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Motion Planning for Manipulators Based on Geodesics
No full textDie Dissertation ist gesperrt bis zum 12. November 2026 !In dieser Arbeit wird ein innovativer Ansatz für die Bewegungsplanung von Manipulatoren auf der Grundlage von Geodäten vorgestellt. Basierend auf einem intuitiven visuellen Zugang werden das Konzept des metrischen Tensors und die Geodätengleichungen entwickelt und dann auf die Gelenkräume von Manipulatoren verallgemeinert, in denen Geodäten optimale Bewegungen in Bezug auf einen bestimmten Kostenbegriff darstellen. Es werden verschiedene Metriken konstruiert und es wird gezeigt, dass diese intuitiv miteinander zu einer Gesamtkostenfunktion kombiniert werden können.
Einer der wichtigsten Fortschritte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, ist die Fähigkeit der geodätischen Bewegungsplanung, gleichzeitig im Aufgabenraum und im Gelenkraum zu optimieren, was einen klaren Vorteil gegenüber bestehenden Methoden darstellt. Eine durchschnittliche Reduzierung der Gelenkbeschleunigungen um ca. 30 % wird über eine umfangreiche Auswahl typischer realistischer Bewegungsaufgaben erzielt. Die zugrundeliegenden Algorithmen werden detailliert vorgestellt.
Die Arbeit vereinigt Formalismen aus der Robotik, der Differentialgeometrie und der numerischen Analysis, die gemeinsam die Grundlage dieses Ansatz' darstellen. Das präsentierte Material vereinfacht komplexes Lehrbuchwissen in ein verdauliches und intuitives Format, was den vorgestellten Ansatz für eine zukünftige Weiterentwicklung zugänglicher macht.This thesis introduces an innovative approach for manipulator motion planning based on geodesics. Starting from an intuitive visual approach, the concept of the metric tensor and the geodesic equations are developed and then generalized to the joint spaces of manipulators, where geodesics represent optimal motions with respect to a specific notion of cost. Various metrics are constructed and it is shown that those metrics can intuitively be combined into an overall cost.
One of the principal advancements presented in this work is the ability of geodesic motion planning to simultaneously optimize in task space and joint space, marking a clear advantage over existing methods. An average reduction in manipulator joint accelerations by about 30 % is achieved over an extensive sample of typical real-world motion tasks. The underlying algorithms are presented in great detail.
The thesis unifies formalisms from robotics, differential geometry, and numerical analysis to shape the foundational elements of the approach. The presented material simplifies complex textbook knowledge into a digestible and intuitive format, priming further research and advancements in this area of research
CD81 is a restriction factor of EBOV trVLP and is downregulated by EBOV GP and VP40
No full textEBOV, a highly pathogenic filovirus, causes Ebola virus disease to humans with high case fatalities. A broad range of cell types are susceptible for EBOV infection. EBOV entry into host cells is mediated by the viral surface glycoprotein GP, which is also known to play roles in immune evasion by modulating cell surface receptors.
Following a flow cytometry-based screen to comprehensively identify EBOV GP modulated surface receptors, this thesis confirmed the downregulations of three tetraspanins, CD81, CD63 and CD9. The downregulations could also be observed in authentic EBOV infection. Moreover, GP of other filoviruses, SUDV, RESTV, TAFV and MARV, can downregulate these tetraspanins as well. The tetraspanins are known to interact with other host proteins and form the tetraspanin enriched microdomains involved in multiple signaling pathways and cellular processes. The functional relevance of the tetraspanins in the EBOV life cycle was characterized by using the EBOV trVLP assay and tetraspanin KO cells. KO of CD81, but not CD63 and CD9, enhanced EBOV minigenome replication and transcription as well as NP oligomerization, which plays an essential role in the formation of EBOV inclusion body, the EBOV replication complex. Conversely, restoration of CD81 expression in CD81 KO cells suppressed EBOV minigenome encoded proteins expression. Moreover, KO of CD81 increased EBOV GP mediated entry and seems to enhance macropinocytosis, the major internalization pathway of EBOV. CD81 was shown to be downregulated by both GP and VP40 of EBOV, which involves lysosomal and proteasomal protein degradation. Notably, a CD81 antibody, 5A6, showed inhibitory effects on EBOV trVLP infection.
In summary, EBOV downregulates tetraspanin CD81, as a novel immune evasion mechanism, to create a replication friendly environment. With further investigations of authentic EBOV infection of its primary target cells, CD81 antibody 5A6 might be used as an antiviral treatment.Die Dissertation ist gesperrt bis zum 1. März 2026
Myofibroblast Specific cGMP/cGKI Signaling Counteracts Ang II-Induced Cardiac Remodeling
No full textThe present work focused on the investigation of the putative role of the cGMP-dependent protein kinase I (cGKI) in Postn+ cardiac myofibroblasts (CMFs) in mediating the well-known antifibrotic actions of the NO/cGMP and NP/cGMP signaling cascade(s). To address this question, we generated mice with a specific deletion of cGKI in CMFs (cmfKO) and corresponding littermate control animals (CTR) by using a transgenic PostniCreTg/+ mouse line expressing the tamoxifen (TAM)-inducible Cre recombinase controlled by the Postn-Promotor (Kaur et al., 2016). To induce cardiac remodeling, osmotic minipumps releasing angiotensin II (Ang II) over 28 days were implanted subcutaneously. CMF-specific Cre-recombination resulted in a pronounced reduction of cGKI expression levels in fibrotic heart areas as well as in primary cardiac fibroblasts (CF)/CMF cell cultures derived from TAM and Ang II-treated cmfKO mice. Interestingly, although both genotypes responded identically to Ang II in terms of blood pressure and heart weight, cmfKO mice exhibited a slightly increased myocardial vulnerability compared to Ang II-treated CTR animals. In line with this adverse outcome, Ang II challenged cmfKO mice displayed a significantly increased collagen deposition as well as cardiomyocyte (CM) cross sectional areas and cell death versus corresponding CTR animals. Furthermore, cmfKO mice showed a structure-related decline in global cardiac performance (%EF, %FS) and muscle deformation capacity following prolonged Ang II stimulation compared to corresponding CTR mice. Consistent with the observed phenotype in vivo, primary CF/CMFs isolated from Ang II-treated cmfKO mice exhibited accelerated proliferation behavior compared with CTR-derived CF/CMFs. Future studies are still required to address how cGKI contributes to further CMF characteristics including ECM-production and migration. Overall, the present work provides evidence for a cardioprotective role of the cGMP/cGKI cascade in CMF during Ang II-mediated cardiac remodeling, with these antifibrotic effects attributable to tight regulation of CMF expansion
Neue Mechanismen zur Regulation des thrombozytären Lipidmetabolismus und der Ca2+-abhängigen Signaltransduktion im Rahmen arterieller Thrombosen
No full textThrombo-okklusive Erkrankungen, wie zum Beispiel Herzinfarkt oder Schlaganfall, resultieren hauptsächlich aus der übersteigerten Aktivierung von Thrombozyten. Dabei werden die thrombozytäre Adhäsion und Aggregation sowie die Thrombusbildung durch ein komplexes Netzwerk gesteuert, welches erhebliche Veränderungen der [Ca2+]i und des Lipidmetabolismus verursacht. Diese Prozesse werden wiederum von einer Vielzahl an Regulatoren beeinflusst, zu denen beispielsweise Lipid-bindende Proteine oder Kinasen zählen. Die Erforschung dieser Regulatoren erweitert nicht nur unser Verständnis für die molekularen Mechanismen in Thrombozyten, sondern ermöglicht auch die Identifizierung neuer Ansatzpunkte für antithrombotische Therapien. Im Rahmen dieser Arbeit sollten verschiedene Proteine (Annexin A7, Niemann-Pick C1 Protein und Casein Kinase 2α) untersucht werden, die über die Lipid- und Ca2+-abhängige Signaltransduktion auf die Aktivierung von Thrombozyten wirken.
Die vorliegende Arbeit bekräftigt, dass es sich bei den ausgewählten Proteinen um wichtige Regulatoren der Lipid- und Ca2+-abhängigen Aktivierung von Thrombozyten im Rahmen thrombo-okklusiver Erkrankungen handelt. Folglich stellen Annexin A7, das Niemann-Pick C1 Protein und die Casein Kinase 2α vielversprechende Ziele für die Entwicklung zukünftiger Antithrombotika dar. Weitere Studien sind notwendig, um die klinische Relevanz dieser experimentellen Befunde zu evaluieren
Gewebedifferenzierung mittels optischer Emissionsspektroskopie im Gastrointestinaltrakt
No full textDie Dissertation ist gesperrt bis zum 30. Juli 2026 !In der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob sich OES-Gewebespektren mit
den histologischen Befunden „Normalgewebe“ und „Tumorgewebe“ für die
Neoplasien Kolorektales Karzinom, Magenkarzinom und Gastrointestinale
Stromatumore korrelieren lassen. Zu diesem Zweck wurden von insgesamt 97
Patienten Gewebeproben der genannten Tumorentitäten und deren
Normalgewebe gesammelt. In der Summe wurden 2036 Messpunkte von
Normalgewebe und 2419 Messpunkte von Tumorgewebe und somit insgesamt
4455 OES-Gewebespektren gemessen. Danach wurden die Proben
histopathologisch untersucht und deren Gewebe definiert. Durch Unterschiede in
den Spektren zwischen Normal- und Tumorgewebe und der Ergebnisse der
histopathologischen Untersuchung ließ sich mit Hilfe einer SVM ein Algorithmus
zur Gewebewiedererkennung erstellen. Es hat sich gezeigt, dass mit diesem
Algorithmus Normal- als auch Tumorgewebe anhand ihrer OES-Spektren
voneinander unterschieden werden können. Die Genauigkeit einer solchen
Unterscheidung war jedoch zwischen den einzelnen Patienten sehr
unterschiedlich. So hat die Unterscheidung bei einigen Patienten sehr gut
funktioniert, bei einigen war sie allerdings kaum möglich. Durch umfassende
Recherche der verfügbaren Daten konnten für diese Tatsache nur bei einzelnen
Patienten mögliche Gründe für eine schlechte Gewebewiedererkennung
gefunden werden. Bei einigen bleibt der Unterschied in der Genauigkeit dieser
Gewebewiedererkennung zunächst unklar. Die Inhomogenität des Gewebes
macht jeden Messpunkt einzigartig, was eine Herausforderung an eine solche
Analyse darstellt. Im Verlauf der Datensammlung hat sich gezeigt, dass eine
genaue histologische Untersuchung jedes einzelnen Messpunktes enorm wichtig
ist. Das Problem jedoch ist, dass diese Untersuchung nur in der unmittelbaren
Umgebung des Messpunktes stattfinden kann, da das gemessene Gewebe
selbst bei der Messung zerstört wird.
Die Unterscheidung der Gewebe wurde anhand von Features durchgeführt.
Diese sind definiert als Integrale unter den Peaks bestimmter PhotonenWellenlängen, welche bei Normal- und Tumorgewebe Unterschiede aufwiesen.73
Hinter den Wellenlängen stehen bestimmte Mengenelemente und
Molekülbanden, die im Gewebe folglich vermehrt oder vermindert vorkommen.
Eine Kombination dieser Features gibt jedem Gewebe einen spezifischen
„Fingerabdruck“. Vor allem das Mengenelement Magnesium mit seinen
unterschiedlichen Wellenlängen wurde bei allen drei Tumorentitäten mit erhöhten
Peaks, also auch erhöhter Konzentration im Gewebe, gefunden. Die
untersuchten Tumorentitäten scheinen also Magnesium anzureichern.
Anwendung finden könnte die OES-Gewebeanalyse im Bereich der onkologischchirurgischen Therapie. Eine Gewebeanalyse in Echtzeit kann dem Chirurgen
helfen, Resektionsgrenzen besser zu beurteilen und bietet großes Potential bei
der Zeitersparnis im Operationssaal und beim Behandlungserfolg für den
Patienten. Auch eine Anwendung in der endoskopischen Vorsorge oder zur
Unterstützung von Gewebeanalysen in pathologischen Instituten ist denkbar.
Zwar konnte anhand der Ergebnisse dieser Studie gezeigt werden, dass sich die
untersuchten gastrointestinalen Tumore anhand ihres OES-Gewebespektrums
voneinander unterscheiden lassen, für einen klinischen Einsatz ist die
durchschnittliche Genauigkeit der Gewebewiedererkennung aber zu niedrig und
muss verbessert werden. Vor allem neue Ansätze im Bereich der
Datenverarbeitung durch künstliche Intelligenz versprechen hier heute schon
bessere Ergebnisse im Bereich der Genauigkeit der Gewebewiedererkennung.
Insofern sollte die OES-Gewebeanalyse, nicht nur im Gastrointestinaltrakt,
sondern auch in anderen Gewebe- und Organsystemen weiter erforscht und
vorangebracht werden
Explaining Artificial Intelligence : from epistemological foundations to practical consequences
No full textWirkung von Serumkomponenten auf das Wachstum und die Stabilität von humanen Blasentumor-Organoiden
No full textDas Harnblasenkarzinom ist nach dem Prostatakarzinom die zweithäufigste
Tumorentität des Urogenitaltraktes sowie das viert häufigste Karzinom des
Mannes. Es bedarf teilweise aufwendiger chirurgischer Interventionen und
mögliche nebenwirkungsreiche Chemotherapien oder intravesikale Instillationen
für eine Kuration. Um beispielsweise Vorabprognosen bezüglich der
Wirksamkeit und Effektivität angewendeter Therapeutika im Rahmen von
Medikamententestungen zu ermöglichen, werden alternative in-vitro
Zellkulturmodelle benötigt.
Organoide als dreidimensionale Zellkulturen scheinen eine solche Alternative
zu sein und stellen einen erfolgsversprechenden Ansatz in der Tumorforschung
dar, vor allem da sie im Vergleich zu häufig in Laboren verwendeten
zweidimensionalen Kulturen die Charakteristika ihres Primärtumors besser
rekapitulieren. Bislang konnten aus verschiedensten humanen, sowohl
benignen als auch malignen, Geweben Organoide kultiviert werden, ebenfalls
aus Harnblasenkarzinomen. Vorarbeiten im Labor zeigten, dass unter Verwendung des eigenen etablierten
Kulturmediums die Ausbeute zur Generierung von Organoidkulturen aus
humanen Harnblasenkarzinomen deutlich geringer war als in anderen Arbeiten
aus der Literatur. Um die Effizienz der Generierung und Kultivierung zu
steigern, war es Ziel dieser Arbeit, ein nochmals verbessertes Kulturmedium zur
Nährstoffversorgung der Organoide zu etablieren und somit die Anwendung der
Organoide im Rahmen der personalisierten Medizin weiter voranzutreiben.
Nach vorangegangenen Vorversuchen wurden Proliferationsassays an
zweidimensionalen Zellkulturen der Zelllinie HBLAKs und der Tumorlinie UMUC-15 durchgeführt, um deren Ansprechen auf insgesamt neun verschiedene
Wachstumsfaktoren (EGF, FGF2, HGF, IGF-1, Neuregulin, Noggin, R-Spondin
1, A83-01, TGF-β1) in mehreren Konzentrationen zu testen. Aus der
Gesamtschau dieser Screeningdaten wurden für nachfolgende
Proliferationsassays in dreidimensionalen Kulturen folgende
Wachstumsfaktoren ausgewählt: HGF (50ng/ml), FGF2 (6ng/ml), EGF(25ng/ml) und Neuregulin (5nM). In die dreidimensionalen Proliferationsassays
wurden erneut die Zelllinie HBLAKs und die Tumorlinie UM-UC-15
eingeschlossen und die zuvor ausgewählten Wachstumsfaktoren HGF, FGF2,
EGF und Neuregulin nochmals als Einzelkomponenten sowie in verschiedenen
Kombinationen bezüglich ihres proproliferativen Effekts auf das Zellwachstum
gescreent. Ebenfalls erfolgte die Testung der Faktoren als Einzelkomponente
und in Kombination an Kulturen des humanen Blasentumororganoids
BCO#270. Die Daten für die Tumorlinie UM-UC-15 lieferte vielversprechende
Ergebnisse für EGF als Einzelkomponente und fünf verschiedene
Kombinationen an Faktoren: Mix komplett (HGF+FGF2+EGF+Neuregulin), Mix
1(HGF+Neuregulin), Mix 2 (HGF+EGF), Mix 4 (HGF+FGF2+Neuregulin) und
Mix 5 (HGF+EGF+FGF2). Für BCO#270 konnte gezeigt werden, dass alle
Faktoren als Einzelkomponenten und in Kombination beinahe gleichermaßen
das Zellwachstum stimulierten. Das Medium BTM aus Vorarbeiten der
Arbeitsgruppe sowie das aus der Literatur übernommenes Medium HCM
konnten diesen proproliferativen Effekt nicht induzieren. Bedingt durch verschiedene Störvariablen innerhalb der Screens an
dreidimensionalen Kulturen und vor allem der zu kleinen Stichprobengrößen mit
lediglich n=1 für humane Blasentumororganoide konnte letztendlich kein
verbessertes Kulturmedium definiert werden
Understanding Collisions in Planetary Systems by Computational Modeling
No full textWährend der Entstehung und Entwicklung von Planeten kommt es häufig zu Kollisionen mit anderen Himmelsobjekten, die von Mikrometeoriteneinschlägen bis hin zu größeren Zusammenstößen mit anderen Protoplaneten reichen. Diese Arbeit untersucht die
Bedingungen, unter denen solche Ereignisse stattfinden, indem sie die orbitalen und physikalischen Eigenschaften von Körpern vor und nach der Kollision untersucht und die komplizierte Dynamik analysiert, die an diesen Wechselwirkungen beteiligt ist. Wir beginnen mit einer kurzen Zusammenfassung der wichtigsten Prinzipien der Planetenentstehung und stellen die in dieser Arbeit verwendeten Methoden vor. Unsere astrophysikalischen Beiträge umfassen eine Analyse kleinerer Einschläge auf den Jupitermonden Ganymed und Kallisto, eine Auswertung von Fragmenten aus Planetenkollisionen und die Zusammenstellung eines umfassenden Kollisionskatalogs, der ein breites Spektrum plausibler Anfangsbedingungen umfasst. Unsere methodischen Beiträge umfassen die Entwicklung und Verbesserung von numerischen Simulationstechniken für die Kollisionsmodellierung und die Analyse von großen Datenmengen durch die Anwendung moderner maschineller Lernverfahren. Unsere Ergebnisse stützen etablierte Theorien der Planetenbildung. Wir
liefern verfeinerte Schätzungen der Einschlaggeschwindigkeiten auf Jupiters Eismonden und untersuchen die Flugbahnen von Fragmenten nach größeren Kollisionen. Mithilfe unser eigens entwickelten Simulationsmethode führen wir umfangreiche Parameterstudien von Planetenkollisionen durch. Die daraus resultierenden Daten werden verwendet, um moderne maschinelle Lernmethoden für eine schnelle und genaue Kollisionsbehandlung zu trainieren. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Kombination von numerischen Simulationen mit maschinellem Lernen neue Wege in der theoretischen Astrophysik eröffnet und einen skalierbaren und vielseitigen Rahmen für die Erforschung der Feinheiten der Planetenbildung darstellt.Throughout the formation and evolution of planets, collisions with other celestial objects are common, ranging from micrometeorite impacts to major encounters with other protoplanets. This study investigates the conditions under which such events occur, examining the orbital- and physical properties of pre- and post-collision bodies and analyzing the intricate dynamics involved in these interactions. We begin by shortly summarizing key principles of planet formation, as well as introducing the computational methodologies employed in this work. Our astrophysical contributions include an analysis of minor impacts on Jupiter’s icy moons, Ganymede and Callisto, an evaluation of post-collision fragments from pairwise planetary collisions, and the compilation of a comprehensive collision catalog spanning a broad range of plausible initial conditions. Methodologically, we advance the field by developing and refining numerical simulation techniques for collision modeling and enhancing large-scale data analysis through the application of modern machine learning approaches. Our findings support established theories of planet formation. We provide refined estimates of impact velocities onto Jupiter’s icy moons and study the trajectories of post-collision fragments after major collisions. Utilizing our numerical simulation framework, we conduct extensive parameter studies of planetary collisions. The resulting data is then employed to train modern machine learning methods for fast and accurate collision handling. We conclude that combining numerical simulations with machine learning opens up new pathways in theoretical astrophysics, representing a scalable and versatile framework for elucidating the intricacies of planet formation
