overall workflow is improved by decreasing hands-on-time on the ward and laboratory while minimizing the risk of incorrectly packed carriers
Dynamische MR- Mammografie – Prävalenz und Follow- Up von Brustläsionen in der Normalbevölkerung
Get PDFBrustkrebs ist die häufigste Tumorerkrankung bei Frauen in Deutschland. Hohe Inzidenzraten und die Erkrankung junger Frauen führen zu wichtigen medizinischen und sozioökonomischen Auswirkungen dieser Krankheit. Ergebnisse prospektiver randomisierter Studien zeigen, dass eine frühzeitige Diagnose zu einer reduzierten Sterblichkeit durch Brustkrebs führt. Daher wurde auch in Deutschland ein Mammografie- Screening- Programm (MSP) eingeführt, das Frauen im Alter von 50 bis 69 Jahren zur Teilnahme an einer Mammografie alle zwei Jahre berechtigt. Zahlreiche Studien belegen eine reduzierte Sensitivität der Mammografie bei Frauen mit dichtem Brustgewebe, wodurch Intervallkarzinome mit einer Häufigkeit von 30- 50 % im MSP auftreten. Die begrenzte Sensitivität der Mammographie und die damit verbundene relativ hohe Intervallkarzinomrate haben das Interesse an alternativen Screening- Methoden wie die Tomosynthese und Sonografie geweckt. Die MR- Mammografie (MRM) wurde bisher zum Screening von Frauen mit hohem Brustkrebsrisiko eingesetzt. In diesem Setting weist sie im Vergleich zur Mammographie und Sonografie eine durchweg überlegene Sensitivität auf. Inzwischen gibt es erste Hinweise darauf, dass sich ein MRM- Screening bei Frauen mit familiärem Brustkrebs auch in einem Überlebensvorteil niederschlägt. Zu Beginn dieser Untersuchungen existierte keine Studie, die den Nutzen der MRM zum Screening bei Frauen mit durchschnittlichem Brustkrebsrisiko untersucht hat.
Ziel der vorliegenden Studie war es daher, den Einsatz der MRM für die Detektion des Mammakarzinoms innerhalb einer Normalbevölkerung zu evaluieren. Die Study of Health in Pomerania (SHIP)-Studie ist eine populationsbasierte Bevölkerungsstudie und repräsentativ für eine deutsche Normalbevölkerung. Im Rahmen der SHIP-Studie durchgeführte, kontrastmittelgestützte, dynamische MRM wurden unter Verwendung des MR-BI-RADS Atlas des American College of Radiology standardisiert ausgewertet. Ziel war es, zu klären mit welcher Prävalenz unterschiedliche Brustläsionen in der MRM in der Normalbevölkerung auftreten, wie hoch die Raten an abklärungsbedürftigen Befunden (Recall- Rate), die Biopsierate und die Karzinomrate sind und wie sich diese Parameter im Vergleich zu aktuellen Daten aus dem MRM- Hochrisikoscreening und dem deutschen MSP verhalten.
In der vorliegenden populationsbasierten Beobachtungsstudie haben sich im Zeitraum von Juni 2008 bis Oktober 2012 774 Frauen einer kontrastmittelgestützten MRM unterzogen. Das mittlere Alter betrug 51 ± 12,9 Jahre (Umfang 20 - 83 Jahre). 320 (41,3 %) Frauen waren prämenopausal und 454 (58,7 %) postmenopausal.
Die standardisierte Auswertung der Bilddaten anhand des modifizierten MR-BI-RADS Lexikons führte zu einer exzellenten Inter- Reader- Übereinstimmung für die abschließende BI-RADS- Klassifikation (gewichteter kappa 0,828 bzw. 0,857).
113/ 774 Frauen (Detektionsrate 14,6 %) hatten einen mitteilungsbedürftigen Befund der Kategorie BI-RADS IV (N=106, 13,7 %) oder BI-RADS V (N=7, 0,9 %). Von den insgesamt 128 suspekten Läsionen waren 84 (65,6 %) Herdbefunde, 29 NML (22,7 %) und 15 Foci (11,8 %). Die Mehrzahl der kontrastmittelanreichernden Läsionen (825/ 953, 86,6 %) wurde dagegen als gutartig (BI-RADS II) beschrieben. Da eine Direktzuweisung von Probandinnen mit abklärungsbedürftigen Befunden an die Kliniken und Institute der Universitätsmedizin Greifswald zur weiteren Abklärung seitens der Ethikkommission untersagt wurde, erfolgte diese über die Haus- und Fachärzte. Die Ergebnisse der Abklärungsdiagnostik wurden mittels Fragebogen bei den Haus- und Fachärzten und bei den Probandinnen selbst angefragt. Die gesamte Nachverfolgungsrate betrug 111/113 (98,2 %) Frauen bzw. 124/128 (96,9 %) Läsionen. Bei 21/111 (18,9 %) Frauen bzw. 23/124 (18,5 %) Läsionen erfolgte eine histologische Sicherung (Biopsierate 21/ 774, 2,7 %). Ein Malignom wurde bei 7/774 Frauen (Karzinomrate 0,9 %) histologisch gesichert: sechs invasive Mammakarzinome (zweimal Stadium T1b, dreimal Stadium T1c, einmal Stadium T2) und ein duktales Carcinoma in situ (DCIS). Bei einer Probandin (0,13 %) wurde eine NML fälschlicherweise als benigne eingestuft (falsch negativ).
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser prospektiven Beobachtungsstudie, dass eine standardisierte Auswertung von MR- Mammografien mittels MR-BI-RADS Lexikon untersucherunabhängig auch in einer Normalbevölkerung gut durchführbar ist. Dabei muss eine hohe Prävalenz verschiedener Brustläsionen, vor allem benigner Läsionen, antizipiert werden. Erwartungsgemäß zeigen unsere Ergebnisse eine höhere Abklärungsrate, Biopsierate und Karzinomrate im Vergleich zum deutschen MSP, was die Annahme einer höheren Sensitivität der kontrastmittelgestützten MRM nicht nur bei Frauen mit erhöhtem Brustkrebsrisiko, sondern auch bei Frauen in einer Normalpopulation mit durchschnittlichem Brustkrebsrisiko bestätigt. Analog zu den Ergebnissen aus dem MRM- Risikoscreening wurden in unserer Studie kleine invasive Tumoren und Vorstufen detektiert. Weitere Studien sind erforderlich, um den Nutzen der MRM zum Screening von Frauen mit durchschnittlichem Brustkrebsrisiko zu evaluieren. Die Mehrzahl der neu diagnostizierten Karzinome in dieser Studie wurden bei Frauen im Alter von 40 bis 49 bzw. 70 Jahren gefunden, welche nach den aktuellen gesetzlichen Regelungen des deutschen MSP nicht anspruchsberechtigt zur Teilnahme an einer Früherkennungs- Mammografie sind. Diese Beobachtung unterstützt die Forderungen nach einer Ausweitung der Altersgrenzen im deutschen MSP für Frauen ab 45 Jahre und Frauen bis 74 Jahre, so wie es von den Europäischen Richtlinien für das Mammografie- Screening bereits empfohlen wird
Application and elucidation of enzymes involved in the utilization of marine carbohydrates
Get PDFThis dissertation focuses on the characterization of novel enzymes and metabolic pathways that fulfill crucial functions during marine carbohydrate degradation by Bacteroidetes and thus contributes to an advanced understanding of the global carbon cycle. Depolymerization and utilization of marine polysaccharides by Bacteroidetes requires a tremendous repertoire of enzymes with a wide range of functions. For instance, during the breakdown of the marine red algal polysaccharide porphyran, an oxidative demethylation of the methoxy sugar 6-O-methyl-D-galactose (G6Me) by cytochrome P450 monooxygenases occurs. This reaction produces huge amounts of cytotoxic formaldehyde, marine bacteria capable of degrading porphyran must therefore possess suitable formaldehyde detoxification pathways. Consequently, Article I focus on the identification of possible formaldehyde detoxification pathways in marine
Flavobacteriia, which led to the discovery of the ribulose monophosphate pathway as specific pathway for the detoxification of formaldehyde in certain Bacteroidetes like Zobellia galactanivorans. Furthermore, it was demonstrated in Article II that alcohol dehydrogenases play an essential role in the microbial utilization of G6Me and therefore possess a function in porphyran degradation. Discovering novel enzymes, entire enzymatic cascades or biotechnologically important microorganisms that can metabolize these marine carbohydrates also contributes to the utilization of marine polysaccharides as feedstock for potential biotechnological applications. A prospective biorefinery process was proposed in Article III by the identification of Bacillus licheniformis as promising utilizer of marine carbohydrate-derived monosaccharides and the creation of a microbial cell factory capable of growing on ulvan, a marine carbohydrate obtainable from algal bloom-dominating green algae, enabling an industrial use of the renewable and abundant algal biomass in future
Beeinflussung der Wundheilung von respiratorischen Epithelzellen in vitro durch Roxithromycin
Get PDFIn der vorliegenden Arbeit sollte der Einfluss des Makrolid-Antibiotikums Roxithromycin auf die frühe Phase der postoperativen Wundheilung am Zellkulturmodell untersucht werden. Gründe für den Einsatz des Medikamentes sind abseits der bekannten bakterios-tatischen Wirkung insbesondere die in der Langzeitanwendung beschriebenen immunmodulatorischen Effekte. Es sollte untersucht werden, ob diese bereits in der Akutsituation zu einem Benefit in der Wundheilung im HNO-Bereich führen, da Wundhei-lung hier sekundär verläuft und Wundheilungsstörungen durch Fibrosierungen und Re- Stenosen nicht selten zu einer operativen Korrektur zwingen.
Gewählt wurden S9-Zellen als Modell für respiratorisches Epithel, welche einer standardi-sierten Wundsetzung durch Stanzung unterzogen wurden. Mittels AlamarBlue-Assay wurden zytotoxische Medikamentenkonzentrationen herausgearbeitet und im Folgenden durch Konzentrationsfindungsversuche über 120 Stunden mit kombinierter Wundsetzung bestätigt. Im Vergleich zur Kontrollgruppe beschleunigt Roxithromycin in Konzentrationen von 10 µg/ml, 20 µg/ml und 40 µg/ml eher die Wundheilung, während Konzentrationen von 80 µg/ml und 160 µg/ml zu einer signifikanten (p ≤ 0.01 bzw. p ≤ 0.05) Hemmung der Wundheilung führen. Die Effekte waren jeweils über die ganze Beobachtungsdauer und im Ausmaß zunehmend nachweisbar. Roxithromycin in einer Konzentration von 160 μg/ml konnte die Zellproliferation 96 und 120 h nach Wundsetzung so stark hemmen, dass die residuale Wundfläche sogar anstieg.
In einem Validierungsansatz konnte zudem herausgearbeitet werden, dass die Wundsetzung konsequenterweise von nur einer/m Experimentierenden erfolgen sollte, um ein re-produzierbares Ergebnis zu erhalten, während sich kein Unterschied in der Auswertung der Wundflächen durch verschiedene Personen zeigte.
Zum Verständnis der molekularbiologischen Effekte des Medikamentes auf Epithelzellen wurden unter Berücksichtigung der in der Literatur beschriebenen maximalen Serumkonzentration bei systemischer Anwendung von Roxithromycin (7,28 ± 1,85 mg/l), fehlenden Hinweisen auf einen zytotoxischen Effekt sowie tendenziell beschleunigter Wundheilung nachfolgend 2D–DIGE-Experimente gekoppelt mit massenspektrometrischen Proteinidentifikationen für die Roxithromycinkonzentration von 10 µg/ml durchgeführt. Es ergaben sich Hinweise auf eine Förderung des Zellwachstums durch Beeinflussung des Polyaminmetabolismus über Induktion der Spermidinsynthase und darüber hinaus Spermidin-abhängige Modifikation des Translationsfaktors EIF5A. Des Weiteren wurde eine Nrf2-assoziierte Antwort auf oxidativen Streß bereits bei niedriger Roxithromycin- Konzentration von 10 µg/ml als protektiver Faktor ermittelt. Durch quantitative LC-MS/MS-Analysen wurde dieser Effekt ebenso für Konzentrationen von 20 und 40 µg/ml Roxithromycin bestätigt. Der weitläufig dokumentierte konzentrationsabhängige zytotoxische Effekt des Medikamentes bei höheren Konzentrationen konnte auch in dieser Arbeit gezeigt werden. Während apoptoseauslösende Proteine in der Konzentration von 10 µg/ml nicht nachgewiesen werden konnten, gelang in höheren Roxithromycin-Konzentrationen eine Darstellung von regulierten Proteinen des intrinsischen und extrinsischen Apoptoseweges, bis hin zur bereits mikroskopisch erfassbaren Zelldepletion bei Konzentrationen von 80 und 160 µg/ml. Insbesondere bei der Konzentration von 20 µg/ml fanden sich Hinweie, dass eine Regulation über den ERK1/2-Pathway stattfindet, welcher umfangreiche Funktionen wie Zytokinfreisetzung, Zellmigration, Zellproliferation und auch Zelltod moderiert.
Die Behandlung mit Roxithromycin führt in niedriger Konzentration (10 µg/ml) tendenziell zu einer beschleunigten Wundheilung ohne Auftreten zytotoxischer Effekte. Grundlage könnte die Aktivierung von Translationsfaktoren (EIF5A) und Protektion vor den Schäden durch oxidativen Streß sein. Damit stellt diese Therapie eine Option in der frühen postoperativen Situation im HNO-Bereich dar, welche allerdings weiterer Untersuchung z. B. durch Testung an Fibroblasten bedarf. Attraktiver erscheint das Outcome bei einer Medikamentenkonzentration von 20 µg/ml, da die epitheliale Wundheilung signifikant schneller abläuft und somit zu einem schnelleren Wundverschluß führt. Die molekularbiologischen Hinweise auf Induktion der Apoptose werden bei dieser Konzentration offenbar noch durch protektive Mechanismen über Beeinflussung der Zellmigration, Neutralisierung von Schäden durch oxidativen Streß und Eingriff in den ERK-Pathway aufgefangen, was bei höheren Roxithromycinkonzentrationen nicht mehr gelingt und in einer Zelldepletion mündet. Daher bietet sich für die Konzentration von 20 µg/ml insbesondere die topische Applikation als Salbenstrang oder Nasenspray an, um die positiven Effekte zu nutzen und die Limitation durch vorheriges Erreichen der maximalen Serumkonzentration zu umgehen. Empfehlenswert ist die Untersuchung des Medikamentes in weiteren Zell-reihen und in vivo da Wundheilung ein multimodaler Prozeß ist. Eine topische Applikation von ggf. höheren lokalen Konzentrationen scheint hier keinen zusätzlichen Nutzen darzustellen
Health insurance uptake, poverty and financial inclusion in the Democratic Republic of Congo
Get PDFThis study estimates the prevalence of health insurance coverage and associated socioeconomic factors in the Democratic Republic of Congo (DRC). Using the nationally representative household survey of the 2017/2018 DRC Multiple Indicator Cluster Survey (MICS), we applied weighted logistic regression models to identify regions and subgroups with low health insurance coverage. The study's findings revealed a low insurance coverage of less than 5%, with significant disparities across provinces and socioeconomic status. Additionally, three factors were strongly associated with the low health insurance coverage rates: education, wealth, and financial inclusion proxied by bank account ownership. Consequently, we recommend that the government, the private sector, and donors prioritize programs targeting provinces with less coverage and individuals without formal education to increase health insurance coverage. This study encourages the government to establish national programs to improve financial inclusion, which could positively impact poverty reduction and health insurance coverage. We also propose that the government initiates pilot projects for premium exemptions and through subsidies for vulnerable populations in the short term, and ensure formal employment for the majority of the population in the long term to facilitate the proper collection of premiums for individuals. Overall, this study contributes to the literature on health insurance in the DRC and sub‐Saharan Africa by identifying the socioeconomic factors that explain the prevalence of health insurance coverage. The findings of this study have important policy implications for the government, the private sector, and donors to promote health insurance coverage and achieve universal health coverage
Investigation of One Health-related high-risk clonal lineages of multidrug resistant Escherichia coli and carbapenemase producing Klebsiella pneumoniae reveals key factors for their success
Get PDFAntimicrobial resistance (AMR) is of paramount importance in the context of One Health, an integrated and unifying approach that aims to achieve a sustainable balance in the well-being of people, domestic and wild animals, plants, and their shared environments. Whenever bacteria become resistant to the therapeutic effects of antibiotics, they can cause infections that are difficult to treat effectively, increasing the risk of severe disease progression and death. Although AMR can develop naturally over time and is per se “ancient”, the excessive use of antibiotics in human and veterinary medicine over the past century has significantly accelerated its emergence and spread. Opportunistic Gram-negative enterobacteria, particularly Escherichia coli (E. coli ) and Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae) strains, increasingly exhibit resistance to multiple classes of clinically used antibiotics, thus presenting multidrug-resistant (MDR) phenotypes. To make matters worse, some of these strains combine multidrug resistance with high-level virulence, posing a threat to both immunocompromised and healthy individuals. Consequently, MDR E. coli and K. pneumoniae have been designated as high-risk pathogens by the World Health Organization, underscoring the urgent need for new antibiotic development.
This thesis is motivated by the fact that only a limited number of international high-risk clonal E. coli and K. pneumoniae lineages stand out across all One Health dimensions and dominate the broad pool of MDR enterobacteria. While we only know little about the underlying drivers and contributing factors impacting their occurrence, emergence, and adaptation across different ecologies, this thesis employs a diverse range of bioinformatics and phenotypic approaches to identify the key factors important for the success of these lineages, also in rather under-explored settings. It includes three main components: (i) the analysis of genomic survey data of MDR E. coli isolates from ecologies in sub-Saharan Africa, (ii) the application of functional genomics and phenotyping techniques to characterize bacterial virulence and assess its clinical relevance in a food-borne E. coli strain, and (iii) the investigation of evolutionary pathways that promote the development of resistance to a novel drug combination and exploring compensatory mechanisms in a K. pneumoniae strain. To achieve these objectives, this research integrates genomics and transcriptomics with molecular biology and functional studies encompassing a comprehensive set of in vitro and in vivo virulence and resilience assays to explore MDR bacteria in-depth.
We provide compelling evidence for the broad occurrence of successful high-risk clonal lineages in the One Health context and their circulation among clinics, wildlife, and food in international locations. In the first study, we isolated extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-producing E. coli strains from houseflies collected from various wards at the University Teaching Hospital of Butare (Rwanda). In a follow-up study, we then examined in-depth the genomes of additional ESBL-producing E. coli from the same clinic and obtained from hospitalized patients, their caregivers, associated community members, and pets. The analyses revealed that the sample sets from this sub-Saharan African context consisted predominantly of globally recognized E. coli lineages, including sequence types (ST)131, ST167, ST410, and ST617. They play a pivotal role in the further dissemination and stabilization of AMR across diverse habitats within the One Health context. Moreover, our genomic results emphasize that these One Health-related high-risk clonal lineages exhibit the ability to successfully combine multidrug resistance with high-level bacterial virulence.
To gain a more detailed understanding of the sophisticated interplay of virulence and AMR, we developed and refined a set of in vitro and in vivo methods for virulence phenotyping. These methodologies enabled us to characterize pathogens based on crucial clinical aspects such as biofilm formation, siderophore secretion, resistance to complement-mediated killing, and their capacity to cause mortality in Galleria mellonella larvae. By using a food-borne E. coli strain from an internationally recognized high-risk clonal lineage, we verified the remarkable combination of a MDR phenotype with clinically significant virulence properties, including synthesis of curli fibers and cellulose as part of biofilm formation, extensive secretion of siderophores, resilience against complement-containing human serum and pronounced mortality in the infection model.
Nevertheless, the success of One Health-related high-risk clonal lineages does not rely solely on an “ideal” synergistic interplay between bacterial virulence and AMR. It also depends on their ability to rapidly mitigate the fitness costs associated with AMR acquisition, as these costs manifest in the form of reduced competitiveness and virulence in the absence of antibiotics. However, this is at odds with the observation of the global distribution of One Health-related high-risk clonal lineages across various One Health dimensions, even in environments with expectedly low selection pressures. To comprehensively address this, we conducted experimental evolution studies selecting for ceftazidime-avibactam-resistant mutants, which illuminated the rapid adaptations to changing environments. The adaptations and compensatory mechanisms were seemingly driven by major bacterial regulators, including the envelope stress response regulator RpoE on genomic and transcriptomic levels.
In conclusion, the results of this thesis shed light on the fundamental principles that govern the character and interplay between AMR and bacterial virulence and advance our understanding of the contributors and drivers of successful MDR international high-risk clonal lineages in the One Health context. This is also important for effective and alternative intervention strategies to prospectively further address the global threat of AMR.Die Problematik der antimikrobiellen Resistenz (AMR) steht im Mittelpunkt des One Health Konzepts. Dieses Konzept umfasst einen ganzheitlichen Ansatz zur Sicherstellung eines nachhaltigen Gleichgewichts für das Wohlergehen von Menschen, domestizierten und wildlebenden Tieren, Pflanzen sowie ihrer gemeinsamen Umwelt. Wenn Bakterien gegen die therapeutische Wirkung von Antibiotika resistent werden, können sie Infektionen verursachen, die nur schwer wirksam zu behandeln sind und das Risiko eines schwerwiegenden Krankheitsverlaufs oder sogar des Todes erhöhen. Obwohl sich AMR im Laufe der Zeit natürlich entwickeln kann und daher an sich „vorzeitlich“ ist, hat der übermäßige Einsatz von Antibiotika in der Human- und Veterinärmedizin im letzten Jahrhundert ihr Auftreten und ihre Verbreitung erheblich beschleunigt. Opportunistische gramnegative Enterobakterien, darunter insbesondere Stämme von Escherichia coli (E. coli ) und Klebsiella pneumoniae (K. pneumoniae), weisen zunehmend Resistenzen gegen mehrere Klassen klinisch eingesetzter Antibiotika auf und zeigen somit multiresistente (MR) Phänotypen. Das Problem wird dadurch verschärft, dass einige dieser Stämme nicht nur MR, sondern auch hochvirulent sind, was sowohl für immungeschwächte als auch für gesunde Individuen ein ernsthaftes Risiko darstellt. Aus diesem Grund wurden MR E. coli und K. pneumoniae von der Weltgesundheitsorganisation als Hochrisikoerreger eingestuft, was den dringenden Bedarf an der Entwicklung neuer Antibiotika unterstreicht.
Diese Dissertation ist durch die Tatsache motiviert, dass nur eine begrenzte Anzahl internationaler Hochrisiko-Klonlinien von E. coli und K. pneumoniae in allen Dimensionen des One-Health-Konzepts prävalent sind und die große Gruppe der MR Enterobakterien dominieren. Obwohl nur wenig über die zugrundeliegenden bakteriellen Triebkräfte und Faktoren bekannt ist, die ihr Auftreten, ihre Evolution und ihre Anpassung in verschiedenen Ökosystemen beeinflussen, verwendet diese Dissertation eine Vielzahl bioinformatischer und phänotypischer Methoden, um die Schlüsselfaktoren zu identifizieren, die für den Erfolg dieser klonalen Linien, auch in weniger erforschten Umgebungen, entscheidend sind. Die Arbeit gliedert sich daher in drei Hauptkomponenten: (i) die Analyse genomischer Daten von MR E. coli Stämmen aus Ökosystemen in Afrika südlich der Sahara, (ii) die Anwendung funktioneller Genomik und Phänotypisierung zur Charakterisierung der bakteriellen Virulenz und zur Bewertung der klinischen Relevanz am Beispiel eines E. coli Stammes aus rohem Fleisch und (iii) die Untersuchung der evolutionären Wege, die die Resistenzentwicklung gegenüber einer neuartigen Kombination von Wirkstoffen begünstigen, einschließlich der Untersuchung kompensatorischer Mechanismen in einem K. pneumoniae Stamm. Um diese Ziele zu erreichen, werden Genomik und Transkriptomik mit Molekularbiologie und funktionellen Studien kombiniert, einschließlich einer umfassenden Reihe von in vitro- und in vivo-Virulenz- und Resilienztests, um MR Bakterien im Detail zu untersuchen.
Unsere Forschung präsentiert überzeugende Belege für das breitete Vorkommen von erfolgreichen Hochrisiko-Klonlinien im One-Health-Kontext, die sich in Krankenhäusern, der Tierwelt und Lebensmitteln an verschiedenen internationalen Standorten verbreiten. In unserer ersten Studie isolierten wir extended-spectrum β-lactamase (ESBL)-produzierende E. coli Stämme aus Stubenfliegen, die in verschiedenen Abteilungen des Universitätskrankenhauses in Butare (Ruanda) gesammelt wurden. In einer anschließenden Studie analysierten wir die Genome weiterer ESBL-produzierender E. coli Stämme aus derselben Klinik. Diese Stämme wurden sowohl von hospitalisierten Patienten, deren Betreuern sowie von Familienmitgliedern und Haustieren isoliert. Die Analysen zeigten, dass sich die Proben aus diesem subsaharisch-afrikanischen Kontext hauptsächlich aus international anerkannten E. coli Klonlinien zusammensetzten, einschließlich der Sequenztypen (ST)131, ST167, ST410 und ST617. Diese Klonlinien spielen daher eine entscheidende Rolle bei der weiteren Verbreitung und Konsolidierung von AMR in verschiedenen Habitaten des One-Health-Kontextes. Darüber hinaus unterstreichen unsere genomischen Ergebnisse, dass diese One-Health-bezogenen Hochrisiko-Klonlinien die Fähigkeit besitzen, erfolgreich Multiresistenz mit hoher bakterieller Virulenz zu kombinieren.
Um dieses komplexe Zusammenspiel von Virulenz und AMR besser zu verstehen, haben wir eine Reihe von in vitro- und in vivo-Methoden zur Phänotypisierung der Virulenz entwickelt und optimiert. Diese Methoden ermöglichen die Charakterisierung von MR Bakterien hinsichtlich klinisch relevanter Aspekte, wie der Biofilmbildung, der Sekretion von Siderophoren, der Resistenz gegen Komplement-vermittelte Abtötung und ihrer Fähigkeit, Infektionen in Galleria mellonella Larven hervorzurufen. Unter Verwendung eines E. coli Stammes, der zu einer international anerkannten Hochrisiko-Klonlinie gehört und in Lebensmitteln gefunden wurde, konnten wir die bemerkenswerte Kombination eines MR Phänotyps mit klinisch bedeutsamen Virulenzeigenschaften, einschließlich der Synthese von Curli Fasern und Zellulose als Teil der Biofilmbildung, einer ausgeprägten Siderophor-Sekretion, der Widerstandsfähigkeit gegenüber menschlichem Serum und einer deutlichen Mortalität im Infektionsmodell bestätigt.
Der Erfolg von One-Health-bezogenen Hochrisiko-Klonlinien beruht jedoch nicht nur auf einem „idealen“ synergistischen Zusammenspiel zwischen bakterieller Virulenz und AMR. Vielmehr resultiert er auch aus der Fähigkeit der MR Bakterien, die mit dem Erwerb von AMR verbundenen Fitnesskosten schnell zu reduzieren, um ihre Konkurrenzfähigkeit und Virulenz in Abwesenheit von Antibiotika aufrechtzuerhalten. Um dies umfassend zu untersuchen, haben wir experimentelle Evolutionsstudien durchgeführt, bei denen Mutanten selektiert wurden, die gegen Ceftazidim-Avibactam resistent sind. Diese Mutanten zeigten schnelle Anpassungen an veränderte Umweltbedingungen. Die Anpassungen und Kompensationsmechanismen scheinen auf genomischer und transkriptomischer Ebene durch wichtige bakterielle Regulatoren, wie den Regulator der membranständigen Stressantwort RpoE, gesteuert zu werden.
Zusammenfassend tragen die Ergebnisse dieser Dissertation dazu bei, grundlegende Prinzipien aufzuklären, die den Charakter und die Interaktion von AMR und bakterieller Virulenz bestimmen. Gleichzeitig erweitern sie unser Verständnis der Faktoren und treibenden Kräfte erfolgreicher internationaler MR Hochrisiko-Klonlinien im One-Health-Kontext. Diese Erkenntnisse sind auch wichtig für die Entwicklung effektiver und alternativer Interventionsstrategien, um der globalen Bedrohung durch AMR proaktiv zu begegnen
Entstehung und Entwicklung der Genossenschaftsbanken im Baltikum - Darstellung und Analyse der Einflussfaktoren bis zum Zweiten Weltkrieg
Get PDFDie vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die wirtschaftshistorischen Entstehungs- und Entwicklungsprozesse des Genossenschaftsbankwesens im Baltikum bis zum Zweiten Weltkrieg zu untersuchen und zu vergleichen. Dabei werden die Einflussfaktoren der wirtschaftshistorischen Entstehungs- und Entwicklungsprozesse der Genossenschaftsbanken in den jeweiligen Ländern herausgearbeitet und analysiert.
Die genossenschaftliche Entwicklung in den baltischen Gebieten begann in den 1860er Jahren zu einer Zeit, in der die drei Staaten Estland, Lettland und Litauen nicht in ihrer heutigen Form existierten, sondern in Gouvernements aufgeteilt dem Russischen Zarenreich angehörten. Die genossenschaftliche Idee verbreitete sich trotz erheblicher Widerstände in den baltischen Gebieten des Russischen Reichs. Noch vor dem Ersten Weltkrieg bestand ein weitläufiges Netz aus Genossenschaftsbanken. Nach dem Ersten Weltkrieg erklärten die baltischen Länder ihre Unabhängigkeit. Die drei landwirtschaftlich geprägten Republiken Estland, Lettland und Litauen stellten aufgrund verschiedener Faktoren eine vorteilhafte Struktur für die Verbreitung des Genossenschaftswesens dar. Trotz der Weltwirtschaftskrise der 1930er Jahre und des Übergangs der Republiken zu autoritären Regierungen etablierte sich ein starkes Genossenschaftsbankwesen, obgleich sich die Gegebenheiten durch die staatliche Einflussnahme gravierend veränderten. Bis zur Inkorporation der baltischen Staaten in die Sowjetunion im Zuge des Zweiten Weltkriegs und der damit einhergehenden Liquidation des Genossenschaftsbankwesens gehörten die baltischen Länder zu den am meisten kreditgenossenschaftlich entwickelten Ländern der Welt
Production of polyanionic clusters in ion traps
Get PDFThis thesis presents the production of polyanionic clusters within two ion storage devices:
Considering a Penning trap, the accessible range of polyanionic aluminium clusters has been expanded up to the 10th charge state. In particular, abundance curves for clusters with 5 to 9 excess electrons have been measured for the first time and analysed with respect to their lifetime-dependent appearance sizes. These sizes reveal a nearly quadratic dependency on the charge state for experimentally accessible lifetimes.
Additionally, the production of polyanionic clusters has been enabled in a radiofrequency ion trap. Therefore, the transition from a harmonic to a digital 2- and 3-state guiding signal has been investigated with respect to the ion storage. The passing of electrons through the trap during field-free periods of the guiding signal led to the first production of polyanionic clusters within a radiofrequency ion trap.Diese Arbeit beschreibt die Erzeugung polyanionischer Cluster in zwei Ionenfallentypen:
Zunächst wurden in einer Penningfalle polyanionische Aluminiumcluster bis zum 10. Ladungszustand erzeugt. Insbesondere wurden Auftrittskurven für Cluster mit 5 bis 9 überschüssigen Elektronen erstmals gemessen und im Hinblick auf ihre lebensdauerabhängigen Auftrittsgrößen analysiert. Diese Größen zeigen eine nahezu quadratische Abhängigkeit vom Ladungszustand.
Zusätzlich wurde die Produktion polyanionischer Cluster in einer Radiofrequenzfalle untersucht. Dafür wurde die Speicherung von Ionen in Abhängigkeit von harmonischen sowie digitalen Führungsfeldsignalen mit 2 bzw. 3 Zuständen untersucht. Dass Leiten von Elektronen durch die Falle während feldfreier Zeitabschnitte des Führungsfeldsignals ermöglichte die erste Produktion polyanionischer Cluster innerhalb einer Radiofrequenzfalle
Scaffold Guided Bone Regeneration for the Treatment of Large Segmental Defects in Long Bones
Get PDFBone generally displays a high intrinsic capacity to regenerate. Nonetheless, large osseous defects sometimes fail to heal. The treatment of such large segmental defects still represents a considerable clinical challenge. The regeneration of large bone defects often proves difficult, since it relies on the formation of large amounts of bone within an environment impedimental to osteogenesis, characterized by soft tissue damage and hampered vascularization. Consequently, research efforts have concentrated on tissue engineering and regenerative medical strategies to resolve this multifaceted challenge. In this review, we summarize, critically evaluate, and discuss present approaches in light of their clinical relevance; we also present future advanced techniques for bone tissue engineering, outlining the steps to realize for their translation from bench to bedside. The discussion includes the physiology of bone healing, requirements and properties of natural and synthetic biomaterials for bone reconstruction, their use in conjunction with cellular components and suitable growth factors, and strategies to improve vascularization and the translation of these regenerative concepts to in vivo applications. We conclude that the ideal all-purpose material for scaffold-guided bone regeneration is currently not available. It seems that a variety of different solutions will be employed, according to the clinical treatment necessary