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Aktive Entmischung in binären Gemischen unter Strömung
No full textBacteria are often found in heterogeneous communities organized through physical interaction
with their surrounding environment. Although external physical constraints like shear
flow commonly occur in nature and have been shown to influence the swimming behavior of
active particles, their impact on phenotypically heterogeneous communities remains largely unexplored. Here we investigate the effects of external shear flow - a ubiquitous environmental constraint
- on the spatial organization of heterogeneous communities. We employ bacterial binary mixtures
as a minimal model system, with one component motile and the other non-motile. We
observe that the mixture actively segregates under flow, with the non-motile fraction accumulating
on the “left” side of the channel (i.e. opposite to the vorticity direction) at low shear
rates. Combining experiments and quantitative modeling, we elucidate the purely physical
mechanism responsible for this segregation, which depends on motile cell density and flow rate.
Motile cells drift rheotactically in the vorticity direction along the channel surfaces, generating
a backflow through their slight inward tilt, which produces asymmetric dipolar flows. This
backflow, combined with sedimentation that breaks the symmetry of the system and prevents
non-motile cells from simply following fluid streamlines, leads to lateral accumulation opposite
to the motile cell drift.
Since this segregation emerges over a range of biologically relevant cell densities and shear,
we also investigated the ecological impact of this mechanism. Importantly, we show that this
process is conserved across different bacterial species and can lead to asymmetric formation of
mixed biofilms composed of both motile and non-motile cells.
In summary, these findings underscore the significance of physical interactions, particularly
shear-induced hydrodynamic effects, in shaping the spatial organization and ecological dynamics
of bacterial communities.Bakterien kommen häufig in heterogenen Gemeinschaften vor, die durch physikalische Interaktionen
mit ihrer Umgebung organisiert sind. Obwohl äußere physikalische Zwänge wie
Scherströmungen in der Natur häufig vorkommen und das Schwimmverhalten aktiver Partikel
nachweislich beeinflussen, sind ihre Auswirkungen auf phänotypisch heterogene Gemeinschaften
noch weitgehend unerforscht.
Hier untersuchen wir die Auswirkungen einer externen Scherströmung - eine allgegenwärtige
Umweltbedingung - auf die räumliche Organisation heterogener Gemeinschaften. Als minimales
Modellsystem verwenden wir bakterielle binäre Mischungen, wobei eine Komponente motil und
die andere nicht motil ist. Wir beobachten, dass sich das Gemisch unter dem Einfluss der
Strömung aktiv aufspaltet, wobei sich die nicht motile Fraktion bei niedrigen Scherraten auf
der „linken“ Seite des Kanals (d. h. entgegen der Vortizitätsrichtung) ansammelt. Durch die
Kombination von Experimenten und quantitativer Modellierung klären wir den rein physikalischen
Mechanismus auf, der für diese Aufspaltung verantwortlich ist. Dieser ist von der Dichte
der motilen Zellen und der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Motile Zellen driften rheotaktisch
in Vortizitätsrichtung entlang der Kanaloberflächen und erzeugen durch ihre leichte
Neigung nach innen eine Rückströmung, die asymmetrische dipolare Strömungen erzeugt. In
Verbindung mit der Sedimentation, die die Symmetrie des Systems bricht und verhindert, dass
nicht motile Zellen einfach den Stromlinien der Flüssigkeit folgen, führt diese Rückströmung zu
einer seitlichen Akkumulation entgegengesetzt zur Drift der motilen Zellen.
Da diese Aufspaltung in einem Bereich von biologisch relevanten Zelldichten und Scherkräften
auftritt, haben wir auch die ökologischen Auswirkungen dieses Mechanismus untersucht. Wir
konnten zeigen, dass dieser Prozess über verschiedene Bakterienarten hinweg konserviert ist
und zur asymmetrischen Bildung gemischter Biofilme führen kann, die sowohl aus motilen als
auch aus nicht motilen Zellen bestehen.
Zusammenfassend unterstreichen diese Ergebnisse die Bedeutung physikalischer Wechselwirkungen,
insbesondere scherungsinduzierter hydrodynamischer Effekte, für die räumliche Organisation
und ökologische Dynamik bakterieller Gemeinschaften
Hat die Inkrementstärke einen signifikanten Einfluss auf die Dentinhaftung eines Bulk-Fill-Ultrakurzzeitpolymerisats bei Anwendung eines Universaladhäsivs im Self-etch-Verfahren?
No full textIn der Füllungstherapie mit lichthärtenden Kunststoffen ist die gründliche Konditionierung
der Kavität und die ausreichende Polymerisation der Kunststoffe entscheidend für den
Langzeiterfolg der Restauration und die Verringerung von postoperativen
Hypersensitivitäten. Unter den moderne Bulk-Fill-Komposite gibt es neu am Markt
erschienene Ultrakurzzeitpolymerisate, die bei einem Polymerisationsvorgang von 3
Sekunden mit einer Intensität von 3050 mW/cm2 ± 10 % eine ausreichende Härtung
versprechen. Sie sollen in Verwendung mit einem dazugehörigen Universaladhäsiv im
Self-etch-Modus ausreichende Haftwerte erzielen. In dieser Studie werden die Haftwerte
der oben genannten Komposite mit den Haftwerten herkömmlicher Komposite
verglichen. Dazu wird in allen Versuchsgruppen dasselbe Adhäsiv im Self-etch-Modus
angewendet und anschließend werden die Haftwerte der einzelnen Komposite in
verschiedenen Inkrementschichtungen, einschließlich der Bulk-Fill-Technik, erhoben
und verglichen.In restorative therapy with light-curing resins, thorough conditioning of the cavity and
adequate polymerisation of the resins are vital for the long-term success of the
restoration and the reduction of postoperative hypersensitivity. Among the modern bulk-
fill composites, there are ultra rapid light curing photo-polymerized resin composites that
have recently appeared on the market which promise sufficient curing with a
polymerisation process of 3 seconds at an intensity of 3050 mW/cm2 ± 10 %. When used
with a corresponding universal adhesive in self-etch mode, they should achieve
adequate bond strengths. In this study, the bond strengths of the above-mentioned
composites are compared with the bond strengths of conventional composites. For this
purpose, the same adhesive is used in self-etch mode in all test groups and the bond
strengths of the individual composites are then recorded and compared in different
incremental layers, including the bulk-fill technique
Terahertz conductivity mapping of thin films on smart textiles
No full textSmart textiles that promise to become sensors and actuators for multiple applications are an active area of research. Conductive textiles formed by coating a fabric with a conductive film will play a key role in such applications. Here we present contactless mapping of the terahertz (THz) conductivity of thin conductive films deposited on textiles. These conductivity maps enable non-destructive assessment of the conductivity of such layers and therefore the identification and localization of non-uniformities in local conductivity. The THz measurements are quantitatively consistent with four-point probe measurements of the same areas.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Toxikologische Aspekte moderner nichtviraler Gen-Transfektionssysteme
No full textZiel dieser Arbeit war die Entwicklung und Charakterisierung unterschiedlicher nichtviraler Transfektionssysteme auf der Basis von positiv geladenen Polymeren wie dem bPEI, IPEI, PEI F25 und pDMAEMA. Im Vordergrund der Untersuchungen stand dabei einen Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung der Genvehikel, ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften und unerwünschten Nebenwirkungen aufzudecken und darzustellen. Von besonderem Interesse war es, den Einfluss der Lipidhülle bei der Bildung von Lipopolyplexen aus Polyplexen auf deren physikalische Eigenschaften wie Zeta-Potential, Teilchengröße oder Gestalt, aber auch die Veränderung der Toxizität und der Transfektionseffizienz zu klären.
Durch die physikochemische Charakterisierung (PCS, Zeta-Potential) und bildgebende Verfahren (AFM) konnten wir die erfolgreiche Komplexbildung und Integrität der hergestellten Polyplexe und Lipopolyplexe nachweisen. Die positiv geladenen Polymere bPEI, IPEI, PEI F25 und pDMAEMA wurden mit dem das Enzym Luciferase exprimierenden Plasmid pCMV-luc komplexiert und die Polyplexe gebildet. Bei der Bildung der Komplexe wurde das N/P-Verhältnis variiert und der Einfluss auf die physikalischen Parameter verfolgt. Bei niedrigen N/P-Verhältnissen überwiegt bei allen Polyplexen die negative Ladung des Plasmids. Oft ist es sehr schwierig die Teilchengröße zu vermessen oder mit der AFM-Technik die entstandenen Polyplexe zu visualisieren. Es herrscht eine breite Teilchengrößenverteilung vor, die Formierung homogener Polyplexe ist nicht abgeschlossen, eine phasenseparierte Verteilung von Polymer und Plasmid kann oft beobachtet werden. Mit N/P-Verhältnissen von größer 10 stabilisieren sich die Polyplexe und deren Aggregationstendenz lässt nach (erhöhter PDI). Die Polymere besitzen unterschiedliche optimale Zusammensetzungen hinsichtlich des N/P-Verhältnisses, um eine möglichst kleine Teilchengröße mit moderatem Zeta-Potential aufzuweisen. Optimalerweise kann man mit allen Polyplexen Teilchengrößen von 200nm und kleiner erzeugen. Das Beschichten der Polyplexe mit Lipiden und die Formierung der Lipopolyplexe führt schneller (bei niedrigeren N/P-Verhältnissen) zu stabilen und sphärisch geformten Komplexen. Die Lipidschicht bewirkt eine Abschirmung der Ladung und verhindert die Aggregation. Bei vergleichbaren N/P-Verhältnissen und verwendeten Polymeren, sind die Lipopolyplexe immer etwas größer als die korrespondierenden Polyplexe, bei niedriger Nettoladung. Die Stabilität ist ebenfalls größer.
Die Fragestellung nach dem Einfluss der Zusammensetzung (N/P-Verhältnis, Lipidbeschichtung) auf die Toxizität ist recht komplex und schwer zu beantworten. Je nach Applikationsort kann man unterschiedliche Kriterien für die Toxizität definieren, mit der Notwendigkeit der Anpassung vor Anwendung. In der vorliegenden Arbeit wurden toxikologische Untersuchungen an den Transfektionssystemen mit dem MTT- und LDH-Assay an SKOV-3 Zellen, der Untersuchung der intrinsischen Gerinnung mit Hilfe der Bestimmung der aktivierten partiellen Prothrombinzeit (aPTT) und der Bestimmung der Hämolyse durchgeführt. Alle positiv geladenen Polymere zeigen einen prinzipiellen Einfluss auf Körperfunktionen, die mehr oder weniger toxische Ereignisse auslösen. Das generelle Ergebnis dieser Arbeit zeigt, dass eine Lipidbeschichtung auf Polyplexen einen positiven Effekt auf deren toxische Eigenschaften hat. Die Lipidhülle wirkt abschirmend, was besonders deutlich bei der aPTT-Zeit und der Hämolyse zu sehen ist. Positive Ladungen wirken sich negativ auf die Parameter aus und Lipide können durch ihre biokompatiblen Eigenschaften diese kompensieren. Lipopolyplexe zeigten in den vorliegenden Untersuchungen immer eine geringere Toxizität. Dabei waren die Eigenschaften der IPEI, PEI F25 und bPEI-Polymere weitestgehend vergleichbar sowohl als Polyplexe als auch als Lipopolyplexe. Die latente Toxizität vom pDMAEMA konnte nicht immer ausreichend kompensiert werden. Alle Polymere zeigten ein N/P-Verhältnis abhängiges Verhalten bei allen Toxizitätsparametern.
Abschließend wurde an ausgewählten Formulierungen die Transfektionseffizienz mit pCMV-luc an SKOV-3 Zellen getestet. Auch hier konnte eine erhöhte Effizienz der Lipopolyplexe zu den korrespondierenden Polyplexen beobachtet werden. Dies kann als Folge der verringerten Toxizität, aber auch der verbesserten Biokompatibilität angesehen werden.The aim of this work was to develop and characterize different non-viral transfection systems based on positively charged polymers such as bPEI, IPEI, PEI F25 and pDMAEMA. The focus of the investigations was to uncover and demonstrate a connection between the composition of the gene vehicles, their physicochemical properties and undesirable side effects. Of particular interest was to clarify the influence of the lipid shell in the formation of lipopolyplexes from polyplexes on their physical properties such as zeta potential, particle size or shape, but also the change in toxicity and transfection efficiency.
Through physicochemical characterization (PCS, zeta potential) and imaging techniques (AFM) we were able to demonstrate the successful complex formation and integrity of the polyplexes and lipopolyplexes produced. The positively charged polymers bPEI, IPEI, PEI F25 and pDMAEMA were complexed with the luciferase expressing plasmid pCMV-luc and the polyplexes were formed. When the complexes are formed, the N/P ratio is varied and the influence on the physical parameters is monitored. At low N/P ratios, the negative charge of the plasmid predominates in all polyplexes. It is often very difficult to measure the particle size or to visualize the resulting polyplexes using AFM technology. There is a broad particle size distribution, the formation of homogeneous polyplexes is not complete, and a phase-separated distribution of polymer and plasmid can often be observed. With N/P ratios greater than 10, the polyplexes stabilize and their tendency to aggregate decreases (increased PDI). The polymers have different optimal compositions with regard to the N/P ratio in order to have the smallest possible particle size with a moderate zeta potential. Optimally, with different N/P ratios, particle sizes of 200 nm and smaller can be produced with all polyplexes. Coating the polyplexes with lipids and forming the lipopolyplexes leads more quickly (at lower N/P ratios) to stable and spherically shaped complexes. The lipid layer shields the charge and prevents aggregation. With comparable N/P ratios and the polymers used, the lipopolyplexes are always slightly larger than the corresponding polyplexes with a lower net charge. The stability is also greater.
The question of the influence of the composition (N/P ratio, lipid coating) on toxicity is quite complex and difficult to answer. Depending on the application site, different criteria for toxicity can be defined or this is important for the application. In the present study, toxicological studies were carried out on the transfection systems using the MTT and LDH assay on SKOV-3 cells, the investigation of intrinsic coagulation using the determination of the activated partial prothrombin time (aPTT) and the determination of hemolysis. All positively charged polymers show a fundamental influence on body functions that trigger more or less toxic events. The general result of this work shows that a lipid coating on polyplexes has a positive effect on their toxic properties. The lipid shell has a shielding effect, which is particularly evident in the aPTT time and hemolysis. Positive charges have a negative effect on the parameters and lipids can compensate for this through their biocompatible properties. Lipopolyplexes always showed improved toxicity in the present studies. The properties of the IPEI, PEI F25 and bPEI polymers were largely comparable both as polyplexes and as lipopolyplexes. The latent toxicity of pDMAEMA could not always be adequately compensated. All polymers showed an N/P- ratio-dependent behavior for all toxicity parameters.
Finally, the transfection efficiency of pCMV-luc in SKOV-3 cells was tested with selected formulations. Here too, an increased efficiency of the lipopolyplexes compared to the corresponding polyplexes was observed. This can be seen as a result of the reduced toxicity, but also the improved biocompatibility
Das Marburger Urkundenrepositorium. Eine exemplarische Analyse der Urkunden.
No full textThis dataset mainly contains a Jupyter Notebook which provides examples for analyzing the content of the <a href="https://urkundenrepositorium.uni-marburg.de/home" target="_blank">"Marburger Urkundenrepositorium"</a>. The following analysis were made: general information about the repository (How many charters exist? From which collections do they come from?); Where are the physical representation of the charters currently stored (a list of the most common archives)? Are there geographical information connected to the charters? What do we know about the persons connected to the charters? And from which years do we have charters in the repository?<br>Additionally to the jupyter notebook you can find the text file <em>kleio-example_11480.txt</em> serving as an example for a record of the old kleio database, the document <em>requirements.txt</em> file listing the python requirements necessary for running the jupyter notebook and a <em>README.md</em> providing information about running the notebook. There are also two html files (<em>cao-charters_map.html</em> and <em>lba-charters_map.html</em>) attached, which includes geographic visualizations of the charter's origins.Dieser Datensatz enthält hauptsächlich ein Jupyter-Notebook, welches Beispiele für eine Analyse des <a href="https://urkundenrepositorium.uni-marburg.de/home" target="_blank">"Marburger Urkundenrepositorium"</a> liefert. Die folgenden Analysen wurden durchgeführt: Allgemeine Informationen über das Repositorium ( Wie viele Urkunden existieren? Wie viele stammen aus welchem Bestand?); Wo werden die physischen Urkunden aktuell aufbewahrt (eine Liste der am häufigsten vorkommenden Archive)? Gibt es geographische Informationen, die mit den Urkunden verknüpft sind? Was wissen wir über die Personen, die mit den Urkunden in Beziehung stehen? Und aus welchen Jahren existieren Urkunden im Repositorium?<br> Zusätzlich zum Jupyter-Notebook gibt es eine Textdatei <em>kleio-example_11480.txt</em>, die als Beispiel für einen Eintrag in der alten kleio Datenbank dienen kann, das Dokument <em>requirements.txt</em>, in welchem die für das Notebook benötigten python Bibliotheken aufgelistet sind sowie eine <em>README.md</em> Datei, die eine Anleitung zum Ausführen das Notebooks enthält. Es gibt zudem zwei HTML Dokumente (<em>cao-charters_map.html</em> and <em>lba-charters_map.html</em>), die eine geographische Visualisierung der Herkunft der Urkunden von LBA und CAO enthalten.1.
Negative Association Between Schizophrenia and Subsequent Cancer Diagnoses : A Retrospective Cohort Study from Germany
No full textBackground: Since previous studies have reported contradictory findings regarding the relationship between schizophrenia and cancer, we evaluated the association between schizophrenia and cancer diagnoses. Methods: In this retrospective cohort study, the IQVIA Disease Analyzer database was utilized to examine the incidence of cancer among patients aged over 18 years diagnosed with schizophrenia in German general practices from 2005 to 2022. Patients with schizophrenia were compared with those without the condition, with adjustments made for age, sex, index year of diagnosis, average annual practitioners visit frequency, and comorbidity. Kaplan–Meier curves were used to analyze the 10-year cumulative incidence of schizophrenia and cancer in total amongst patients with and without schizophrenia. Univariate Cox regression analysis was performed to calculate Hazard Ratios (HR) of cancer risk and their 95% confidence intervals (CI) of cancer in total and of specific cancer types. Results: Patients with schizophrenia (N = 13.711) had a lower incidence of cancer diagnosis compared to those without (N = 68.555). Specifically, 10.4% of patients with schizophrenia and 12.5% of patients without the condition were diagnosed with cancer (p < 0.001). Cox regression analysis showed a significant association between schizophrenia and subsequent cancer in the total population (HR: 0.82; 95% CI: 0.76–0.90), and among men (HR: 0.70; 95% CI: 0.61–0.80), but not among women (HR: 0.94, 95% CI: 0.84–1.04). Analyses stratified by cancer type and sex revealed a strong and significant association between schizophrenia and a decreased risk of prostate cancer in men (HR: 0.38; 95% CI: 0.24–0.61). Furthermore, there was also a negative association between schizophrenia and colorectal cancer risk in men, but statistical significance was not reached (HR: 0.58; 95% CI: 0.37–0.93). Conclusions: This study demonstrates negative associations between schizophrenia and subsequent cancer, and more specifically in men for prostate and colorectal cancer. However, further research is required to explore the underlying reasons for these associations.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
Geschichte und Museum des Schwachsinnigenwesens
No full textDie Geschichte der Vergangenheit ist die Lehrmeisterin der Gegenwart und Zukunft. In diesen Beziehungen
müssen die alte und die neue Zeit stehen, wenn letztere ersprießliche Früchte zur Reife
bringen will, denn die Gegenwart wird nicht immer ohne die Lehren der Vergangenheit abgekommen
können. Und nicht nur die großen weltbewegenden Ereignisse, samt dem Leben und Treiben
der Volker müssen sich nach obigen Worten richten, sondern auch wir Pädagogen werden genötigt
sein, immer aufs neue Rats zu erholen bei den Bahnbrechern und Autoritäten unserer Disziplin, die
einst den Grund legten, auf dem wir unser Spezialfach auszubauen und zu vervollständigen wünschen.
Deshalb dürfte es als gerechtfertigt erscheinen, überschauen zu können, was denn eigentlich
von Anfang an bis hinein in die Gegenwart auf dem Felde unserer Berufsarbeit geleistet worden ist.
Nicht zuletzt haben auch Pietät und Dankbarkeit ein Recht auf die historische Darstellung des
Schwachsinnigenwesens. Unter großen Opfern und mit dem Einsetzen ihrer ganzen Kraft haben
jene Pioniere ihre Arbeit getan. Die genannten drei Gründe können wohl genügen, eine auf authentischen
Quellen basierte Geschichte, des Abnormenwesens zu schaffen
Entwicklung von in vitro Methoden für das Engineering von allosterischen Transkriptionsfaktoren, Enzymen und Stoffwechselsystemen
No full textAnthropogenic climate change, caused by the emission of more greenhouse gases
such as carbon dioxide than the global carbon cycle can fix, is drastically affecting our
planet and life on it. While humanity can decarbonize its energy needs, we will continue
to rely on carbon-based molecules for food, medicine, and materials of all kinds. 34%
of anthropogenic greenhouse gas emissions come from industrial processes such as
the production of chemicals, plastics and fertilizers, and are primarily caused by the
need for high heat and pressure in industrial processes. Biocatalysis allows the
production of chemicals at ambient pressure and lower temperatures, as well as the
use of substrates derived from waste streams, biomass or atmospheric carbon
dioxide. In recent years, many methods have been developed to tailor enzymes to the
needs of industrial biocatalysis, but low throughput in testing enzyme variants limits
progress.
The aim of this work was to develop tools to increase the throughput of enzyme
engineering and the testing of metabolic systems such as enzyme cascades. Allosteric
transcription factor (aTF)-based biosensors allow the rapid and label-free detection of
metabolites using common laboratory equipment, making them attractive for highthroughput enzyme assays. aTFs transduce the formation of the aTF ligand by the
enzyme variant tested (the input) into the generation of a reporter signal such as
fluorescence or DNA replication (the output).
To demonstrate the rapid and inexpensive testing of a complex enzyme cascade and
its individual enzymes, we developed an in vitro transcription (IVT)-based biosensor
to read out the product formation of the CETCH cycle, a complex synthetic CO2 fixation
cycle that produces glycolate from CO2. Notably, several cofactors of the CETCH cycle
inhibited IVT, but we still achieved high correlations of r = 0.94-0.98 between IVT
output and LC-MS quantification.
However, suitable aTFs that recognize metabolites of interest in the required
concentration range are rare, limiting the widespread application of biosensing. To
address this deficiency, I have developed a new concept for rapidly engineering aTFs
for new substrate specificities and other optimized properties such as sensitivity. The
concept is based on one major principle. Despite the many advantages of living cells,2
their active metabolism, metabolome and membrane pose challenges to the
engineering of aTFs, such as product degradation, interference with the native
metabolome leading to low sensitivity and crosstalk with structurally similar
compounds, and exclusion of membrane-impermeable ligands. To overcome these
limitations, the PURE system, an in vitro transcription-translation system reconstituted
from purified components, allows the testing of protein variants without competing
metabolism, metabolome and membrane, allowing the use of metabolites that cannot
be tested in living cells. Recently, a powerful in vitro compartmentalization method for
engineering transcription-translation-related enzymes, called compartmentalized
partnered replication (CPR), has been demonstrated. In CPR, the activity of an aTF is
coupled to the production of a thermostable DNA polymerase in Escherichia coli, the
cells are encapsulated in water-in-oil emulsions, and functional aTF genes are
replicated by emulsion PCR. The better the encoded aTF, the more DNA polymerase
is produced and the more the aTF gene is enriched in the gene population. However,
the previously published CPR approach is not compatible with the PURE system.
We have laid the foundation for CPR in the PURE system by establishing the
genetically encoded control of DNA replication in the PURE system, called
transcription-translation coupled DNA replication (TTcDR). We present data on
several TTcDR systems, general design rules for genetic circuits in the PURE system,
and improved DNA polymerase mutants that yield a genetic circuit based on the model
aTF TetR with >1000-fold DNA replication under non-repressing conditions, ~150-fold
repression by TetR, and ~4-fold derepression by the ligand anhydrotetracycline.
We will use the genetic circuit-controlled TTcDR system to establish selection for the
evolution of allosteric transcription factors in the first place, and enzymes and
metabolic systems in the future.Der anthropogene Klimawandel, der durch die Emission von mehr Treibhausgasen
wie Kohlendioxid (CO2) verursacht wird, als der globale Kohlenstoffkreislauf binden
kann, hat gravierende Auswirkungen auf unseren Planeten und das Leben auf ihm.
Während die Menschheit ihren Energiebedarf dekarbonisieren kann, werden wir
weiterhin auf kohlenstoffbasierte Moleküle für Nahrung, Medizin und Materialien aller
Art angewiesen sein. 34 % der anthropogenen Treibhausgasemissionen stammen
aus industriellen Prozessen wie der Herstellung von Chemikalien, Kunststoffen und
Düngemitteln und sind vor allem auf den hohen Wärme- und Druckbedarf dieser
Prozesse zurückzuführen. Die Biokatalyse ermöglicht die Herstellung von
Chemikalien bei Umgebungsdruck und niedrigeren Temperaturen sowie die Nutzung
von Substraten aus Abfallströmen, Biomasse oder atmosphärischem Kohlendioxid. In
den letzten Jahren wurden viele Methoden entwickelt, um Enzyme an die Bedürfnisse
der industriellen Biokatalyse anzupassen, aber der geringe Durchsatz beim Testen
von Enzymvarianten begrenzt den Fortschritt.
Ziel dieser Arbeit war es, Methoden zu entwickeln, um den Durchsatz beim EnzymEngineering und beim Testen von Enzymkaskaden zu erhöhen. Biosensoren, die auf
allosterischen Transkriptionsfaktoren (aTFs) basieren, ermöglichen eine schnelle,
markierungsfreie Messung von Metaboliten mit herkömmlichen Laborgeräten, was sie
für Enzymassays im Hochdurchsatz attraktiv macht. Dabei wandeln aTFs die
Produktion des aTF-Liganden durch die zu testende Enzymvariante (Input) in die
Erzeugung eines Reportersignals wie Fluoreszenz oder DNA-Replikation (Output) um.
Um das schnelle und kostengünstige Testen einer komplexen Enzymkaskade und
ihrer einzelnen Enzyme zu demonstrieren, haben wir einen auf in vitro Transkription
(IVT) basierenden Biosensor entwickelt, der die Produktbildung des CETCH-Zyklus
misst, eines komplexen synthetischen CO2-Fixierungszyklus, der Glykolat aus CO2
produziert. Mehrere Cofaktoren des CETCH-Zyklus hemmen IVT, dennoch konnten
hohe Korrelationen von r = 0,94-0,98 zwischen dem IVT-Signal und der LC-MSQuantifizierung erzielt werden.
Geeignete aTFs, die Metaboliten im erforderlichen Konzentrationsbereich erkennen,
sind jedoch selten, was die breite Anwendung von Biosensoren einschränkt. Um
diesen Mangel zu beheben, habe ich ein neues Konzept für das schnelle Engineering4
von aTFs für neue Substratspezifitäten und andere optimierte Eigenschaften wie z.B.
Sensitivität entwickelt. Das Konzept basiert auf einem grundlegenden Prinzip. Trotz
der vielen Vorteile, die lebende Zellen bieten, stellen ihr aktiver Stoffwechsel, ihr
Metabolom und ihre Membran Herausforderungen für das Engineering von aTFs dar,
wie z.B. Produktabbau, Interferenzen mit dem nativen Metabolom, die zu geringer
Sensitivität und Verwechslungen mit strukturell ähnlichen Verbindungen führen, und
der Ausschluss von Liganden, die für die Membran undurchlässig sind. Um diese
Einschränkungen zu überwinden, ermöglicht das PURE-System, ein in vitro
Transkriptions- und Translationssystem, das aus aufgereinigten Komponenten
besteht, das Testen von Proteinvarianten ohne konkurrierenden Stoffwechsel,
Metabolom und Membran, wodurch die Verwendung von Metaboliten ermöglicht wird,
die nicht in lebenden Zellen getestet werden können. Kürzlich wurde eine
leistungsfähige in vitro Kompartimentierungsmethode für die Entwicklung von
Transkriptions- und Translations-assoziierten Enzymen demonstriert, die als
„compartmentalized partnered replication“ (CPR) bezeichnet wird. Bei der CPR wird
die Aktivität eines aTF mit der Produktion einer thermostabilen DNA-Polymerase in
Escherichia coli gekoppelt, die Zellen in Wasser-in-Öl-Emulsionen eingekapselt und
funktionelle aTF-Gene mittels Emulsions-PCR repliziert. Je besser der kodierte aTF,
desto mehr DNA-Polymerase wird produziert und desto mehr aTF-Gene werden in
der Genpopulation angereichert. Der zuvor veröffentlichte CPR-Ansatz ist jedoch nicht
mit dem PURE-System kompatibel.
Wir haben die Grundlagen für CPR im PURE-System gelegt, indem wir eine genetisch
kodierte Kontrolle der DNA-Replikation im PURE-System etabliert haben, die als
Transkription-Translation-gekoppelte DNA-Replikation (TTcDR) bezeichnet wird. Wir
präsentieren Daten zu verschiedenen TTcDR-Systemen, allgemeine Designregeln für
genetische Schaltkreise im PURE-System und verbesserte DNA-PolymeraseMutanten, die einen genetischen Schaltkreis basierend auf dem Modell-aTF TetR mit
>1000-facher DNA-Replikation unter nicht-repressiven Bedingungen, ~150-facher
Repression durch TetR und ~4-facher Derepression durch den Liganden
Anhydrotetracyclin erzeugen.
Wir werden das genetisch kontrollierte TTcDR-System nutzen, um zunächst die
Selektion für die Evolution allosterischer Transkriptionsfaktoren und in Zukunft von
Enzymen und Stoffwechselsystemen zu etablieren
No Significant Association Between Herpes Zoster and Breast Cancer: A German Outpatient Study with over 120,000 Participants
No full textPurpose: The purpose of this study was to investigate a possible association between Herpes Zoster (HZ) and the subsequent diagnosis of breast cancer (BC). Methods: Utilizing the Disease Analyzer database, anonymized medical records from German office-based practices were accessed. Longitudinal data of female patients aged 18 years and above diagnosed with HZ between 2005 and 2021 were included. Individuals without HZ diagnoses were matched to HZ patients using a nearest neighbor propensity score matching (1:1) based on age, sex, index year, average yearly consultation frequency during the follow-up, and predefined co-diagnoses. The incidence of BC in the cohort with and without HZ was evaluated using Kaplan–Meier curves and compared using the log-rank test. Finally, a univariable Cox regression analysis was conducted to assess the association between HZ and BC. Results: This study included 64,255 women with HZ and an equal number without HZ, with comparable characteristics in terms of age, visit frequency, and comorbidities. Analysis revealed no significant association between HZ and subsequent BC incidence, with similar rates observed in both HZ and non-HZ cohorts across different age groups. Conclusions: In this retrospective cohort study consisting of well-matched patients, the results indicate no significant association between an HZ infection and the development of BC over a 10-year follow-up period. This is the largest study of its kind to date.Gefördert durch den Open-Access-Publikationsfonds der UB Marburg
New insights into dermal drug delivery pathways - Interplay between vehicle, active compound, and skin
No full textIn this thesis, new dermal drug delivery pathways that promote the dermal penetration of active compounds using the ex vivo porcine ear model, were investigated. Classical and novel approaches clearly demonstrate the complex interplay between vehicle, active compound, and skin. Therefore, different strategies were conducted to forecast the most suitable vehicle for efficient dermal penetration of an active compound.
The first step studied the effect of massage and skin hydration on the dermal penetration behaviour of active compounds. Massage influences the hydration state of skin due to the applied pressure during the treatment. Upon massaging the dermal formulations into the skin, the skin tissues are squeezed and cause the expulsion of water from deeper layers of the SC. The expulsed water acts as a water barrier on top of the skin that prevents the penetration of lipophilic active compounds and promotes the penetration of hydrophilic active compounds.
The second part investigated the effect of vehicle type and its components on the dermal penetration behaviour of active compounds. The solvent drag mechanism as a novel dermal drug delivery pathway of active compounds was introduced. The solvent drag mechanism means that liquids, i.e., water, paraffin, penetrates into the skin and drags the active compounds being dissolved in these vehicles along with into the skin. Additionally, results introduced the micellar-assisted penetration. The micellar properties of Lanette N allow the formation of o/w micelles and the encapsulation of lipophilic active compounds into the hydrophobic core of the o/w micelles. This micellar encapsulation allow the lipophilic active compounds to enter the skin via the apolar intercellular pathway and together with the o/w micelles via the polar pathway. Additionally, this part proved, the solvent drag mechanism for lipophilic and hydrophilic active compounds loaded in multi-component vehicles, i.e., NR-loaded or SF- loaded in Lanette N-based formulations. Moreover, this part proved the influence of different surfactant types and lipid contents on the penetration behaviour of lipophilic active compounds incorporated into semi-SLN that enhanced the skin penetration. The obtained data in this part highlight the combination of different mechanism to enhance the dermal drug delivery of active compounds, i.e., passive diffusion, solvent-drag mechanism, particle-assisted penetration, micellar-assisted penetration, that are likely to occur not step-wise but superimpose each other.
The third part studied the effect of surfactant type on the dermal penetration behaviour of active compounds. This study proved the micellar-assisted penetration upon application of NR-loaded TPGS-based surfactant solutions that can therefore act as “trojan horses” for dermal drug delivery of lipophilic active compounds.
The last step assisted the effect of hygroscopic vehicles on the dermal penetration behaviour of active compounds. This study proposed the solvent pullout mechanism as a novel dermal drug delivery mechanism of hydrophilic active compounds. The dermal application of hygroscopic solvents, i.e., polyethylene glycol (PEG 400), resulted in drawing water from deeper skin layers to the SC. This creates two opposite movements of water fronts, i.e., the PEG 400 solutions penetrating from the SC surface into deeper skin layers versus the water moving from deeper skin layers skin to the SC surface. Therefore, hydrophilic active compounds, being dissolved in the PEG formulations, are pulled-out from deeper layers into the viable skin by the penetrating-out water which is pulled out due to the hygroscopic properties of PEG.
The findings of this thesis provide evidence that the Marburg ex vivo skin model is a suitable model for testing the dermal penetration efficacy of active compounds from dermal formulations. A thorough investigation of a suitable vehicle is a prerequisite for effective dermal drug delivery, and it is a fundamental step to understand the complex interplay between vehicle, active compound, and skin.In dieser Dissertation wurden neue dermale Wirkstoffverabreichungswege zur Förderung der dermalen Verabreichung anhand des Marburger ex vivo Schweineohrmodells untersucht. Klassische und neuartige Ansätze zeigen das komplexe Zusammenspiel zwischen Vehikel, Wirkstoff und Haut. Daher wurden verschiedene Strategien angewandt, um das am besten geeignete Vehikel für eine effiziente dermale Hautpenetration eines Wirkstoffs zu ermitteln.
Im ersten Schritt der Arbeit wurde der Effekt von Massage und Hautfeuchtigkeit auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen untersucht. Die Massage beeinflusst den Feuchtigkeitszustand der Haut aufgrund des während der Behandlung ausgeübten Drucks. Beim Einmassieren der dermalen Formulierungen in die Haut werden die Hautgewebe zusammengedrückt und bewirken die Verdrängung von Wasser aus tieferen Schichten der Haut. Das verdrängte Wasser wirkt als Wasserbarriere auf der Haut, die das Eindringen lipophiler Wirkstoffe verhindert und das Eindringen hydrophiler Wirkstoffe fördert.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Einfluss des Vehikeltyps und seiner Komponenten auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen untersucht. Der solvent drag Mechanismus wurde als neuartiger dermaler V erabreichungsweg für Wirkstoffe eingeführt. Dieser Mechanismus besagt, dass bei der Penetration von Flüssigkeiten, z. Bsp. Wasser und Paraffin, die in diesen Vehikeln gelösten Wirkstoffe mit in die Haut gezogen werden. Darüber hinaus führten die Ergebnisse die durch Mizellen unterstützte Penetration - micellar-assisted penetration - ein. Die mizellaren Eigenschaften von Lanette N ermöglichen die Bildung von O/W-Mizellen und die Einkapselung lipophiler Wirkstoffe in den hydrophoben Kern der O/W- Mizellen. Diese mizellare Einkapselung ermöglicht den lipophilen Wirkstoffen, über den apolaren interzellulären Weg und zusammen mit den O/W-Mizellen über den polaren Weg in die Haut einzudringen. Darüber hinaus verifizierte dieser Teil den solvent drag Mechanismus für lipophile und hydrophile Wirkstoffe, die in Mehrkomponentenvehikel geladen sind, d. h. NR-geladen oder SF-geladen in Formulierungen auf Lanette N-Basis. Zusätzlich bewies dieser Teil den Einfluss verschiedener Tensidtypen und Lipidgehalte auf das Penetrationsverhalten lipophiler Wirkstoffe, die in semi-SLN eingearbeitet sind, was einen großen Einfluss auf die Verbesserung der Hautpenetration hat. Die in diesem Teil erhaltenen Daten heben die Kombination verschiedener Mechanismen zur V erbesserung der dermalen Arzneimittelverabreichung von Wirkstoffen hervor, d. h. passive Diffusion, solvent drag Mechanismus, partikelunterstützte Penetration, mizellarunterstützte Penetration, die wahrscheinlich nicht schrittweise erfolgen, sondern sich gegenseitig überlagern.
Der dritte Teil untersuchte die Wirkung des Tensidtyps auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen. Diese Studie bewies die mizellarunterstützte Penetration bei Anwendung von NR-beladenen TPGS-basierten Tensidlösungen, die daher als „Trojanische Pferde“ für die dermale Arzneimittelverabreichung lipophiler Wirkstoffe fungieren können. Die Fähigkeit lipophiler Wirkstoffe, duale Penetrationswege zu nutzen, d. h. polar und apolar, liefert den Beweis, dass die mizellare Solubilisierung lipophiler Wirkstoffe ein neuartiges und wirksames Formulierungsprinzip für eine verbesserte und maßgeschneiderte dermale Arzneimittelabgabe lipophiler Wirkstoffe sein kann.
Der letzte Schritt der Arbeit untersuchte die Wirkung hygroskopischer Vehikel auf das dermale Penetrationsverhalten von Wirkstoffen. In dieser Studie wurde der solvent-pullout Mechanismus als neuartiger Mechanismus zur dermalen Verabreichung von hydrophilen Wirkstoffen vorgeschlagen. Die dermale Anwendung hygroskopischer Lösungsmittel, z. B. Polyethylenglykol (PEG 400), führte dazu, dass Wasser aus tieferen Hautschichten in die oberen Hautschichten gelangt. Dadurch entstehen zwei gegensätzliche Wasserfronten, d. h. eindringendes und austretendes Wasser im polaren Penetrationsweg. Die PEG 400-Lösungen dringen von der Hautoberfläche in tiefere Hautschichten ein, während das Wasser von tieferen Hautschichten zur Hautoberfläche gelangt. Daher werden hydrophile Wirkstoffe, die im eindringenden Wasser gelöst sind, aufgrund der hygroskopischen Eigenschaften von PEG wieder herausgezogen und an einem tieferen Eindringen in die Haut gehindert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit belegen, dass das Marburger ex vivo Schweineohrmodell ein geeignetes Modell für die Prüfung der dermalen Penetrationswirksamkeit von Wirkstoffen aus topischen Formulierungen ist. Die gründliche Untersuchung eines geeigneten Vehikels ist die Voraussetzung für eine effektive dermale Wirkstoffabgabe und ein grundlegender Schritt zum Verständnis des komplexen Zusammenspiels zwischen Vehikel, Wirkstoff und Haut