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Untersuchung zur Regulation des Phänotyps und der Funktion innater lymphoider Zellen Typ 3 durch dezidualisierte Stromazellen
Full text linkDie Untersuchung der Regulation von innaten lymphoiden Zellen Typ 3 (ILC3) durch
dezidualisierte Stromazellen (DSC) ist entscheidend für das Verständnis
immunologischer Prozesse an der fetomaternalen Schnittstelle während der
Schwangerschaft. Eine dysregulierte Immunantwort im Endometrium kann
schwerwiegende Folgen auf die reproduktive Gesundheit haben. Die Rolle von ILC3
in der Immunmodulation während der Schwangerschaft ist bisher wenig erforscht.
ILC3 produzieren Zytokine wie IL-17 und IL-22, die die Balance zwischen
Entzündungsreaktionen und Gewebshomöostase an der fetomaternalen Schnittstelle
beeinflussen. Die Interaktion zwischen ILC3 und DSC, insbesondere die Freisetzung
regulatorischer Zytokine wie IL-6, IL-7, IL-24, TGF-β1 und SCF durch Stromazellen,
könnte entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung einer Schwangerschaft haben.
Die methodische Vorgehensweise umfasste die Identifikation relevanter Rezeptoren
auf ILC3 sowie die Analyse der von DSC sezernierten Zytokine, darunter IL-6, IL-7,
IL-24, TGF-β1 und SCF. Diese Zytokine wurden auf ihren potenziellen Einfluss auf
ILC3-Populationen hin untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere IL-6 und
IL-7 das immunmodulatorische Potenzial von DSC auf ILC3 beeinflussen könnten,
wobei positive Auswirkungen auf die Regulation der Immunantwort beobachtet
wurden.
Hervorzuheben ist die verminderte IL-6-Sekretion durch DSC, was auf ein mögliches
tolerogenes Milieu an der fetomaternalen Schnittstelle hindeutet. Zusätzlich wurde
eine erhöhte IL-7-Sekretion nach Dezidualisierung festgestellt, welche pro-
inflammatorische Eigenschaften von NCR-ILC3 zu verstärken scheint. Die
Untersuchung von IL-24, TGF-β1 und SCF ergab ebenso interessante Erkenntnisse,
wobei einige Effekte nicht eindeutig nachgewiesen werden konnten.
Insgesamt liefern die Ergebnisse erste Einblicke in die immunmodulatorischen
Mechanismen von DSC auf ILC3 während der Schwangerschaft. Die Vielschichtigkeit
dieses Wechselwirkungsnetzes erfordert jedoch weitere Forschung, um das
Verständnis der fetomaternalen Immunreaktion zu vertiefen und präzise
therapeutische Strategien zu entwickeln. Diese Erkenntnisse könnten bedeutend zur
Schwangerschaftsimmunologie beitragen und die Entwicklung
interventionsbezogener Maßnahmen unterstützen, die die Gesundheit von Mutter und
Kind fördern
Knochenmark von PAO-Patienten als neuartige Quelle für mesenchymale Stammzellen
Full text linkMesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark (KM-MSC) stellen die Grundlage zahlreicher regenerativer und immunmodulatorischer Therapien dar. Das während einer periazetabulären Osteotomie (PAO) routinemäßig verworfene Knochenmark wurde bisher nicht als potenzielle Quelle für KM-MSC von zumeist jungen, gesunden Patienten erkannt. Ziel der dieser Arbeit zugrunde liegenden Publikation war es, dieses Potenzial zu evaluieren und isolierte KM-MSC mit jenen isoliert aus dem bei der Implantation einer Hüft-Total-Endoprothese (H-TEP) anfallendem Knochenmark grundlegend hinsichtlich zellulärer Eigenschaften und Funktionalität zu vergleichen. Während der PAO (n = 31) und der Implantation einer H-TEP (n = 11) verworfenes Knochenmark wurde für die Isolation von KM-MSC mittels Dichtegradientenzentrifugation verwendet. In der grundlegenden Charakterisierung der KM-MSC von PAO- und H-TEP-Patienten wurden die Zellviabilität, Zellproliferation, Zellseneszenz, Anzahl an koloniebildenden Einheiten, Expression von Oberflächenmarkern sowie das Differenzierungspotenzial und die Sekretion wichtiger Proteine bestimmt und verglichen. PAO-Patienten waren signifikant jünger als H-TEP-Patienten. Das bei PAO gewonnene Gewebe enthielt signifikant weniger Knochenmark. Für die erfolgreiche Isolation von KM-MSC war eine Mindestmenge von 0.24 g Knochenmark erforderlich. Die isolierten Zellen wiesen ein für MSC charakteristisches Expressionsmuster der Oberflächenantigene auf. KM-MSC von PAO-Patienten zeigten eine signifikant höhere Proliferation. Im Hinblick auf das osteogene, adipogene und chondrogene Differenzierungspotenzial wurden keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Nach osteogenem Stimulus sekretierten KM-MSC von PAO-Patienten signifikant mehr TGF-ß1, TIMP-2 und VEGF. Knochenmark von PAO-Patienten konnte erfolgreich als neuartige Zellquelle für KM-MSC von jungen Spendern etabliert werden. Als limitierend zeigte sich die je Probe enthaltene Menge an Knochenmark verbunden mit einer daraus resultierenden geringeren initialen Zellausbeute. Die im Vergleich zu KM-MSC von H-TEP-Patienten erhöhte Proliferation und Sekretion von pro-chondrogenen und pro-angiogenen Faktoren der KM-MSC von PAO-Patienten deutet allerdings auf ein hohes Potenzial hinsichtlich zukünftiger Therapieansätze hin. Da die durchgeführten grundlegenden Analysen nur einen ersten Schritt im Translationsprozess zur therapeutischen Nutzbarkeit darstellen, sind weitere Untersuchungen im Sinne von multizellulären in-vitro-Modellen und in-vivo-Test erforderlich, um die klinische Anwendbarkeit der Zellen evaluieren zu können
Comparison of IFNγ-mediated immune responses of macrophages from different host species with varying susceptibility to Mycobacterium tuberculosis
Full text linkMycobacterium tuberculosis (Mtb) poses a significant global health threat, necessitating the identification of protective immune responses across various host species to facilitate eradication efforts through novel vaccine strategies. While it is known that secretion of the cytokine interferon-gamma (IFNγ) by T cells is a primary anti-mycobacterial response across mammals with varying susceptibility to Mtb, knowledge about the downstream effects of IFNγ on macrophages from natural hosts and species-specific differences is incomplete. In this study, we systematically compared the IFNγ-mediated protection by primary macrophages from humans, cattle, and mice against Mtb. Utilizing Mtb growth assays, high-content microscopy, functional assays, RNAseq, and qPCR, we elucidated the similarities and differences in protective immune responses.
Our findings reveal that under comparable culture conditions, IFNγ induced a pro-inflammatory CXCL10-secreting macrophage phenotype in all three species, with numerous genes enriched responsible for pathogen detection, downstream signal transduction, and production of pro-inflammatory cytokines and chemokines. However, while IFNγ restricted intracellular Mtb growth in murine and bovine macrophages, it showed limited efficacy in human macrophages. Transcriptome analysis uncovered significant differences in IFNγ-mediated gene regulation among the species. Notably, ~77.7% of differentially expressed orthologous genes were species-specific upon IFNγ-stimulation and Mtb infection. Among these, numerous genes associated with the JAK-STAT signaling pathway. In particular, the transcription of NOS2 showed the most notable difference, with murine and bovine macrophages upregulating its transcription, while human macrophages did not. Different transcription of NOS2 was confirmed at the protein level and in functional assays, indicating conserved differential activation of NOS2, which was also confirmed additionally in freshly isolated monocytes and ex vivo activated alveolar macrophages across studied species.
In conclusion, our data suggest that IFNγ responses induce unique molecular processes despite a universal transcriptional immune response in macrophages and monocytes from the murine, human, or bovine host. These findings not only enhance our understanding of protective immunity against Mtb but also have implications for vaccine design. The necessity to investigate protective immune responses against Mtb in diverse natural hosts and experimental models is underscored, emphasizing the importance of considering species-specific responses in developing effective TB interventions.Mycobacterium tuberculosis (Mtb) stellt eine erhebliche globale Gesundheitsbedrohung dar, was die Identifikation protektiver Immunantworten in verschiedenen Wirtspezies erforderlich macht, um Ausrottungsbemühungen durch neuartige Impfstrategien zu unterstützen. Während bekannt ist, dass die Sekretion des Zytokins Interferon-Gamma (IFNγ) durch T-Zellen eine primäre antimikrobakterielle Reaktion bei Säugetieren mit unterschiedlicher Anfälligkeit gegenüber Mtb darstellt, ist das Wissen über die nachgeschalteten Effekte von IFNγ auf Makrophagen natürlicher Wirte sowie über artspezifische Unterschiede unvollständig. In dieser Studie verglichen wir systematisch die IFNγ-vermittelte Schutzwirkung primärer Makrophagen von Mensch, Rind und Maus gegen Mtb. Mithilfe von Mtb-Wachstumsassays, hochauflösender Mikroskopie, funktionellen Tests, RNA-Sequenzierung und qPCR untersuchten wir Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den protektiven Immunantworten.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass unter vergleichbaren Kulturbedingungen IFNγ in allen drei Spezies einen proinflammatorischen, CXCL10-sezernierenden Makrophagen-Phänotyp induzierte. Dabei wurden zahlreiche Gene angereichert, die für die Pathogenerkennung, nachgeschaltete Signaltransduktion sowie für die Produktion proinflammatorischer Zytokine und Chemokine verantwortlich sind. Allerdings hemmte IFNγ das intrazelluläre Wachstum von Mtb in murinen und bovinen Makrophagen, zeigte jedoch nur eine begrenzte Wirksamkeit in humanen Makrophagen. Die Transkriptomanalyse offenbarte signifikante Unterschiede in der IFNγ-vermittelten Genregulation zwischen den Spezies. Bemerkenswerterweise waren etwa 77,7 % der differentiell exprimierten orthologen Gene artspezifisch nach IFNγ-Stimulation und Mtb-Infektion. Unter diesen befanden sich zahlreiche Gene, die mit dem JAK-STAT-Signalweg assoziiert sind. Besonders auffällig war die Transkription von NOS2: Während murine und bovine Makrophagen NOS2 hochregulierten, zeigten humane Makrophagen keine derartige Induktion. Diese unterschiedliche Transkription von NOS2 konnte auf Proteinebene und in funktionellen Tests bestätigt werden, was auf eine konservierte differenzielle Aktivierung von NOS2 hinweist. Diese wurde zudem in frisch isolierten Monozyten und ex vivo aktivierten alveolären Makrophagen der untersuchten Spezies verifiziert.
Zusammenfassend deuten unsere Daten darauf hin, dass IFNγ-Antworten trotz einer universellen transkriptionellen Immunreaktion in Makrophagen und Monozyten muriner, humaner und boviner Herkunft artspezifische molekulare Prozesse induzieren. Diese Erkenntnisse erweitern nicht nur unser Verständnis protektiver Immunität gegen Mtb, sondern haben auch weitreichende Implikationen für die Impfstoffentwicklung. Unsere Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit, protektive Immunantworten gegen Mtb in verschiedenen natürlichen Wirten und experimentellen Modellen zu untersuchen und dabei artspezifische Reaktionen bei der Entwicklung wirksamer TB-Interventionen zu berücksichtigen
Without winter no spring - On the importance of dormancy in trees
Full text linkPlants live is challenging. Live in the temperate zone requires high investment in adaptation to changing climatic conditions over the course of the year. Perennial plants enter a state of dormancy to survive the unfavourable time in winter. Dormancy also prevents them from leaving out to early. Research on plants dormancy and how its induction and release is impacted by environmental conditions has become relevant because in the recent decades, spring phenology has advanced substantially due to climate warming, which can have significant effects on the ecosystems.
The advancement of spring leaf-out is slowing down despite further warming, which demonstrates the complexity of temperatures effects on dormancy and phenology. This thesis aims to contribute to our understanding on the mechanism that enables the plants to synchronise with the meteorological seasons. I ask, in which way does winter warming impact or maybe even disturb this mechanism and what does it mean to the plants? Why is the advancement of spring phenology declining? How will the phenology be altered in an extreme warming scenario?
In a series of warming experiments with seedlings of European tree species I investigated, how temperature increase at different times of the year affects bud dormancy development and phenology. I tracked bud dormancy by quantifying dormancy depth and percentage of budburst from late summer to spring leaf-out. In addition, in an international collaboration, colleagues and I analysed how phenological states and characteristics of dormancy are related to each other across different tree species.
I found out that autumn temperature is of crucial importance, as it affects the timing of dormancy induction, which has a strong impact on the timing of next year’s spring leaf-out. Warm autumn temperatures delay leaf senescence and dormancy induction. This delay persists throughout the winter and the buds delay the timing of becoming sensitive to warm temperatures in spring, which is the reason for the decline in spring advancement. At the same time spring, spring temperature rise starts earlier, ultimately leading to increased accumulation of forcing temperatures prior to leaf unfolding. Thus, although spring phenology has substantially advanced over the last decades according to calendar dates, trees actually leaf-out later in relation to spring temperature rise. The temperature in actual winter has no significant effect on dormancy within the investigated range. In fact, from January onwards, winter warming has rather an advancing effect on leaf unfolding, which increases towards spring flushing.
Spring advancement is likely to continue under further climate warming, but its rate is likely to decline further. This means that will trees leaf-out in spring at a time when more warmth has already accumulated than in the past. This might be disadvantageous, as the trees will not be able to take full advantage of the season with optimal growing conditions, in particular in the face of increasing summer drought. It seems worth investigating whether provenances from warmer climate with lower chilling requirements might be better adapted to the climate of the future.Das Leben von Pflanzen ist herausfordernd. Das Überleben in der gemäßigten Zone erfordert hohe Investitionen in die Anpassung an sich im Laufe des Jahres drastisch ändernden Klimabedingungen. Mehrjährige Pflanzen gehen haben die Fähigkeit zur Dormanz entwickelt, um die ungünstige Zeit im Winter zu überstehen. Diese Dormanz verhindert auch, dass sie im Frühjahr zu früh austreiben. Die Erforschung der Dormanz, ihrer Induktion und Beendigung sowie deren Abhängigkeit von den Umweltbedingungen verdient Aufmerksamkeit, denn die Frühjahrsphänologie hat sich in den letzten Jahrzehnten aufgrund der Klimaerwärmung erheblich verschoben.
Die Wirkung der Temperatur auf die Dormanz ist komplex. Zwar treiben die Pflanzen heute infolge der Klimaerwärmung deutlich früher aus als vor einigen Jahrzehnten, doch diese Entwicklung hat sich verlangsamt sich trotz weiterer Erwärmung. Diese Arbeit soll dazu beitragen, die Mechanismen zu verstehen, die es den Pflanzen ermöglicht, ihre Phänologie mit Jahreszeiten zu synchronisieren. Ich habe untersucht, inwiefern die Wintererwärmung diesen Mechanismen beeinflusst oder vielleicht sogar stört und was das für die Pflanzen bedeutet. Warum treiben die Pflanzen heute früher aus und warum nimmt diese Entwicklung ab? Wie wird sich die Phänologie in einem extremen Erwärmungsszenario verändern?
In einer Reihe von Erwärmungsexperimenten mit Sämlingen europäischer Baumarten habe ich untersucht, wie sich ein Temperaturanstieg zu verschiedenen Zeiten des Jahres auf die Entwicklung der Dormanz und die Phänologie auswirkt. Dabei wurde vom Spätsommer bis zum nächsten Frühjahr die Dormanztiefe sowie der prozentuale Anteil von austreibenden Knospen quantifiziert. Darüber hinaus haben wir untersucht, wie die phänologischen Stadien mit Stadien der Dormanz bei verschiedenen Baumarten miteinander zusammenhängen.
Es stellte sich heraus, dass die Herbsttemperatur von entscheidender Bedeutung ist. Sie beeinflusst nicht nur den Zeitpunkt Herbstfärbung, sondern auch die Dormanzinduktion, welche sich wiederum stark auf den Zeitpunkt des Blattaustriebs im nächsten Frühjahr auswirkt. Warme Temperaturen im Herbst führen zu einer späteren Seneszenz der Blätter und einer späteren die Einleitung der Dormanz. Diese Verspätung wird den ganzen Winter über beibehalten. Die Knospen reagieren dann auch später auf warme Frühjahrstemperaturen. Gleichzeitig setzt der Temperaturanstieg im Frühjahr früher ein, was letztlich zu einer stärkeren Wärmeakkumulation bis zur Blattentfaltung führt. Obwohl also die Frühjahrsphänologie in den letzten Jahrzehnten sich deutlich verfrüht hat hinsichtlich des kalendarischen Datums, entfalten sich die Bäume tatsächlich später im Verhältnis zum Temperaturanstieg im Frühjahr. Die Temperatur im eigentlichen Winter hingegen haben innerhalb des untersuchten Temperaturbereichs keine signifikante Auswirkung auf die Dormanz. Vielmehr wirkt sich die Wintererwärmung ab Januar eher verfrühend auf die Blattentfaltung aus, eine Wirkung die sich zum Frühjahr hin verstärkt.
Die Verfrühung der Frühjahrsphänologie wird sich bei weiterer Klimaerwärmung wahrscheinlich fortsetzen, aber seine Geschwindigkeit wird sehr wahrscheinlich weiter abnehmen. Das bedeutet, dass die Bäume zu einem Zeitpunkt austreiben werden, zu dem sich deutlich mehr Wärme angesammelt hat als in der Vergangenheit. Dies könnte sich als nachteilig erweisen, da die Bäume nicht die Saison mit optimalen Wachstumsbedingungen voll auszunutzen können, was insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Sommertrockenheit ungünstig ist. Es scheint lohnenswert zu untersuchen, ob Provenienzen aus wärmeren Klimazonen mit geringerem Bedarf an chilling besser an das Klima der Zukunft angepasst sind
Interactions between government, university, and industry in Chinese innovation development: A spatio-institutional perspective
Full text linkThis PhD thesis examines China’s evolving innovation system by exploring how key stakeholders—including universities, industries, and innovation intermediaries—interact with multiple levels of government in the pursuit of technological leadership amid rising geopolitical and economic challenges. China’s significant rise in research and development (R&D) investment reflects its ambition to move from being a manufacturing powerhouse to a leading innovator. However, China's innovation trajectory differs from Western models due to its hybrid institutional environment, its recent emergence as a knowledge economy, and its state-centric approach to governance.
To address these dynamics, this thesis investigates China-specific institutional arrangements and actor configurations that underpin innovation development. Drawing on the Triple Helix model, which explores the interactions among government, academia, and industry, and integrating insights from geographical political economy (GPE), the study adopts a spatio-institutional lens to examine how innovation actors strategically respond to and shape multi-scalar governance environments. This framework enables a nuanced understanding of the political, spatial, and structural conditions that influence innovation practices in China.
The thesis is composed of three interrelated empirical papers. The first paper conducts a systematic literature review on university-industry linkages (UILs) in China, focusing on how universities, as emerging knowledge producers, respond to state-led innovation imperatives. It reveals that, unlike Western universities, Chinese institutions navigate complex incentive structures that combine administrative directives with market pressures, leading to both proactive and reactive engagement with industry.
The second paper analyses Chinese artificial intelligence (AI) industrial policies through the theoretical lens of state rescaling. It identifies three relational modes—state sponsorship, state cultivation, and state disciplining—through which the central government seeks to shape market development while managing local autonomy. These findings contribute to understanding the nuanced ways in which state capitalism manifests in China, particularly through central-local negotiations in strategic industries.
The third paper presents a case study of New Research & Development Institutes (NRDIs), a novel form of university-based innovation intermediaries. By connecting GPE and change agency literatures, the paper examines how local actors balance structural constraints with strategic agency in developing hybrid institutional forms. This analysis bridges macro-structural perspectives with actor-centered approaches, addressing critiques of determinism in GPE and the flat ontology in agency studies.
Together, the three papers uncover the China-specific characteristics of innovation governance, particularly in terms of central-local dynamics, state-non-state interactions, and the interplay of structural forces and agency. The thesis proposes a three-dimensional theoretical framework for future research that emphasizes (1) the central-local relational configurations in innovation governance, (2) the differentiated roles of state and non-state actors, and (3) the strategic capacities of actors embedded within hierarchical and multi-scalar institutional contexts.
This work contributes to the advancement of innovation studies by offering new theoretical tools to understand the complexity of China’s innovation system. It also informs policy debates on how emerging economies can foster indigenous innovation capabilities under state-led frameworks. Ultimately, the thesis highlights the importance of contextualizing innovation theories to reflect the diverse institutional realities of non-Western settings, particularly in the era of intensified global technological competition.Diese Dissertation untersucht das sich wandelnde Innovationssystem Chinas, indem sie analysiert, wie zentrale Akteure – darunter Universitäten, Industrieunternehmen und Innovationsintermediäre – mit verschiedenen Regierungsebenen interagieren, um technologische Führungspositionen inmitten zunehmender geopolitischer und wirtschaftlicher Herausforderungen zu erreichen. Der signifikante Anstieg der chinesischen Investitionen in Forschung und Entwicklung (F&E) verdeutlicht Chinas Bestreben, sich von einer Fertigungsnation zu einem führenden Innovationsstandort zu entwickeln. Allerdings verläuft Chinas Innovationspfad anders als westliche Modelle – bedingt durch ein hybrides institutionelles Umfeld, die relativ junge Entwicklung als Wissensökonomie sowie einen staatszentrierten Governance-Ansatz.
Um diese Dynamiken zu erfassen, untersucht die Dissertation spezifisch chinesische institutionelle Arrangements und Akteurskonstellationen, die der Innovationsentwicklung zugrunde liegen. Basierend auf dem Triple-Helix-Modell – das die Interaktionen zwischen Staat, Wissenschaft und Wirtschaft analysiert – und unter Einbezug von Perspektiven der geographischen politischen Ökonomie (GPE), verwendet die Studie eine räumlich-institutionelle Linse, um zu analysieren, wie Innovationsakteure strategisch auf mehrskalige Governance-Umgebungen reagieren und diese mitgestalten. Dieser Ansatz ermöglicht ein differenziertes Verständnis der politischen, räumlichen und strukturellen Rahmenbedingungen, die Innovationspraktiken in China beeinflussen.
Die Dissertation besteht aus drei miteinander verknüpften empirischen Artikeln. Der erste Artikel führt eine systematische Literaturübersicht zu Verbindungen zwischen Universitäten und Industrie (University-Industry Linkages, UILs) in China durch und fokussiert darauf, wie Universitäten als aufstrebende Wissensproduzenten auf staatlich initiierte Innovationsimperative reagieren. Dabei zeigt sich, dass chinesische Hochschulen – im Gegensatz zu ihren westlichen Pendants – komplexe Anreizstrukturen bewältigen, die administrative Vorgaben mit marktwirtschaftlichem Druck kombinieren, was sowohl zu proaktiver als auch reaktiver Zusammenarbeit mit der Industrie führt.
Der zweite Artikel analysiert chinesische Industriepolitiken im Bereich Künstliche Intelligenz (KI) durch die theoretische Perspektive des "State Rescaling". Er identifiziert drei relationale Steuerungsmodi – staatliche Förderung, staatliche Kultivierung und staatliche Disziplinierung – mit denen die Zentralregierung versucht, die Marktentwicklung zu gestalten und gleichzeitig lokale Autonomie zu steuern. Diese Ergebnisse leisten einen Beitrag zum Verständnis der differenzierten Ausprägungen von Staatskapitalismus in China, insbesondere im Kontext zentral-lokaler Aushandlungsprozesse in strategischen Industrien.
Der dritte Artikel präsentiert eine Fallstudie zu Neuen Forschungs- und Entwicklungsinstituten (NRDIs), einer neuartigen Form universitärer Innovationsintermediäre. Durch die Verknüpfung von geographischer politischer Ökonomie mit Ansätzen der handlungsbezogenen Innovationsforschung untersucht der Beitrag, wie lokale Akteure strukturelle Einschränkungen mit strategischer Handlungsfähigkeit ausbalancieren, um hybride institutionelle Formen zu entwickeln. Diese Analyse schlägt eine Brücke zwischen makrostrukturellen Perspektiven und akteurszentrierten Ansätzen und adressiert damit sowohl Determinismuskritik in der GPE als auch die flache Ontologie in Agency-Studien.
Zusammen zeichnen die drei Beiträge ein differenziertes Bild chinesischer Innovationsgovernance, insbesondere hinsichtlich zentral-lokaler Dynamiken, staatlich-nichtstaatlicher Interaktionen und dem Zusammenspiel von Struktur und Handlungsspielräumen. Die Dissertation schlägt ein dreidimensionales theoretisches Rahmenkonzept für zukünftige Forschung vor, das (1) die relationalen Konfigurationen zwischen Zentral- und Lokalregierung, (2) die differenzierten Rollen staatlicher und nichtstaatlicher Akteure sowie (3) die strategischen Handlungskapazitäten eingebetteter Akteure in hierarchischen und mehrskaligen institutionellen Kontexten betont.
Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung der Innovationsforschung, indem sie neue theoretische Werkzeuge zur Analyse der Komplexität des chinesischen Innovationssystems bereitstellt. Sie liefert zudem Impulse für politische Debatten darüber, wie Schwellenländer unter staatlich gelenkten Rahmenbedingungen eigenständige Innovationskapazitäten aufbauen können. Letztlich unterstreicht die Dissertation die Notwendigkeit, Innovationstheorien an unterschiedliche institutionelle Realitäten in nicht-westlichen Kontexten anzupassen – insbesondere vor dem Hintergrund eines verschärften globalen technologischen Wettbewerbs
Hydrolases with Medical Relevance: Proteases and Their Inhibitors in Acute Pancreatitis and Glycoside Hydrolases for the Creation of Universal Blood
Full text linkIn this dissertation, the roles of several medically relevant hydrolases, focusing on proteases involved in AP and one of their inhibitors, as well as glycoside hydrolases used for the creation of universal blood, were successfully investigated.
The cysteine proteases CTSB and CTSL were expressed in soluble and active form using E. coli SHuffle® T7 Express cells, achieving high expression yields of 80 ± 2 mg L-1 for CTSB_N-6xHis and 37 ± 2 mg L-1 for CTSL_N-6xHis using TB medium (Article I). After recombinant expression as proenzymes, the enzymes were purified by immobilized nickel ion-affinity chromatography, activated in vitro, and characterized. Using these recombinantly expressed enzymes, their role and the importance of the endogenous inhibitor CST3 in terms of the onset of AP were investigated by a structure-function-analysis, including biochemical analyses, site-directed mutagenesis, and molecular dynamic simulations in combination with
an experimental disease model of AP using CST3 deficient mice (Article II). We could show that CST3 is a key regulator of CTSB and CTSL activity during the development of AP. We found that CST3 can be cleaved at the two cleavage sites K24 and R28 by trypsin disabling the inhibition of the trypsinogen activating enzyme, CTSB, but not the trypsin(ogen) inactivating enzyme, CTSL. Interestingly, we discovered that dimerized CST3 even enhances CTSB activity 3-fold by binding to a newly discovered allosteric pocket. The presence of the allosteric binding pocket was confirmed using activity tests with a mutant where six residues of the allosteric pocket of CTSB were deleted by site-directed mutagenesis. Thereby, CST3 shifts from a CTSB inhibitor to an activator, which fuels the intrapancreatic protease cascade during AP onset.
In the second part of this thesis, previously unstudied B antigen removing enzymes of the GH110 family were successfully investigated (Article III). We found that PpaGal is most efficient in removing B antigen from the surface of RBCs and its activity was even improved 2.5-fold by the rationally designed mutant PpaGal_W260Y. Moreover, two crystal structures of PpaGal were solved, one in the apo-state and the other in complex with D-galactose. Additionally, we established a method for producing pooled red cell and platelet concentrates from whole blood donations of different blood groups (Article IV), enabling transfusions independent of blood group compatibility. For B antigen conversion, we used PpaGal, PpaGal_W260Y, and the two galactosidases from Akkermansia muciniphila AmGH110A and AmGH110B, and for A antigen conversion, we utilized the two enzymes N-acetyl-α-D-galactosamine deacetylase and α-D-galactosaminidase from Flavonifractor plautii working in concert, respectively. We established a method for safely transfusing previously incompatible blood products by using immobilized enzymes on polymethacrylate microparticles, thereby allowing enzyme removal before transfusion.
In conclusion, the findings of this work might pave the way for developing new therapeutics to treat AP and to counteract shortages in blood product supply by the efficient and safe production of universal blood
How the Shared Task Representation of Multitasking Shapes Behavioral Flexibility
Full text linkWhen confronted with several tasks, humans regularly decide to perform them concurrently (simultaneous multitasking) or to switch between them (sequential multitasking), although multitasking entails costs like worse performance when compared to executing one task (single tasking). These costs alongside other findings led to the conclusion that the tasks of multitasking settings are integrated into a shared representation, the so-called task model. This dissertation investigated whether the task model limits the flexibility a) to adjust task processing during multitasking (Publication A) and b) to disengage from one of the tasks when shifting to single tasking (Publications B and C).
To answer the first question, it was examined whether adjustments are associated with the task model or the task sets. For this, it was assessed whether adjustments are task-unspecific and would transfer to novel tasks. A modified dual-task paradigm was utilized. Two tasks were presented concurrently but the second task, called background task, only required a response if the first task, termed primary task, did not. Adjustments in resource allocation were induced by varying whether the primary or background task had to be executed more often. To investigate whether the adjustments transferred, a second background task was introduced which did not convey the task frequency manipulation. It was found that most resources were administered to the more frequent task and that the adjustments only generalized to the novel background task if it shared a high visual and conceptual overlap with the frequency-biased background task. This pattern advocates task-specific adjustments because otherwise a transfer should have happened irrespective of task similarity.
The second question was addressed by investigating the reconfiguration of the task model when shifting to single tasking. For this, one task became irrelevant after simultaneous or sequential multitasking and it was assessed how fast the performance recovered to a baseline single-task level without prior multitasking, termed fade-out costs. Multitasking trials featured additional manipulations to trigger adjustments in resource allocation or task-set activation. Resource allocation was varied by the congruency proportion, namely the number of trials in which the tasks activated the same (congruent) versus opposing responses (incongruent). Task-set activation was modulated during sequential multitasking by varying the switch proportion so that most trials required a task switch or repetition. Results showed that reconfiguring the task model to single-tasking demands was facilitated (i.e., smaller and shorter-lasting fade-out costs) if the concurrent activation of the task sets had been reduced (i.e., low switch proportion) but was unaffected by different degrees of resource sharing
(i.e., congruency proportion).
Overall, the findings of this dissertation demonstrated that the shared representation of multitasking does not restrict flexibility. On the contrary, the task model did not determine the generality of adjustments since they were not uniformly applied as long as the multitasking context was maintained. Instead, the transfer was tailored to the task characteristics (i.e., task similarity). Also, the flexibility to reconfigure the task model could be increased by inducing adjustments beforehand. Hereby, the findings also provided insight into the underlying characteristics and mechanisms of the task model which are discussed. By this, important implications for related research could be derived, like the debate about a trade-off in adjustments. Also, new options were developed to support people with deficits in multitasking, like older adults. Several limitations to the conclusions alongside promising prospects for future research are discussed, such as uncertainties regarding the underlying mechanisms of adjustments and the influence of individual preferences. In conclusion, this dissertation could advance the knowledge about the shared representations in multitasking context and inspire future research.Wenn Menschen mit mehreren Aufgaben konfrontiert sind, führen sie diese oft gleichzeitig aus (simultanes Multitasking) oder wechseln zwischen ihnen hin und her (sequenzielles Multitasking). Dabei ist Multitasking mit Kosten verbunden wie beispielsweise einer schlechteren Leistung, als wenn nur eine Aufgabe zurzeit bearbeitet wird (Einzelaufgaben). Diese Kosten führten zusammen mit weiteren Erkenntnissen zu der Schlussfolgerung, dass die Aufgaben beim Multitasking in eine gemeinsame Repräsentation integriert werden, das so genannte Aufgabenmodell (engl. „task model“). In dieser Dissertation wurde untersucht, ob das Aufgabenmodell die Flexibilität einschränkt, a) die Aufgabenverarbeitung beim Multitasking anzupassen (Publikation A) und b) sich von einer der Aufgaben zu lösen, wenn sich die Aufgabenanforderung auf eine Einzelaufgabe reduziert (Publikationen B und C).
Um die erste Frage zu beantworten, wurde untersucht, ob Anpassungen der Aufgabenverarbeitung an das Aufgabenmodell oder die Aufgaben selbst gebunden sind. Hierfür wurde geschaut, ob Anpassungen aufgabenunspezifisch sind und auf neue Aufgaben übertragen werden. Es wurde ein modifiziertes Doppelaufgaben-paradigma verwendet: Zwei Aufgaben wurden gleichzeitig präsentiert, wobei die zweite Aufgabe, die so genannte Hintergrundaufgabe, nur dann eine Reaktion erforderte, wenn die erste Aufgabe, die so genannte Hauptaufgabe, dies nicht tat. Anpassungen in der Ressourcenzuteilung wurden induziert, indem entweder die Haupt- oder Hintergrundaufgabe häufiger ausgeführt werden musste. Um zu untersuchen, ob die Anpassungen übertragen werden, wurde eine zweite Hintergrundaufgabe eingeführt, bei der die Aufgabenhäufigkeit nicht manipuliert wurde. Es zeigte sich, dass die meisten Ressourcen an die öfter ausgeführte Aufgabe zugewiesen wurden und dass die Anpassungen nur auf die neue Hintergrundaufgabe übergingen, wenn diese eine hohe visuelle und konzeptionelle Überschneidung mit der frequenz-manipulierten Hintergrundaufgabe aufwies. Dieses Muster spricht für aufgabenspezifische Anpassungen, da die Übertragung andernfalls unabhängig von der Aufgabenähnlichkeit hätte stattfinden müssen.
Die zweite Frage wurde adressiert, indem die Rekonfigurierung des Aufgaben-modells bei einem Wechsel zu Einzelaufgabenanforderungen untersucht wurde. Hierfür wurde nach einer simultanen beziehungsweise sequenziellen Multitasking-Phase eine der Aufgaben irrelevant. Es wurde überprüft, wie schnell sich die Leistung auf das Niveau von Einzelaufgaben ohne vorheriges Multitasking erholte, was als Ausblendkosten (engl. „fade-out costs“) bezeichnet wird. Während des Multitaskings wurden zusätzliche Manipulationen vorgenommen, um Anpassungen auszulösen, entweder in der Art der Ressourcenzuweisung oder der Aktivierung der Aufgaben. Die Ressourcenzuweisung wurde durch den Kongruenzanteil variiert. Das heißt, die Anzahl der Durchgänge wurde verändert, in denen die Aufgaben dieselben (kongruenten) oder entgegengesetzte (inkongruente) Reaktionen erforderten. Die Aktivierung der Aufgaben wurde durch den Anteil von Aufgabenwechseln während des sequenziellen Multitaskings moduliert. Hierfür erforderten die meisten Durchgänge entweder einen Wechsel oder eine Wiederholung der Aufgabe(n). Die Ergebnisse zeigten, dass die Rekonfiguration des Aufgabenmodells zu Einzelaufgabenanforderungen erleichtert wurde (d.h. geringere und kürzer andauernde Ausblendkosten), wenn die gleichzeitige Aktivierung der Aufgaben reduziert worden war (d.h. wenige Aufgabenwechsel im Multitasking). Die Rekonfiguration wurde jedoch nicht durch eine veränderte Ressourcenzuteilung (d.h. den Kongruenzanteil) beeinflusst.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass die gemeinsame Repräsentation im Multitasking die Flexibilität nicht einschränkt. Im Gegenteil, Anpassungen werden nicht tonisch beibehalten, solange der Multitasking-Kontext und somit das Aufgabenmodell gelten. Stattdessen wurde die Übertragung von Anpassungen auf die Aufgabenmerkmale (bspw. die Aufgabenähnlichkeit) zugeschnitten. Außerdem konnte die Flexibilität bei der Rekonfigurierung des Aufgabenmodells erhöht werden, indem vorab Anpassungen im Aufgabenmodell induziert worden waren. Die Ergebnisse lieferten ebenfalls Erkenntnisse über die zugrunde liegenden Merkmale und Mechanismen des Aufgabenmodells, die ausführlicher diskutiert werden. Hierdurch konnten wichtige Implikationen für verwandte Forschungen abgeleitet werden wie die Debatte, ob die Anpassungen in einer wechselseitigen Beziehung zueinanderstehen. Außerdem wurden neue Ideen entwickelt, wie Menschen mit Defiziten im Multitasking, beispielsweise ältere Personen, geholfen werden könnte. Zudem wurden mehrere Einschränkungen der Schlussfolgerungen aber auch vielversprechende Ansätze für zukünftige Forschung erörtert, beispielsweise mögliche Unsicherheiten hinsichtlich der zugrundeliegenden Mechanismen der Anpassungen und der Einfluss individueller Präferenzen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Dissertation das Wissen über geteilte Repräsentationen im Multitasking-Kontext, das Aufgabenmodell, erweitern und Anregungen für künftige Forschungen liefern konnte
Untersuchungen zur Steuerungsparametrisierung für Optimalsteuerungsprobleme partieller Differentialgleichungen
Full text linkDie Arbeit beschäftigt sich mit den Grundlagen der sog. Steuerungsparametrisierung angewendet auf Optimalsteuerungsprobleme mit partiellen Differentialgleichungen als Nebenbedingung. Dabei wurden die analytischen Grundlagen zur Entwicklung dieser Methode untersucht, verschiedene Begriffe aus der Steuerungsparametrisierung für gewöhnliche Optimalsteuerungsprobleme erweitert und in zwei Beispielen mit elliptischen linearen Randwertproblemen angewendet
Re-Expression des renalen Entwicklungsmarkers Pax2a in Zebrafischlarven nach Podozytenschädigung
Full text linkDie steigende Prävalenz der chronischen Nierenerkrankung stellt angesichts mangelnder therapeutischer Optionen eine erhebliche Herausforderung für unser Gesundheitssystem dar. Im fortgeschrittenen Stadium kann die Erkrankung eine lebenslange Dialyse oder eine Transplantation erforderlich machen. Glomerulonephritiden sind für etwa 20 % der chronischen Nierenerkrankungen verantwortlich und treten häufig bereits im jungen Erwachsenenalter auf. Ursächlich ist eine Schädigung der Podozyten – spezialisierte Zellen, die mit ihren interdigitierenden Fußfortsätzen und der dazwischenliegenden Schlitzmembran für die Größenselektivität der glomerulären Filtrationsbarriere verantwortlich sind. Diese Funktion geht bei einer Schädigung dieser postmitotischen, ausdifferenzierten Zellen verloren. Ein potenzieller Therapieansatz könnte daher die Regeneration durch Progenitorzellen sein, um das Fortschreiten der Erkrankung zu verlangsamen. Ziel dieser Arbeit war es, die Expression des podozytären Entwicklungsmarkers pax2a unter physiologischen Bedingungen sowie im Schadensmodell zu untersuchen, um potenzielle podozytäre Progenitorzellen zu identifizieren. Dafür wurden transgene Zebrafischlarven als etablierte Modellorganismen in der Nierenforschung verwendet und das Nitroreduktase/Metronidazol (NTR/MTZ)-Modell zur gezielten Schädigung der Podozyten eingesetzt. Mithilfe der Laser-Scanning-Mikroskopie und in vivo 2-Photonenmikroskopie erfolgten Analysen zu definierten Zeitpunkten.
Im 80 μM MTZ-Modell wurde neben einer erhöhten intraglomerulären Lamininexpression die Ausbildung von Ödemen beobachtet – Eigenschaften, die Parallelen zur humanen fokal segmentalen Glomerulosklerose aufweisen. Zudem zeigten sich morphologisch veränderte parietale Epithelzellen mit Pax2a Proteinexpression auf den glomerulären Kapillarschlingen. Da jedoch kein podozytärer Marker exprimiert wurde, konnte eine direkte Transdifferenzierung nicht nachgewiesen werden. Im 5 mM MTZ-Modell wurde mithilfe eines neu etablierten transgenen Zebrafischstammes eine pax2a Promotoraktivität in Podozyten nach Schadensinduktion festgestellt – eine Aktivität, die unter gesunden Bedingungen nach vollständiger Differenzierung nicht nachweisbar war. Diese Re-Expression von pax2a könnte als Dedifferenzierung mit dem Ziel der Zellteilung interpretiert werden. Ein Einsatz der pax2a Re-Expression als Biomarker in der Frühdiagnostik von Podozytopathien sollte in zukünftigen Studien untersucht werden
Balance zwischen Lipophilie und Polarität bei KV7-Kanalöffnern: Leitstrukturoptimierung durch gezielte Synthese, strukturelle Charakterisierung und Verbesserung der Physikochemie
Full text linkDie vorliegende Dissertation widmet sich der Leitstrukturoptimierung von KV7-Kanalöffnern mit dem Ziel, verbesserte physikochemische Eigenschaften insbesondere in Bezug auf eine gesteigerte Wasserlöslichkeit bei möglichst gleichbleibender oder verbesserter Aktivität zu erreichen. Hintergrund ist die therapeutische Relevanz spannungsabhängiger Kaliumkanäle des KV7-Typs (insbesondere KV7.2/3), die an der Regulation neuronaler Erregbarkeit beteiligt sind. Die ehemals zugelassenen Wirkstoffe Flupirtin und Retigabin wurden aufgrund unzureichender Stabilität und daraus resultierender toxischer Metabolite vom Markt genommen, was die Notwendigkeit sicherer und selektiver Modulatoren unterstreicht.
Ausgehend von der in der Arbeitsgruppe synthetisierten Leitstruktur KWu183, wurde eine Bibliothek strukturverwandeter Derivate aufgebaut, um ein optimiertes Substanzprofil in Bezug auf Löslichkeit, Lipophilie, Permeation, Stabilität und Aktivität zu erreichen. Durch gezielte Modifikationen konnten Verbindungen mit deutlich verbesserter Wasserlöslichkeit bei gleichzeitig hoher Wirksamkeit identifiziert werden. Besonders Verbindung 19d zeigte eine ausgewogene Kombination aus hoher Potenz, verbesserter Wasserlöslichkeit und akzeptabler Zellverträglichkeit. Durch ein verstärktes Auftreten des sogenannten „Chamäleon-Effekts“, sichtbar in der Ausbildung intramolekularer Wasserstoffbrücken im apolaren und intermolekularer Wasserstoffbrücken im polaren Milieu, wurde eine gute Balance zwischen verbesserter Wasserlöslichkeit bei gleichzeitig erhöhter Lipophilie erzielt werden.
Die Ergebnisse verdeutlichen, dass durch ein rationales Design KV7-Aktivatoren entwickelt werden können, die ein verbessertes physikochemisches Substanzprofil aufweisen. Für zukünftige Arbeiten wird eine detaillierte Untersuchung der metabolischen Stabilität sowie eine Evaluation der Selektivität gegenüber weiteren KV7-Isoformen (abgesehen von KV7.2/3) angestrebt, um das Potenzial der neuen Substanzen für die weitere Entwicklung umfassend beurteilen zu können.This dissertation focuses on the lead structure optimization of KV7 channel openers with the aim of achieving improved physicochemical properties, particularly with regard to increased water solubility while maintaining or improving activity. The background to this is the therapeutic relevance of voltage-dependent potassium channels of the KV7 -ype (especially KV7.2/3), which are involved in the regulation of neuronal excitability. The formerly approved active substances flupirtine and retigabine were withdrawn from the market due to insufficient stability and the resulting toxic metabolites, which underlines the need for safe and selective new modulators.
Based on the lead structure KWu183, previously synthesized in the group, a library of structurally related derivatives was developed in order to achieve an optimized compound profile in terms of solubility, lipophilicity, permeation, stability and activity. Through targeted modifications, compounds with significantly improved water solubility and high activity were identified. Particularly, compound 19d showed a well-adjusted combination of high potency, improved water solubility and acceptable cell compatibility. Through an increased occurrence of the so-called ‘chameleon effect’, visible in the formation of intramolecular hydrogen bonds in the apolar environment and intermolecular hydrogen bonds in the polar environment, a good balance between improved water solubility despite increased lipophilicity was achieved.
The results show that rational design can be used to develop KV7 activators with an improved physicochemical profile. Future work will focus on a detailed investigation of metabolic stability and an evaluation of selectivity towards other KV7 isoforms (apart from KV7.2/3) in order to comprehensively assess the potential of the new substances for further development