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A Common Anesthetic Binding Site among Atrial Fibrillation-Relevant Ion Channels: Application to Polypharmacological Rational Drug Identification
No full textThe physiology of cardiac tissues is fundamentally driven by ion channels, which regulate action potentials essential for the cardiac cycle. Alterations in ion channel behavior can lead to abnormal cardiac phenomena, such as atrial fibrillation (AF), the most common arrhythmic condition worldwide. In this context, potassium channels hKv1.5 and hTASK-1, along with the sodium channel hNav1.5, are promising drug targets for AF treatment due to their significant role in this pathology.
A modern drug research paradigm, polypharmacology, offers a novel strategy to address AF by leveraging the involvement of multiple targets. This approach focuses on the design and development of multi-target-directed ligands (MTDLs) that modulate several ion channels within the same potency range.
Local anesthetic (LA) drugs, including ropivacaine, bupivacaine, and lidocaine, are well-documented to bind and block these three ion channels. To investigate the dynamics of LA interactions with their binding sites (BSs), alanine scanning mutagenesis was performed to identify ropivacaine and bupivacaine BSs in hKv1.5. Additionally, molecular docking calculations were conducted for ropivacaine and bupivacaine in Kv1.5, lidocaine in Nav1.5 and bupivacaine in hTASK-1 using previously reported LA BSs.
To apply this structural information toward MTDL drug design, two approaches were employed. The first utilized the pharmacophore model of LAs to guide the chemical synthesis of compounds maintaining key features of LA pharmacophores, followed by ranking based on molecular docking and MM-GBSA energy calculations. The second approach applied the LA pharmacophore as a filter for the FDA database, creating a drug library. In silico models of hKv1.5, hNav1.5, and hTASK-1 were then developed to identify shared binding pockets, incorporating membrane-embedded systems of bupivacaine/ropivacaine-hKv1.5, lidocaine-rNav1.5, and bupivacaine-hTASK-1. Molecular dynamics simulations were conducted to characterize and compare these BSs based on their physicochemical and geometric features. Utilizing these data, a new computational workflow was established, proposing a common LA-binding pattern (receptophore) across these ion channels. A virtual screening process guided by the receptophore was subsequently performed using the generated drug library.
Hits identified through both approaches were tested in electrophysiological experiments, leading to the discovery of novel MTDLs that selectively block hKv1.5, hTASK-1, and hNav1.5.Die Physiologie des Herzgewebes wird maßgeblich durch Ionenkanäle bestimmt, die Aktionspotenziale regulieren und somit für den Herzzyklus essenziell sind. Veränderungen in der Funktionsweise (Verhalten) dieser Ionenkanäle können zu abnormalen kardialen Phänomenen führen, wie zum Beispiel Vorhofflimmern atrial fibrillation (AF), der weltweit häufigsten Herzrhythmusstörung. In diesem Zusammenhang gelten die Kaliumkanäle hKv1.5 und hTASK-1 sowie der Natriumkanal hNav1.5 als vielversprechende pharmakologische Ziele für die Behandlung von AF aufgrund ihrer zentralen Rolle in dieser Erkrankung.
Ein modernes Forschungsparadigma der Arzneimittelentwicklung, die Polypharmakologie, bietet eine innovative Strategie zur Behandlung von AF, indem es die Beteiligung mehrerer Zielstrukturen nutzt. Dieser Ansatz konzentriert sich auf die Entwicklung von Multi-Target-Direktliganden (MTDLs), die mehrere Ionenkanäle im selben Wirksamkeitsbereich modulieren können.
Lokalanästhetika (LA) wie Ropivacain, Bupivacain und Lidocain sind bekannt als Blocker dieser drei Ionenkanäle. Um die dynamischen Wechselwirkungen von LAs mit ihren Bindungsstellen (BSs) zu untersuchen, wurde eine Alanin-Scanning-Mutagenese durchgeführt, um die BSs von Ropivacain und Bupivacain in hKv1.5 zu identifizieren. Zudem wurden molekulare Docking-Berechnungen für Ropivacain und Bupivacain in hKv1.5, Lidocain in hNav1.5 sowie Bupivacain in hTASK-1 unter Berücksichtigung bereits berichteter BSs durchgeführt.
Um diese strukturellen Informationen für die Entwicklung von MTDLs zu nutzen, wurden zwei Ansätze verfolgt. Der erste Ansatz verwendete das Pharmakophormodell der LAs zur gezielten Synthese von Verbindungen, die Schlüsselfunktionen von LA-Pharmakophoren enthalten. Diese wurden anschließend mittels molekularem Docking und MM-GBSA-Energierechnungen bewertet. Der zweite Ansatz nutzte das LA-Pharmakophor als Filter für die FDA-Datenbank zur Erstellung einer Arzneimittelbibliothek. In silico-Modelle von hKv1.5, hNav1.5 und hTASK-1 wurden entwickelt, um gemeinsame Bindungstaschen zu identifizieren. Dabei wurden membranintegrierte Systeme von Bupivacain/Ropivacain-hKv1.5, Lidocain-hNav1.5 und Bupivacain-hTASK-1 berücksichtigt. Anschließend wurden molekulardynamische Simulationen durchgeführt, um diese BSs hinsichtlich ihrer physikochemischen und geometrischen Eigenschaften zu charakterisieren und miteinander zu vergleichen. Basierend auf diesen Daten wurde ein neuer computergestützter Workflow entwickelt, um ein gemeinsames LA-Bindungsmuster (Rezeptophor) über diese Ionenkanäle hinweg zu definieren. Eine virtuelle Screening-Analyse, die durch das Rezeptophor geleitet wurde, erfolgte mithilfe der erstellten Arzneimittelbibliothek.
Die durch beide Ansätze identifizierten Treffer wurden in elektrophysiologischen Experimenten getestet, wodurch neuartige MTDLs entdeckt wurden, die selektiv hKv1.5, hTASK-1 und hNav1.5 blockieren
Data and metadata for: Single Photon Photoelectron Elliptical Dichroism of Amino Acid Anions
No full textThis database contains all the necessary experimental data and results presented in: Jon H. Both, Karl-Michael Weitzel, Single Photon Photoelectron Elliptical Dichroism of Amino Acid Anions, Phys. Chem. Chem. Phys., 27, 23380-23385, (2025), https://doi.org/10.1039/D5CP03324
Match-play data according to playing categories in badminton: a systematic review
No full textThis systematic review aimed to investigate differences in match-play data according to the five playing categories in badminton.
Materials and methods: The systematic review was conducted following the Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA) guidelines. Searches were conducted on ScienceDirect, PubMed, Google Scholar, Scopus, Web of Science, and Cochrane Library databases. Studies assessing technical-tactical actions, activity profiles, or external and internal loads as match-play outcome measures according to the five playing categories in badminton were deemed eligible. Quality assessment was performed using a modified version of the AMSTAR-2 checklist to compare the outcome measures, effect sizes (ES) and associated 95% confidence intervals were calculated.
Results: Of the 12,967 studies that were identified, 34 met the eligibility criteria. Among these, 29 and five were rated as excellent and good quality, respectively. Some individual ESs of activity profiles showed up to large differences (ES ≤ 4.52) favouring the men's compared with the women's singles category. Some individual ESs of activity profiles showed up to large differences (ES ≤ -2.72) favouring the women's doubles category compared with other doubles categories. The overall ESs for the activity profiles were large (ES = −0.76 to −0.90), favouring the doubles over the singles categories in both sexes.
Discussion: There are up to large differences in match-play data according to the five playing categories in badminton, each category placing specific demands on the players. Thus, each category requires specific training and testing procedures, what should be considered by scientists and coaches.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Synthese, Reaktivität und Eigenschaften des sym-Dimethyltetraphenylcarbodiphosphorans
No full textIm Rahmen der Arbeit wurden die Synthese, Eigenschaften und Reaktivität von sym-Dimethyltetraphenylcarbodiphosphoran {CDP(Me)} untersucht. Zunächst wurde die Darstellung von CDP(Me) ausgehend von Bis(diphenylphosphino)methan optimiert. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die NMR-Spektren der erhaltenen (Zwischen-)Produkte gelegt. Dazu wurde ein Verfahren entwickelt, welches es ermöglicht, die nicht messbare, virtuelle Kopplungskonstante der Phosphoratome näherungsweise zu berechnen. Für eine wiederholte und zudem praktikable Anwendung des Verfahrens wurde ein entsprechendes Programm zur Berechnung implementiert.
Die Reaktionen von CDP(Me) mit Iodmethan, Dimethylsulfat und (SiMe3)(OTf) in Lösung lieferten die jeweilige 1:1-Verbindungen {CDP(Me)Me}I, {CDP(Me)Me}(MeSO4) bzw. {CDP(Me)SiMe3}(OTf). In allen Fällen war es nicht möglich, die 1:2-Verbindung zu isolieren. Für die erfolgreiche Bildung von {CDP(Me)(SiMe3)2}(OTf)2 konnten massenspektrometrische und NMR-spektroskopische Hinweise gefunden werden. Auch Reaktionen von CDP(Me) mit PPhClX (X = Ph, Cl) lieferten jeweils die 1:1-Verbindung. Versuche zur Darstellung eines Phosphanyliden-Addukts waren nicht erfolgreich. Durch die Methylierung von {CDP(Me)PPh2}Cl war es möglich, das dreifach symmetrische {CDP(Me)P(Me)Ph2}ClI darzustellen. CDP(Me) wurde mit B(C6F5)3 umgesetzt, um zu untersuchen, ob sich ein Frustriertes Lewis-Paar (FLP) bildet, wie es für Hexaphenylcarbodiphosphoran {CDP(Ph)} der Fall ist. Im Gegensatz zum sterisch anspruchsvolleren CDP(Ph) wurde jedoch das "normale" Lewis-Säure-Base-Addukt {CDP(Me)B(C6F5)3} gebildet.
Die Reaktionen von CDP(Me) mit den Münzmetallhalogeniden wurden untersucht. Bei der Umsetzung mit Kupfer(I)-chlorid wurde (erwartungsgemäß) [Cu{CDP(Me)}Cl] erhalten. Die Umsetzung mit Silber(I)-chlorid lieferte entgegen der Erwartungen den dreikernigen Komplex [Ag{μ2-CDP(Me)}ClAg{μ2-CDP(Me)}AgCl2], in dem zwei CDP(Me)-Einheiten als μ2-verbrückende Liganden fungieren. Zur Untersuchung der Fähigkeit der Carbodiphosphorane in Übergangmetallkomplexen als 4e−-Donor zu agieren, wurde der Komplex [Fe{CDP(Me)}{N(SiMe3)2}2] hergestellt. Der Komplex wurde hinsichtlich seiner statischen magnetischen Eigenschaften mittels SQUID untersucht. Durch quantenchemische Rechnungen, die exemplarisch an [Fe{CDP(Ph)}{N(SiMe3)2}2] durchgeführt wurden, konnten Hinweise für eine 4e−-Donation von CDP(Ph) gefunden werden. Durch Umsetzung von CDP(Me) mit Nickeltetracarbonyl wurde der Komplex [Ni{CDP(Me)}(CO)3] erhalten, anhand dessen der Tolman Electronic Parameter (TEP) und das Percent Buried Volume (%Vbur) von CDP(Me) bestimmt wurden. Aus dieser Umsetzung konnte ebenfalss der zweikernige Komplex [Ni2{μ2-CDP(Me)}(CO)4(μ2-CO)] isoliert werden.
Die Molekülstrukturen aller isolierbaren Verbindungen wurden mittels Einkristallstrukturanalyse aufgeklärt. Soweit möglich, wurden alle Verbindungen mittels Massenspektrometrie sowie 1H-, 13C- und 31P-NMR-Spektroskopie untersucht. Anhand der Ergebnisse dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich die Reaktivitäten von CDP(Me) und CDP(Ph) zwar in vielen Punkten ähneln, es aber auch markante Unterschiede gibt. Diese Unterschiede konnen auf den größeren Elektronenreichtum und den geringeren sterischen Anspruch des CDP(Me) zurückgeführt werden.The synthesis, properties, and reactivity of sym-dimethyltetraphenylcarbodiphosphane {CDP(Me)} were investigated in this work. First, the preparation of CDP(Me) from bis(diphenylphosphino)methane was optimized. Particular attention was paid to the NMR spectra of the (intermediate) products obtained. For this purpose, a method was developed that makes it possible to calculate the non-measurable, virtual coupling constant of the phosphorus atoms approximately. A corresponding calculation program was implemented to enable repeated and practical application of the method.
The reactions of CDP(Me) with iodomethane, dimethyl sulfate, and (SiMe3)(OTf) in solution yielded the respective 1:1 compounds {CDP(Me)Me}I, {CDP(Me)Me}(MeSO4), and {CDP(Me)SiMe3}(OTf). In all cases, it was not possible to isolate the 1:2 compound. Mass spectrometric and NMR spectroscopic evidence was found for the successful formation of {CDP(Me)(SiMe3)2}(OTf)2. Reactions of CDP(Me) with PPhClX (X = Ph, Cl) also yielded the 1:1 compound in each case. Attempts to produce a phosphanyliden adduct were unsuccessful. Through the methylation of {CDP(Me)PPh2}Cl, it was possible to produce the triple-symmetric cation {CDP(Me)P(Me)Ph2}. CDP(Me) was reacted with B(C6F5)3 to investigate whether a frustrated Lewis pair (FLP) forms, as is the case for hexaphenylcarbodiphosphorane {CDP(Ph)}. In contrast to the more sterically demanding CDP(Ph), however, the "normal" Lewis acid-base adduct {CDP(Me)B(C6F5)3} was formed.
The reactions of CDP(Me) with coin metal halides were investigated. As expected, the reaction with copper(I) chloride yielded [Cu{CDP(Me)}Cl]. Contrary to expectations, the reaction with silver(I) chloride yielded the tricentric complex [Ag{μ2-CDP(Me)}ClAg{μ2-CDP(Me)}AgCl2], in which two CDP(Me) units act as μ2-bridging ligands. To investigate the ability of carbodiphosphoranes to act as 4e− donors, the complex [Fe{CDP(Me)}{N(SiMe3)2}2] was prepared. The complex was investigated with regard to its static magnetic properties using SQUID. Quantum chemical calculations performed on [Fe{CDP(Ph)}{N(SiMe3)2}2] as an example provided evidence for 4e− donation from CDP(Ph). The complex [Ni{CDP(Me)}(CO)3] was obtained by reacting CDP(Me) with nickel tetracarbonyl, which was used to determine the Tolman Electronic Parameter (TEP) and the Percent Buried Volume (%Vbur) of CDP(Me). This reaction also allowed the isolation of the dinuclear complex [Ni2{μ2-CDP(Me)}(CO)4(μ2-CO)].
The molecular structures of all isolatable compounds were determined by single crystal structure analysis. Where possible, all compounds were characterized by mass spectrometry and 1H, 13C, and 31P NMR spectroscopy.
The results of this work showed that although the reactivity of CDP(Me) and CDP(Ph) are similar in many respects, there are also striking differences. These differences can be attributed to the greater electron density and lower steric hindrance of CDP(Me)
Der Einfluss der psychopharmakologischen Behandlung auf die Gestikverarbeitung bei Patient:innen mit Schizophrenie, Depression und Bipolarer Störung
No full textMenschen sind als soziale Wesen auf Kommunikation mittels Sprache, welche oftmals von Gestik begleitet wird, angewiesen. Die Fähigkeit zur gelingenden Interaktion mit Anderen und dabei auch Prozesse der Gestikproduktion und Gestikperzeption, sind bei diversen psychischen Erkrankungen beeinträchtigt, wodurch das Sozialleben und die Lebensqualität von Betroffenen erheblich eingeschränkt sind. Insbesondere bei der Schizophrenie spielen Gestikprozesse eine große Rolle für den Verlauf und die Symp-tomschwere der Erkrankung. In dieser Arbeit wurden erstmals die diagnoseübergrei-fenden Zusammenhänge zwischen psychopharmakakologischer Behandlung und Gestikverarbeitung bei Schizophrenie, Depression und Bipolarer Störung untersucht. Insbesondere mögliche Effekte von Antipsychotika wurden genauer betrachtet. Dafür wurden Daten von 133 Testpersonen im Alter zwischen 18 und 62 Jahren untersucht, die im Zeitraum von 2015 bis 2020 am Universitätsklinikum Marburg erhoben wur-den. Zur objektiven Gestikbeurteilung führten die Personen eine Sprach-Gestik-Matching-Aufgabe durch, bei der angeben werden musste, ob die Gestik zum Sprachinhalt passend oder unpassend ist. Die subjektive Gestik-Selbstbeurteilung er-folgte mittels des Fragebogens „Brief Assessment of Gestures“ (BAG), welcher zwölf Aussagen zum Gestikverhalten enthält. Auch demographische und klinische Variablen zu Symptomatik und Medikation wurden erhoben, anhand derer Äquivalenzdosen für Antipsychotika und Antidepressiva berechnet sowie Rezeptorbindungsprofile und Ne-benwirkungsprofile codiert wurden. Es zeigte sich, dass Testpersonen, die atypische Neuroleptika einnahmen, schlechtere Leistungen in der Sprach-Gestik-Matching-Aufgabe erzielten als Testpersonen, die eine andere Therapie erhielten (p < 0,001). Nach Kontrolle für den Einfluss von Störfaktoren zeigte sich ein solcher Zusammen-hang nur noch im Trend (p = 0,093). Außerdem ging eine höhere Neuroleptikaäquiva-lenzdosis ebenfalls mit schlechteren Leistungen in der Sprach-Gestik-Matching-Aufgabe einher (p < 0,001), was nach Kontrolle für die Störfaktoren nur noch im Trend nachweisbar war (p = 0,055). Jedoch zeigten sich explorativ weiterhin signifikante Zusammenhänge zwischen der Psychopharmakologie und den Ergebnissen in der Ges-tik-Aufgabe sowie im Fragebogen. Dies deutet darauf hin, dass sich Effekte der Medi-kation auf die Gestikverarbeitung nicht klar von dem Einfluss anderer Faktoren, wie Diagnose, Symptomatik und Nebenwirkungen trennen lassen. Zukünftig bedarf es wei-teren Studien, um mögliche Kausalzusammenhänge nachzuweisen und die Befunde dieser Arbeit zu bestätigen.As social beings, humans are dependent on communication by means of language, which is often accompanied by gestures. The ability to interact successfully with others, including the processes of gesture production and perception, is severely im-paired in various mental illnesses, which significantly restricts the social life and qua-lity of life of those affected. In schizophrenia in particular, gesture processes play a major role in the course and symptom severity of the illness. This study was the first to investigate the cross-diagnostic relationships between psychopharmacological trea-tment and gesture processing in patients with schizophrenia, depression and bipolar disorder. In particular, possible effects of antipsychotics were analysed in more detail. To this end, data from 133 patients aged between 18 and 62 years was analysed, which was collected at Marburg University Hospital between 2015 and 2020. For an objective gesture assessment, the subjects performed a speech-gesture matching task in which the patients had to push a button to indicate whether the arm and hand gestures played in a video clip were appropriate or inappropriate for the speech content. The subjective gesture self-assessment was carried out using the "Brief Assessment of Gestures" (BAG), which contains twelve statements on gesture behaviour. Demographic and cli-nical variables on symptoms and medication were also collected, which were used to calculate the individual equivalent doses for antipsychotics and antidepressants, as well as prescription binding profiles and side effect profiles.
It was found that patients taking atypical neuroleptics performed worse in the speech-gesture matching task than patients receiving other therapies (p < 0.001). After con-trolling for the influence of confounding factors (such as diagnosis, symptoms and side effects), such a correlation was only found a trend level (p = 0.093). In addition, a higher neuroleptic equivalent dose was also associated with poorer performance in the speech-gesture matching task (p < 0.001), which was no longer detectable after con-trolling for confounding factors (p = 0.055). However, exploratory results still showed significant correlations between the psychopharmacological treatment and the results in the gesture task and the questionnaire. From this we conclude that there are effects of medication on gesture processing, but these cannot be clearly separated from the influence of other factors such as diagnosis, symptoms and side effects. Further stu-dies need to be conducted in the future to prove possible causal relationships and con-firm our findings
Investigation of Apelin signaling as a regulator for cerebrovascular specialization
No full textOrgan-specific angiogenic signaling pathways establish a vascular network that meets the unique metabolic and functional demands of each tissue. The brain has the highest metabolic need of all organs accounting for approximately 20% of daily energy consumption, despite representing only 2% of total body weight. To adequately supply the brain with nutrients and oxygen, the central nervous system (CNS) must be highly vascularized. The vasculature in the brain is mainly characterized by the establishment of the blood-brain-barrier (BBB) that protects neural tissue by restricting the passage of harmful molecules and regulating nutrient exchange by the endothelial cells (ECs). To maintain CNS homeostasis and function, certain regions require specialized vascular permeability that is ensured by fenestrated blood vessels. These specialized ECs form pores, so-called fenestrae, within their cell membrane that regulate the molecular exchange across the endothelium. While signaling pathways required for BBB angiogenesis have been extensively studied over the past decades, we still lack knowledge about the molecular signals specifically required for fenestrated blood vessel formation.
The Apelin receptor (Aplnr), a class A (rhodopsin-like) G protein-coupled receptor (GPCR) and its two endogenous peptide ligands, Apelin and Apela, has been shown to play key roles during the development of the cardiovascular system in vertebrates, including mice, frog and zebrafish. Recently, neurovascular Apelin signaling has been shown to promote vascularization of the spinal cord, which suggests a broader role of Apelin signaling in CNS vascularization. However, it remains unknow whether Apelin signaling is required for cerebral angiogenesis and cerebrovascular specialization.
This work addresses the role of Apelin signaling during CNS vascularization with particular focus on cerebral angiogenesis and cerebrovascular specialization. For this purpose, we used the zebrafish as a model organism to decipher the cellular mechanisms underlying CNS vascularization mediated through the Apelin signaling pathway. Additionally, we engineered genetically encoded APLNR activity biosensors, that enable real-time monitoring of APLNR activity in model cell lines and in living organisms. By applying these biosensors in zebrafish larvae, we visualized the spatiotemporal bioavailability of Apelin across the brain.
By generating novel transgenic reporter lines and analyzing publicly available single cell RNA sequencing datasets, we found aplnrb expression closely mirroring that of the canonical fenestration marker plvapb, suggesting Aplnrb as a novel marker for fenestrated ECs. By investigating apln and aplnrb mutant larvae, we could show that the Apelin signaling pathway is a crucial regulator of fenestrated capillary formation in the Choroid plexus (CP), while it is dispensable for adjacent BBB-forming capillaries and BBB establishment. Our genetic analysis and RNA sequencing results revealed a previously unrecognized meningeal-vascular signaling axis required for fenestrated blood vessel development. Undifferentiated, yet pre-programmed, leptomeningeal fibroblast progenitor cells are the primary source of the Apelin ligand, thereby regulating and guiding fenestrated capillaries in the CP.
Furthermore, we generated genetically encoded APLNR conformational biosensors based on Förster resonance energy transfer (FRET), bioluminescence resonance energy transfer (BRET) and the conformation-sensitive circularly permuted green fluorescent protein (cpGFP) to measure APLNR activity in real-time. After comparing the performance of various APLNR biosensor variants, we focused on two APLNR-cpGFP biosensor constructs due to their favorable signal-to-noise ratio. These variants were pharmacologically characterized in model cell lines and investigated for their in vivo application. Analysis of the biosensor functionality in living zebrafish embryos demonstrated that these biosensors can monitor endogenous Aplnr activity, respond specifically to the endogenous Aplnr ligands, and detect Apelin ligand gradient concentrations across cellular distances within a tissue. Moreover, by expressing the biosensor by meningeal fibroblasts, we observed Apelin ligand hotspots across the brain, that spatiotemporally coincided with fenestrated vessel sprouting as previously observed.
In summary, we identified a meningeal-vascular signaling axis mediated by Apelin signaling that is specifically required for fenestrated capillary formation in the CP, but dispensable for adjacent BBB vessels. By using our newly generated APLNR activity biosensors, we demonstrated the spatiotemporal bioavailability of the Apelin ligand across the brain which is required for CP vascularization.Organspezifische angiogene Signalwege schaffen ein vaskuläres Netzwerk, das den
einzigartigen metabolischen und funktionellen Anforderungen jedes Gewebes
entspricht. Das Gehirn weist mit etwa 20 % des täglichen Energieverbrauchs den
höchsten Stoffwechselbedarf aller Organe auf, obwohl es nur etwa 2 % des
Körpergewichts ausmacht. Um eine angemessene Versorgung mit Nährstoffen und
Sauerstoff sicherzustellen, muss das zentrale Nervensystem (ZNS) stark vaskularisiert
sein. Das Gefäßsystem im Gehirn ist insbesondere durch die Blut-Hirn-Schranke
(BHS) gekennzeichnet, die das Nervengewebe schützt, indem sie den Durchtritt
schädlicher Moleküle einschränkt und den Nährstoffaustausch über die Endothelzellen
(EZ) reguliert. Zur Aufrechterhaltung der Homöostase und Funktion des ZNS
benötigen bestimmte Hirnregionen jedoch eine erhöhte Permeabilität des Endothels,
die durch fenestrierte Blutgefäße gewährleistet wird. Diese spezialisierten EZs haben
Poren in ihrer Zellmembran, sogenannte Fenestrae, die den molekularen Austausch
durch das Endothel regulieren. Während die Signalwege, die für die Angiogenese der
BHS notwendig sind, in den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht wurden, ist über
die molekularen Signale, die speziell für die Bildung fenestrierter Blutgefäße
erforderlich sind, bislang nur wenig bekannt.
Der Apelin-Rezeptor (Aplnr), ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor der Klasse A
(Rhodopsin-ähnlich), sowie seine beiden endogenen Peptidliganden Apelin und Apela
spielen eine nachgewiesene Schlüsselrolle bei der Entwicklung des kardiovaskulären
Systems in Wirbeltieren, u.a. in Maus, Frosch und Zebrafisch. Kürzlich wurde gezeigt,
dass die neurovaskuläre Apelin-Signalkaskade die Vaskularisierung des
Rückenmarks fördert, was auf eine weiterreichende Funktion der Apelin-Signalisierung
bei der ZNS-Vaskularisierung hindeutet. Es ist jedoch bislang unklar, ob Apelin-
Signale auch für die zerebrale Angiogenese und zerebrovaskuläre Spezialisierung
erforderlich sind.
Diese Arbeit untersucht die Rolle der Apelin-Signal¸bertragung während der ZNS-
Vaskularisierung mit besonderem Fokus auf die zerebrale Angiogenese und die
zerebrovaskuläre Spezialisierung. Zu diesem Zweck haben wir den Zebrafisch als
Modellorganismus verwendet, um die zellulären Mechanismen zu entschlüsseln, die
über den Apelin-Signalweg die Gefäßbildung im ZNS steuern. Darüber hinaus
IV
entwickelten wir genetisch kodierte APLNR Aktivitäts-Biosensoren, die es
ermöglichen, die APLNR Aktivität in Echtzeit sowohl in Modellzelllinien als auch in
lebenden Organismen zu beobachten. Diese wendeten wir in Zebrafischlarven an, um
die räumlich und zeitlich aufgelöste Bioverfügbarkeit von Apelin im Gehirn
darzustellen.
Durch die Generierung neuartiger transgener Reporterlinien und die Analyse öffentlich
zugänglicher Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdatensätze konnten wir zeigen, dass die
Expression von aplnrb eng mit der des etablierten Fenestrierungsmarkers
plasmalemma-vesikel-assoziierten protein b (plvapb) ¸bereinstimmt. Dies deutet
darauf hin, dass Aplnrb ein neuartiger Marker für fenestrierte EZs ist. Die Analyse von
Zebrafischlarven mit Mutationen im apln und aplnrb Genlokus zeigte, dass der Apelin-
Signalweg ein essenzieller Regulator für die Bildung fenestrierter Kapillaren im Plexus
choroideus (PC) ist, aber für die benachbarten BHS-bildenden Kapillaren und die
Ausbildung der BHS nicht erforderlich ist. Unsere genetischen Analysen und RNA-
Sequenzierungen identifizierten eine bisher unbekannte meningeal-vaskuläre
Signalachse, die für die Entwicklung fenestrierter Gefäße notwendig ist.
Undifferenzierte, jedoch vorprogrammierte leptomeningeale
Fibroblastenvorläuferzellen sind die primäre Quelle des Apelin-Liganden, die die
Ausbildung der fenestrierten Kapillaren im PC regulieren und lenken.
Zusätzlich entwickelten wir genetisch kodierte APLNR-Konformations-Biosensoren auf
Basis von Förster Resonanz Energietransfer (FRET), Biolumineszenz Resonanz
Energietransfer (BRET) und dem konformations-sensitiven zirkulär permutiertem
grünen Fluoreszenzprotein (cpGFP), um die APLNR Aktivität in Echtzeit zu messen.
Nach dem Vergleich der Effektivität verschiedener Varianten konzentrierten wir uns
aufgrund ihres günstigen Signal-Rausch-Verhältnisses auf zwei APLNR-cpGFP-
Biosensorkonstrukte. Diese wurden in Modellzelllinien pharmakologisch
charakterisiert und in vivo getestet. Die Analyse der Biosensorfunktionalität in
lebenden Zebrafischembryonen zeigte, dass die Sensoren in der Lage sind, endogene
Aplnr-Aktivität darzustellen, spezifisch auf endogene Liganden zu reagieren und
Konzentrationsgradienten von Apelin ¸ber zelluläre Distanzen innerhalb von Geweben
zu detektieren. Durch die Expression des Biosensors in meningealen Fibroblasten
konnten wir Apelin-Liganden-Hotspots im Gehirn beobachten, die zeitlich und räumlich
mit der Sprossung fenestrierter Gefäße übereinstimmten.
V
Zusammenfassend konnten wir eine meningeal-vaskuläre Signalachse identifizieren,
die durch Apelin-Signale vermittelt wird und spezifisch für die Bildung fenestrierter
Kapillaren im PC erforderlich aber nicht für angrenzende BHS-Gefäße notwendig ist.
Durch den Einsatz unserer neu entwickelten APLNR Aktivitäts-Biosensoren konnten
wir die räumlich-zeitliche Bioverfügbarkeit des Apelin-Liganden im Gehirn sichtbar
machen, was ein entscheidender Faktor für die Gefäßentwicklung im PC darstellt
Brain structure associated with autism-like features in a non-clinical population
No full textWithin the present studies, we used the AQ to determine autistic-like traits within
healthy subjects and then performed morphometric analyses, resting state
functional MRI (fMRI) analyses as well as DTI analysis to show structural and
functional brain variations associated with these autistic-like traits.
We analysed magnetic resonance imaging (MRI) data of 250 psychiatrically
healthy subjects. We used voxel-based morphometry of T1-MRIs (Computational
Anatomy Toolbox) and tract-based spatial statistics for diffusion tensor imaging
data. We also analysed sets of MRI data of 233 psychiatrically healthy subjects
using surface-based morphometry (SBM) and resting state fMRI data to further
evaluate those brain variations.
We measured not only the AQ total score but also calculated the subscale scores
to get further information. With this, we wanted to evaluate if any of the correlations
with brain parameters were driven by a specific subscale rather than the overall
AQ score. Since the different subscale scores of the AQ represent different facets
of ASD, as in different autistic-like traits, this could help us to further understand
the aetiology of the disorder.In den vorliegenden Studien wendeten wir den AQ an, um autistisch-ähnliche Züge
in psychiatrisch gesunden Probanden zu bestimmen und führten dann
morphometrische Studien, resting state functional MRI (fMRI) Analysen sowie DTI
Analysen durch, um strukturelle und funktionelle Gehirnvariationen zu
identifizieren, welche mit diesen autistisch-ähnlichen Zügen assoziiert sind. Hierfür
untersuchten wir Magnetresonanztomographie (MRT) Daten von 250 psychisch
gesunden Probanden. Wir wendeten voxel-based morphometry von T1-
gewichteten MRTs (Computational Anatomy Toolbox) und tract-based spatial
statistics für die DTI Daten an. Wir untersuchten ebenfalls ein MRT Datenset von
233 psychisch gesunden Probanden mithilfe von surface-based morphometry
(SBM) und resting state fMRI Analysen um diese Gehirnvariationen weiter zu
evaluieren. Wir haben nicht nur den AQ Gesamtscore berechnet, sondern
ebenfalls verschiedene Subskalen, um weitere Informationen zu erhalten. Hiermit
untersuchten wir, ob Korrelationen mit Gehirn Parametern eher durch eine
spezifische Subskala als durch den Gesamt-AQ-Score gefördert wurden. Da die
verschiedenen Subskalen des AQ die unterschiedlichen Facetten von ASD
repräsentieren, im Sinne von unterschiedlichen autistisch-ähnlichen Zügen, kann
dieses Vorgehen uns helfen die Ätiologie der Krankheit besser zu verstehen
Influence of Ethanol as a Preservative in Topical Formulation on the Dermal Penetration Efficacy of Active Compounds in Healthy and Barrier-Disrupted Skin
No full textBackground: Ethanol is a multifunctional excipient often used as a preservative in topical formulations. Due to its known ability to impair skin barrier function, this study investigated the effect of ethanol (EtOH) as a preservative in creams on the dermal penetration of active compounds. (2) Methods: A hydrophilic and a lipophilic fluorescent dye were used as active ingredient surrogates that were incorporated into creams with and without ethanol. The dermal penetration efficacy was assessed by epifluorescence microscopy on an ex vivo porcine ear model with intact and irritated skin. (3) Results: Ethanol reduced the dermal penetration by about 40% for the hydrophilic and about 20% for the lipophilic surrogates on intact skin, but had minimal impact on irritated skin. The bio-physical skin properties were also altered by the addition of ethanol to the cream. On intact skin, it increased transepidermal water loss (TEWL) and decreased skin hydration, whereas on irritated skin, it decreased TEWL and increased skin hydration. The results indicate that skin impairment can be considered to have different stages, while in an early stage of skin impairment, the formation of a “Pudding skin” is proposed. A “Pudding skin” is the formation of a thin layer of dried skin on top of the skin that “seals” the lower parts of the skin and reduces dermal penetration and water loss from inside the skin and reduces the dermal penetration of chemical compounds from outside the skin. (4) Conclusions: Overall, the findings emphasize the need to carefully consider the use of ethanol in formulations, balancing its preservative benefits with its potential to impair the efficacy of active ingredients, particularly in varying skin conditions.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Revisionshäufigkeit und Revisionsgründe bei der Teleskopnagelung langer Röhrenknochen bei Patienten mit Osteogenesis imperfecta
No full textRevisionshäufigkeit und Revisionsgründe bei der Teleskopnagelung langer Röhrenknochen bei Patienten mit Osteogenesis Imperfecta
Osteogenesis Imperfecta (OI) ist eine seltene genetische Erkrankung des Bindegewebes, die zu erhöhter Knochenbrüchigkeit und häufigen Frakturen führt. Die chirurgische Versorgung mittels intramedullärer Teleskopnagelung stellt eine etablierte Therapie zur Stabilisierung der langen Röhrenknochen bei Heranwachsenden dar. Ziel dieser Studie war es, die Revisionshäufigkeit und deren Ursachen nach einer osteosynthetischen Versorgung zu analysieren.
Es wurde eine retrospektive Analyse von 51 OI-Patienten durchgeführt, die zwischen 2005 und 2024 im Olgahospital Stuttgart behandelt wurden. Erfasst wurden demografische Daten, OI-Klassifikationen, Operationsgründe und postoperative Ergebnisse. Insgesamt wurden 208 Erstoperationen analysiert, wobei insbesondere die Notwendigkeit und Häufigkeit von Revisionsoperationen untersucht wurden.
Die Ergebnisse zeigen, dass durchschnittlich 44,71 % der Implantate mindestens einer Revisionsoperation unterzogen wurden, wobei höhere Raten bei Patienten mit schweren OI-Phänotypen beobachtet wurden. Hauptursachen für Revisionen waren krankheitsbedingte Knochendeformitäten, neue Traumata und operationsbedingte Komplikationen wie suboptimale Verankerungen oder ungeeignete Wahl der Osteosynthesematerial. Dabei wiesen Fassier-Duval (FD)-Nägel signifikant geringere Revisionsraten auf als Bailey-Dubow (BD)-Nägel (p=0,002). Nicht-teleskopierende Marknägel, insbesondere Traumanägel, zeigten eine signifikant niedrigere Revisionshäufigkeit als teleskopierende Nägel (p<0,001). Eine Deformitätenkorrektur bei Vorliegen einer Fraktur zeigte signifikante Reduktion der Anzahl der nötigen Osteotomien (p=0,014).
Die Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Wahl geeigneter Implantatmaterialien und chirurgischer Techniken, um die Revisionshäufigkeit bei OI-Patienten zu reduzieren. Sie empfiehlt den bevorzugten Einsatz von FD-Nägeln bei wachsenden Patienten sowie von Traumanägeln bei Erwachsenen mit abgeschlossenem Knochenwachstum. Weitere prospektive Studien sind erforderlich, um chirurgische Strategien weiter zu optimieren und Komplikationen zu minimieren.Revision Rates and Causes in Telescopic Nailing of Long Bones in Patients with Osteogenesis Imperfecta
Osteogenesis Imperfecta (OI) is a rare genetic connective tissue disorder that leads to increased bone fragility and frequent fractures. Surgical treatment with intramedullary telescopic nailing is an established approach to stabilizing long bones in growing patients. The aim of this study was to analyze the revision rates and their causes following osteosynthetic treatment.
A retrospective analysis was conducted on 51 OI patients treated at Olgahospital Stuttgart between 2005 and 2024. Demographic data, OI classifications, surgical indications, and postoperative outcomes were recorded. A total of 208 primary surgeries were analyzed, focusing particularly on the necessity and frequency of revision surgeries.
The results indicate that, on average, 44.71% of initial implants required at least one revision surgery, with higher rates observed in patients with severe OI phenotypes. The main reasons for revisions included disease-related bone deformities, new trauma and surgery-related complications such as suboptimal fixation or inappropriate choice of osteosynthesis material. Fassier-Duval (FD) nails had significantly lower revision rates than Bailey-Dubow (BD) nails (p=0.002). Non-telescoping intramedullary nails, particularly trauma nails, showed a significantly lower revision rate compared to telescopic nails (p<0.001). Deformity correction in the presence of an acute fracture significantly reduced the number of required osteotomies (p=0.014).
This study highlights the importance of selecting appropriate implant materials and surgical techniques to reduce revision rates in OI patients. It recommends the preferential use of FD nails in growing patients and trauma nails in adults with completed bone growth. Further prospective studies are needed to refine surgical strategies and minimize complications
Basler Alexander : A Digital Edition
No full textThe present study offers a new edition of the Basler Alexander (B). It adopts a document-centered approach and presents B as a work situated within a specific manuscript and historical-geographical context. The edition provides three editorial levels: diplomatic, semi-diplomatic, and “critical.” The latter does not aim to reconstruct an original text in the Lachmannian sense but includes editorial interventions to elucidate the meaning of the text, as well as critical annotations on variant readings, marginal notes, and emendations by earlier editors. The edition has been conceived as a digital, and the text can be viewed alongside the digital facsimile, which features interactive hotspots for marginal notes and palaeographic information; at the same time, it is also available as a “traditional” edition. The edition is part of the broader Digital Alexanderlied (DAL) project, which aims to produce a digital synoptic edition of all versions of the Alexanderlied, and serves as a test case for the use of the Edition Visualization Technology (EVT) software in the publication of digital editions. The first chapter introduces the Alexanderlied and its manuscript tradition, with a particular focus on B. It also outlines the current state of research regarding the relationship between the three redactions and Lambrecht’s original text. The second chapter analyzes the manuscript from codicological, palaeographical, and linguistic perspectives. The third chapter discusses the challenges and solutions involved in editing B and compares traditional and digital approaches. In this context, editorial criteria and specific encoding standards (XML-TEI), as well as the visualization (with EVT) and functionality of the digital edition, are also described. The main part of the dissertation consists of the edition of B, accompanied by a commentary. The edited text has been made available both as a printed and as a digital edition: this dual publication allows for a comparative evaluation of traditional and digital editorial methods. The study concludes with a bibliography and an appendix on the XML-TEI elements used for the encoding. The digital edition and its XML files (available online) form an integral part of this dissertation.Die vorliegende Arbeit legt eine Neuedition des Basler Alexander (B) vor. Diese verfolgt einen dokumentzentrierten Ansatz und präsentiert B als ein zeitgebundenes Werk innerhalb eines spezifischen handschriftlichen, historischen und geografischen Kontexts. Zudem bietet sie drei editorische Ebenen: diplomatisch, halbdiplomatisch und „kritisch“. Letztere zielt nicht auf die Rekonstruktion eines Originaltextes im lachmannschen Sinne, sondern umfasst redaktionelle Eingriffe für die Erschließung des Textsinns sowie kritische Anmerkungen zu Lesarten, Marginalien und früheren Emendationen. Die Edition wurde als digitale Ausgabe konzipiert, und der Text kann zusammen mit digitalen Faksimiles und interaktiven Hotspots für marginale Notizen und paläografische Informationen visualisiert werden; zugleich ist die Edition zugleich auch als gedruckte Ausgabe verfügbar. Sie steht im Kontext des größeren Projekts Digital Alexanderlied (DAL), das eine digitale synoptische Edition aller Fassungen des Alexanderlieds zum Ziel hat, und dient zugleich als Testfall für den Einsatz der Software Edition Visualization Technology (EVT) bei der Publikation von digitalen Editionen. Das erste Kapitel führt in das Alexanderlied und dessen Überlieferung ein; ein besonderer Fokus wird auf die Basler Redaktion gelegt. Zudem wird der aktuelle Forschungsstand zur Beziehung der drei Redaktionen und zu Lambrechts Originaltext behandelt. Im zweiten Kapitel wird die Handschrift aus kodikologischer, paläographischer und linguistischer Perspektive analysiert. Das dritte Kapitel diskutiert die Herausforderungen und Lösungen bei der Edition von B und vergleicht traditionelle und digitale Ansätze. Dabei werden auch die Editionskriterien und spezifische Kodierungsstandards (XML-TEI) sowie die Visualisierung (mit der Software EVT) und Funktionalität der digitalen Ausgabe beschrieben. Den Hauptteil der Dissertation bildet die Edition des Basler Textes, die von einem Kommentar begleitet wird. Der edierte Text wurde sowohl als gedruckte als auch als digitale Edition bereitgestellt. Diese Doppelpublikation bietet die Möglichkeit, traditionelle und digitale Editionsmethoden vergleichend zu bewerten. Die Arbeit schließt mit einer Bibliographie und einem Anhang zur verwendeten Kodierung. Die digitale Edition und ihre XML-Dateien sind integraler Bestandteil der Forschung