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Quantum Metrology of Newton's Constant with Levitated Mechanical Systems
No full textLevitated mechanical systems are emerging as powerful tools in precision sensing and tests of fundamental physics. By trapping small particles in near vacuum using optical or superconducting techniques, these systems provide a highly stable environment that enables force sensitivities at the atto-Newton scale. Their low dissipation, long coherence times, and compatibility with quantum state preparation make them promising candi- dates for probing weak forces at short length scales and for testing the interface between quantum mechanics and gravitation. In particular, they have been proposed for next- generation measurements of Newton’s gravitational constant G, which remains the least precisely known fundamental constant.
This thesis investigates how magnetically levitated systems in superconducting traps can be used for quantum-enhanced estimation of G, for studying gravitationally induced entanglement between mesoscopic objects, and for improving our understanding of the magnetic trapping potentials employed in these setups. We present a quantum metrolog- ical scheme in which two magnetically levitated ferromagnetic spheres oscillate harmoni- cally in superconducting traps and interact only via their mutual gravitational potential. From the effective Hamiltonian we show that the gravitational interaction produces a phase shift in the system’s normal modes, giving rise to a mechanical interferometer whose phase encodes information about G. Using tools from Gaussian quantum information, we compute both the quantum and classical Fisher information to quantify the sensitiv- ity with which G can be estimated. We consider projective and continuous general-dyne measurement strategies and include realistic noise sources such as mechanical damping, thermal fluctuations, and Casimir interactions. Under experimentally motivated param- eters, our results indicate that the relative uncertainty δG/G can in principle be reduced by up to four orders of magnitude relative to current CODATA values, with around a two-day measurement time.
We additionally analyse entanglement generated by gravitational coupling in this sys-
tem using logarithmic negativity as a quantifier, and study how gravitationally induced correlations depend on the initial Gaussian states, damping, temperature, and measure- ment strategy. Upper bounds on achievable entanglement are identified for coherent and squeezed initial states, and these bounds are extended to continuous measurement schemes. This analysis clarifies which regimes of gravitationally mediated entanglement are likely to be experimentally accessible in the near term and informs the feasibility of proposed tabletop probes of quantum aspects of gravity.
Finally, we derive an exact analytic expression for the magnetic potential experienced by a point dipole trapped between two infinite superconducting plates by summing an infi- nite series of image dipoles to satisfy the Meissner boundary conditions. The closed-form potential agrees with finite-element simulations in the near-infinite-plate geometry and provides a convenient benchmark for simulating more realistic trap geometries. The ana- lytic potential exhibits a double-well structure that is relevant for orientational tunnelling studies and for trap design in experiments aimed at dark-matter detection, quantum tunnelling, and ultra-sensitive force sensing
Intrakutannaht versus Klammernaht in der Wirbelsäulenchirurgie - eine randomisierte prospektive Studie
No full textIn dieser Arbeit wurde das Auftreten von Wundheilungsstörungen in der Wirbelsäulenchirurgie mittels randomisierter und prospektiver Studie verglichen. Hierbei wurden zwei etablierte Nahtmethoden verglichen. Ferner wurde auch das kosmetische Outcome beobachtet und ausgewerte
Characterization of stiffness as a biomarker in osteoarthritis and in bone- and soft tissue cancers
No full textMechanobiology encompasses all of the mechanical processes that influence the cell and
its environment. Thereby, the major actors are the cell´s structural components (i.e. cell
membrane, cytoskeleton), the components of the extracellular matrix (ECM), and the
interface between both (i.e. mechanosensors, adhesion molecules). It is well established
that biomechanics plays a critical role in the homeostasis of living tissue, but the concrete
mechanisms by which mechanical cues are assimilated and regulate the balance between
health and disease are not yet fully understood. In recent decades, atomic force
microscopy (AFM) has emerged as the gold standard to measure the foremost mechanical
marker of a tissue/cell, namely the stiffness (measured as the Young´s modulus). This
parameter provides important information about the state of a living entity, and can be
used to investigate a diseased/degenerative condition. In the present work, AFM was
employed to characterize the biomechanical alterations occurring during two major
disorders from the orthopedic field: osteoarthritis (OA) and bone/soft-tissue cancers.
OA is defined as a degenerative joint condition, characterized by articular cartilage
destruction. With progression of the disease the chondrocyte organization pattern is
evolving, from single string (SS) in healthy cartilage to double string (DS), small cluster
(SC), big cluster (BC) and finally diffuse pattern in the most advanced arthritic state.
Cartilage discs of 1mm thickness and 4mm diameter were generated from condyles of
patient undergoing total knee arthroplasty and were sorted according to the
aforementioned cellular patterns. Subsequently the stiffness of the discs was measured
with AFM. A stepwise stiffness decrease was observed with an increasing degeneration
level, except for the group of the diffuse pattern, which displayed a large data spread with
a relatively high stiffness on average. The discs used for those experiments have the
advantage of being of appreciable thickness, they exhibit the native cartilage surface at
their upmost side and the cells within the tissue are kept alive. They hence represent a
suitable model to further investigate articular cartilage degenerative processes in situ.
Bone and soft-tissue sarcomas represent a group of diverse cancer entities from
mesenchymal origin, with overall poor prognosis. The stiffness of malignant cells of five
different bone and soft-tissue sarcoma cell lines were investigated using AFM and were
compared to their respective healthy control cells. Osteosarcoma, Ewing sarcoma,
fibrosarcoma and rhabdomyosarcoma cells were significantly less stiff than osteoblasts,
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Mesenchymal stem cells (MSCs), fibroblasts and skeletal muscle cells (SKMCs)
respectively, reflecting a typical feature observed in most of the neoplastic
transformation. However, chondrosarcoma cells appeared to be stiffer than chondrocytes
and the other malignant cell lines. Further cytoskeleton examination using fluorescence
microscopy, ELISA and qPCR revealed that if most of the malignant cells displayed a
disorganized internal scaffold and a decreased F-actin content, chondrosarcoma
maintained a cytoskeletal structure relatively close to the one of the healthy cells, with
the microtubule being the most affected components (increase in the β-tubulin gene
expression and protein content). These results define the biomechanical fingerprints of
the investigated cancer cell lines and expose the related molecular mechanisms.
Overall, the work presented in this thesis contributes to the effort of mechanical
characterization of the biological systems respectively addressed in the disclosed studies.
Understanding the processes underlying the biomechanical properties of cells and tissue
is of upmost importance for the development of novel diagnostic and therapy approaches
Expression von Nectin-4 und Trop-2 in Blasentumororganoiden
No full textDas Harnblasenkarzinom gehört zu den häufigsten Tumoren sowohl in Deutschland, als auch weltweit (IARC, 2020). Die Therapiemöglichkeiten sind inzwischen vielfältig. Dennoch bedarf es weiterhin viel Forschung, um die Tumorgenese besser zu verstehen und weitere Ansatzpunkte für eine Therapie zu entwickeln (Wang et al., 2017). Dafür kommen von Patienten abgeleitete Organoide zum Einsatz, die als in-vitro-Tumormodelle die individualisierte Medizin unterstützen sollen. Die in dieser Arbeit untersuchten Marker sind Nectin-4 und Trop-2 – die Zielstrukturen der Antikörper-Wirkstoff-Konjugate Enfortumab-Vedotin und Sacituzumab-Govitecan.
Wie ist das Expressionsmuster von Nectin-4 und Trop-2 in den Organoiden, sowie in den
Originaltumoren und in welchen Passagen weisen die Organoide die meisten Ähnlichkeiten zum Originaltumor auf? Hat die Expression dieser Marker einen Einfluss auf die Kultivierung bzw. wie ist sie mit dem Tumorstadium assoziiert?
Es wurden mehrere Organoide kultiviert und parallel Paraffinschnitte und RNA-Extrakte angefertigt, um jene hinsichtlich ihrer Expression von Nectin-4 und Trop-2 mittels Immunfluoreszenzfärbungen und qRT-PCR zu untersuchen. Die dazugehörigen Originaltumoren wurden ebenfalls mittels Immunfluoreszenzfärbungen hinsichtlich ihrer Expression der beiden Marker analysiert.
Die Originaltumore exprimierten Nectin-4 und Trop-2 tendenziell wenig. Die Proben mit vermehrter Expression stammten von low grade Tumoren. Die Organoide wiesen immer eine stärkere Expression als ihre Ursprungstumore auf. Weniger und damit ähnlichere Expression wurde in früheren Passagen detektiert. Auf RNA-Ebene zeichnete sich kein eindeutiger Trend ab.
Die festgestellten Expressionsmuster in dieser Studie lassen sich gut erklären durch die
Tumorheterogenität in Blasenkarzinomen und dem Selektionseffekt durch Nectin-4 und Trop-2 als Adhäsions- und Proliferationsmoleküle. Es zeichnete sich die Tendenz zur Bevorzugung früherer Organoid-Passagen ab, um die Auswirkungen des Selektionseffekts und dem veränderten Milieu (in vivo vs. in vitro), sowie dem Wandel vom luminalen zum basalen Subtyp vorzubeugen. Dass diese Studie eine erhöhte Nectin-4- und Trop-2-Expression eher bei low grade Tumoren feststellte, liegt möglicherweise an der kleinen Probenanzahl oder zeigt einen ähnlichen Trend wie in der Studie von Klümper et al. beschrieben (Klümper et al., 2023). Nectin-4 scheint, wie von Boylan et al. beschrieben
(Boylan et al., 2017), förderlich für die Formation von Zellverbänden zu sein, da bei den Analysen alle Organoide Nectin-4 exprimierten. Organoide können als in-vitro 3D-Tumormodell dienen und eignen sich vor allem in den frühen Passagen für einen Vergleich zum Originaltumor. Nectin-4 und Trop-2 wirken sich positiv auf den Zusammenhalt von Organoiden aus. Wie die Expression dieser beiden Marker mit dem Tumorstadium assoziiert ist, lässt sich aus diesen Ergebnissen nicht eindeutig schließen und bedarf weitere Studien
Charakterisierung seltener pädiatrischer Pankreastumoren – eine Analyse im Rahmen des STEP-Registers
No full textDie vorliegende Arbeit basiert auf der retro- sowie prospektiven Analyse von 53
pädiatrischen Patienten mit Pankreastumoren, die zwischen 2008 und 2023 im
STEP-Register (Seltene Tumorerkrankungen in der Pädiatrie) aus Deutschland,
Österreich und der Schweiz erfasst wurden. Behandlungsdaten wurden syste
matisch durch Erhebungsbögen und Patientenakten gesammelt und ausgewer
tet. Einbezogen wurden Kinder und Jugendliche im Alter von 0 bis 19 Jahren
mit neu diagnostizierten pankreatischen Neoplasien, ausgenommen neuroen
dokrine Tumoren. Die Analyse umfasste unter anderem anamnestische Daten,
diagnostische Verfahren, Therapieansätze, pathologische Befunde sowie Out
comes.
Die Ergebnisse zeigen, dass pädiatrische Pankreastumoren hauptsächlich So
lide-pseudopapilläre Neoplasien (SPN, n=38), Pankreatoblastome (PB, n=8) und
Azinuszellkarzinome (AZK, n=6) umfassen (n=1 undifferenziertes Adenokarzi
nom). PB treten in dieser Kohorte häufiger bei Jungen und SPN bei Mädchen
auf. Die Diagnosestellung von SPN und AZK erfolgt typischerweise im fortge
schrittenen Jugendalter, während PB häufig im frühen Kindesalter diagnostiziert
werden. Klinisch stehen unspezifische Symptome wie Bauchschmerzen, Übel
keit, Erbrechen und in einigen Fällen auch der Ikterus im Vordergrund, letzteres
insbesondere bei PB und AZK-Patienten dieser Kohorte in fortgeschrittenem Sta
dium. Fernmetastasen traten bei den SPN als low-grade maligne Tumoren nicht
auf. Im Gegensatz dazu wiesen PB und AZK ein höheres Potenzial zur Metasta
sierung auf, insbesondere PB mit Lymphknoten- und Leber-Metastasen. Die Di
agnosestellung basiert auf Laboruntersuchungen wie AFP und Lipase sowie bild
gebenden Verfahren wie Sonographie und MRT, die entscheidend für die Detek
tion und Charakterisierung der Tumoren sind. Besonders bei nicht eindeutiger
Bildmorphologie können Biopsien eine wichtige Rolle zur Diagnosestellung und
passenden Therapie-/Resektionsplanung einnehmen. Auch wenn solche Probe
entnahmen in dieser Kohorte komplikationslos durchgeführt werden konnten und
keine Stichkanalmetastasen erfasst wurden, muss die Indikation individuell dis
kutiert werden.
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Die SPN der Kohorte ließen sich histopathologisch durch solide und pseudopa
pilläre Anteile und eine niedrige Proliferationsrate sowie immunhistochemisch
durch Marker wie CD10 und Beta-Catenin gut von den anderen Entitäten abgren
zen. Histopathologisch sowie immunhistochemisch präsentieren sich die PB und
AZK in der Analyse der Kohorte ähnlich; PB scheinen immunhistochemisch eher
durch Synaptophysin, AZK eher durch Trypsin und Chymotrypsin charakterisiert
zu werden. Die Proliferationsrate war bei PB signifikant höher als bei SPN und
AZK. Im Rahmen zukünftiger molekulargenetischer Analysen beider Tumorenti
täten könnten sich weitere Differenzierungsmerkmale ergeben. Molekulargene
tisch zeigt die Auswertung unter den SPN häufig Mutationen im CTNNB1-Gen,
was zu einer Blockierung des Abbaus von Beta-Catenin führt, und den Wnt-Sig
nalweg aktiviert.
Therapeutisch liegt das Ziel auf der vollständigen Entfernung des Tumors. Aus
maß und Technik der Resektion werden durch die Lokalisation und Größe des
Tumors bestimmt. Chemotherapeutisch kamen adjuvant als auch neoadjuvant
unter anderem PLADO (Cisplatin/Doxorubicin) und ICE (Ifosfamid, Cis-/Car
boplatin, Etoposid) sowie FOLFOX zum Einsatz. Gezielte Therapieansätze auf
Basis molekularer Diagnostik wurden nicht verwendet.
Die Prognose zeigt sich unter den SPN am besten (100%) und unter den PB am
schlechtesten (25% verstorben, weitere 25% mit Rezidiv), wobei eine langfristige
Nachsorge bei allen Entitäten notwendig ist, um auch späte Rezidive zu detek
tieren.
Schlussfolgernd kann die umfassende klinische und pathologische Charakteri
sierung der verschiedenen Pankreastumoren bei Kindern und Jugendlichen im
Rahmen dieser Arbeit kann einen wichtigen Beitrag zur besseren Differenzierung
der Tumorentitäten liefern. Auch kann ein Beitrag zur Therapieoptimierung durch
Vergleich der Therapieschemata sowie der Nachsorge gegeben werden
The phosphorus cycle in forests revealed by 33P and the stable isotope composition of oxygen of inorganic phosphate (δ18OPi)
No full textThe main objectives of my thesis were to assess the importance of biological processes controlling the P cycle in forest ecosystems along a gradient of decreasing soil biological activity and soil P availability using multi-isotopic approaches (33P, δ18OPi, δ18OW) and to investigate the importance of soil organic matter turnover on P cycling under environmental change. Particularly, the research aims were to answer whether (i) the fate of P in a tree sapling-soil system differs between nutrient-poor and nutrient-rich sites, (ii) what influence the organic layers have on the fate of P in a tree sapling-soil system at either site, (iii) if purification procedures from soil used to determine the stable isotope composition of oxygen (O) of inorganic phosphate (δ18OPi) are adequately transferable to measure xylem sap δ18OPi and (iv) if the effect of site (BBR, LUE) i.e., a P rich versus a P poor forest ecosystem, and of fertilization (N, P, N+P) do alter Pi and Po concentrations as well as biologically cycled phosphate (inferred from the O isotope signature after adding an 18O label) in xylem sap.
We could show that (i) the mobilization of P likely mediated by the microbial community followed by efficient uptake in organic layers under nutrient-poor conditions (LUE) supported tree sapling growth while at the same time reducing the leaching of P to underlying mineral soil horizons. In contrast, the presence of organic layers did not significantly influence P uptake by beech saplings under nutrient-rich conditions (BBR). (ii) via DAX 8 we were able to remove Po before measuring δ18OPi. (iii) We did not see fertilization effects reflected in xylem sap δ18OPi either between the sites (BBR, LUE), nor the fertilization treatments (N;P; NP, Con). However, our investigations have shown that the 18O labeling approach pinpoints a decoupling of water and P uptake at the P-rich site BBR representing an acquiring ecosystem. By contrast, trees relied on the organic layer for both water and P uptake at the P-poor site LUE representing a recycling ecosystem.
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Such findings indicate the importance of the organic layers for P nutrition as well as water supply for beech trees at nutrient poor ecosystems. Since the distribution of most forest ecosystems in Europe is constrained to nutrient-poor soils, sustainable forest management should consider the formation and functioning of the forest floor. Foresters should consider that ecosystem resilience particularly at P-poor ecosystems might be strongly influenced by processes that deteriorate the organic matter and subsequently changes the forest floor structure and thereby its function as a place of water retention and nutrient retention from leaching to mineral soil layers. In this regard, ongoing N deposition and increasing soil temperatures especially in the forest floor due to climate change have the potential to considerably change forest floor turnover dynamics. My improved method of extracting xylem sap and subsequent silverphosphate purification for δ18OPi analysis in xylem sap enables new fields of application and was applied successfully in two different in situ experiments
Die Entwicklung von Immunzytokinen mit zielzellbegrenzter IL-15-Aktivität für die Immuntherapie der AML
No full textDie akute myeloische Leukämie (AML) ist die häufigste Form akuter Leukämien
im Erwachsenenalter, doch trotz therapeutischer Fortschritte bleibt die Prognose
insbesondere für ältere Patienten ungünstig. Für diese Patientengruppe, für die
eine intensive Chemotherapie oft nicht infrage kommt, liegt die 5-Jahres-
Überlebensrate bei lediglich ca. 17 %. Daraus ergibt sich ein dringender Bedarf
an gut verträglichen, aber gleichzeitig potenten Wirkstoffen.
Als in vielen Malignomen erfolgreiche Immuntherapie haben sich in den letzten
Jahrzehnten Antikörper hervorgetan - unter anderem aufgrund ihrer
Verträglichkeit trotz hoher Potenz. Für AML ist jedoch bisher noch keine
wirksame Antikörpertherapie zugelassen. Ein Ansatz, die Effektivität von
Antikörpern zu erhöhen, ist die Immunstimulation mit Interleukinen. Hierbei ist
IL-15 ein vielversprechender Kandidat. Es induziert die Proliferation und
Aktivierung von T- und NK-Zellen. Ein großer Vorteil gegenüber dem engen
Verwandten IL-2 ist, dass IL-15 keine inhibitorischen Treg-Zellen stimuliert und
keinen AICD der Effektorzellen auslöst. Im Gegensatz zu Tiermodellen
verhindern in Krebspatienten jedoch dosislimitierende Nebenwirkungen eine
effektive systemische Gabe. Eine Lösung für dieses Problem kann in der
einzigartigen Physiologie des IL-15 gefunden werden. Es entfaltet seine
Wirkungen auf IL-15Rβγ-exprimierende Effektorzellen zum größten Teil über die
trans-Präsentation auf dem IL-15Rα, welcher auf Monozyten und anderen
Zelltypen exprimiert wird. Das Einbringen der Mutation E46K in das IL-15 Molekül
hebt die Bindung an den IL-15Rα auf, wodurch eine trans-Präsentation durch
Zellen nicht mehr möglich ist. Koppelt man die IL-15 Mutante nun mit einem
Antikörper zu einem sogenannten Immunzytokin, kann die trans-Präsentation
durch Bindung des Antikörperteils an das Antigen imitiert werden und IL-15
entfaltet seine Wirkung. Somit soll die IL-15 Aktivität auf die Zielzellen restringiert
werden. Um die ADCC-Aktivität des Antikörpers weiterhin zu fördern, wurde
zudem eine Fc-Optimierung mittels SDIE-Mutationen eingeführt. Das Ergebnis
ist ein Modified Immunocytokine, kurz MIC. Die Effektivität und Zielzellrestriktion
von MICs nach Bindung an die lymphomassoziierten Antigene CD19 und CD20
konnte in der Arbeitsgruppe Salih bereits dokumentiert werden. Ziel der vorliegenden Arbeit war, die MIC-Plattform für die Therapie der AML anwendbar zu machen.
Hierfür wurde ein CLEC12A-spezifisches MIC (MIC12) geschaffen. CLEC12A,
dessen exakte Funktion bisher unklar ist, ist nicht zuletzt aufgrund seiner hohen
Prävalenz und relativ tumorrestringierten Expression in AML-Erkrankungen eine
vielversprechende Zielstruktur für die Immuntherapie. Dies konnte in unserer
Patientenkohorte bestätigt werden.
In der funktionellen Charakterisierung zeigte sich MIC12 im Vergleich zu seinem
parentalen Fc-optimierten Antikörper und einem Kontrollmolekül ohne Fc-
Optimierung überlegen bezüglich NK-Zellaktivierung, Proliferationsinduktion und
Zytotoxizität gegen Zelllinien und primäre AML-Zellen.
Durch isoMIC als Isotypenkontrolle konnte gezeigt werden, dass die Aktivität des
MIC12-Konstruktes von der Bindung an die Zielzellen abhängt, sodass das
Konzept der Zielzellrestriktion bestätigt werden konnte.
Die Herstellung von IL-15-haltigen Fusionsmolekülen wie MIC12 ist geprägt von
schlechter Ausbeute und Aggregation. Die Einführung von weiteren Mutationen
konnte die Aggregation reduzieren und die Ausbeute steigern. H20E und vor
allem L45E konnten dies bei zudem verbesserter Funktion (Aktivierung,
Zytotoxizität) leisten. Dies verbessert die Developability und ermöglicht die
Translation von IL-15-Fusionsproteinen - auch über MIC12 hinaus.
MIC12 und gerade MIC12L45E sind somit vielversprechende Kandidaten für eine
antikörperbasierte AML-Immuntherapie