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Characterization of metabolic safeguarding factors in the context of direct cellular reprogramming
No full textCellular identities are established through the expression of fate-determining transcription factors (TFs). The terminally differentiated cell fates can be maintained by inhibitory mechanisms that suppress alternative TFs. Mis-expression of these fate-determining TFs can enable the reprogramming of the original cell fate into target cell fate. In C. elegans, the zinc-finger TF CHE-1 is essential for specifying the glutamatergic ASE neuronal fate. While ASE fate is normally repressed in non-neuronal tissues, it can be induced through ectopic expression of CHE-1 and knockdown of reprogramming barrier genes that safeguard cell identity. Using RNAi to remove these barriers, ASE neuron fate has been successfully expressed in diverse cell types. We investigated the mechanisms of action of NAD+ dependent mitochondrial isocitrate dehydrogenase 3 (IDH-3), a candidate reprogramming barrier gene. Our findings revealed reliable ASE neuron fate reporter expression in the germline upon ectopic expression of CHE-1 upon RNAi knockdown of alpha subunit (IDHA-1) of IDH3 complex. Furthermore, we identified FDGT-2, a putative membrane glucose transporter, that enhances germline reprogramming when co-depleted with IDHA-1. FDGT-2 was shown to be mainly expressed in regions covering the gut tissue and the
germline. We also explored the role of TCA cycle metabolites, identifying α-ketoglutarate (α-KG) and fumarate as consistent enhancers of reprogramming efficiency. Additionally, we investigated the role of glutamine anaplerosis pathway in replenishment of α-KG levels depleted in the idha-1RNAi phenotype. The TCA cycle emerges as a central hub, linking energy metabolism to the proliferative and developmental processes essential for life. Examining male- and female-specific germline components, we observed that reprogramming overlaps with sperm and spermatheca-associated regions in closer proximity to vulva. Depletion of male-specific genes spe-8 and spe-27 reduced idha-1 mediated reprogramming rate, and genes required for gametogenesis and germline development were also necessary for reprogramming. Our study aimed to uncover the molecular mechanisms by which mitochondrial signals feedback to the nucleus, driving germ cell conversion into ASE neurons. These findings highlight the critical role played by metabolism in cell fate determination and reprogramming
Prospektive Untersuchung der Auswirkungen orthokeratologie-induzierter Schichtdickenveränderungen der Cornea auf deren biomechanische Eigenschaften in den ersten sechs Tragemonaten Ergebnisse der BiCoO-Studie
No full textZiel dieser prospektiven Studie war es, die Auswirkungen orthokeratologie-induzierter Veränderungen der Hornhautdicke auf die biomechanischen Eigenschaften der Cornea in den ersten sechs Monaten der Linsentragedauer zu untersuchen. Im Fokus standen insbesondere die Beziehung zwischen strukturellen Modifikationen der epithelialen und stromalen Schichten sowie die daraus resultierenden Veränderungen dynamischer biomechanischer Parameter, gemessen mit dem Corvis ST®.
Mittels optischer Kohärenztomographie (Avanti RX SD OCT) und topographischer Verfahren wurden die zentralen und peripheren Hornhautschichten vermessen und mit kornealen Verformungsparametern korreliert. Die Ergebnisse zeigen signifikante Veränderungen in den biomechanischen Kennwerten während der Orthokeratologietherapie, wobei eine Abhängigkeit von der epithelialen Schichtdicke nicht eindeutig nachgewiesen werden konnte.
Diese Erkenntnisse tragen zum besseren Verständnis der cornealen Biomechanik unter Einfluss externer Modulation bei und unterstreichen die Relevanz biomechanischer Parameter für die Diagnostik und Risikobewertung refraktiv-chirurgischer Eingriffe sowie für das Management ektatischer Erkrankungen
Role of the scavenger receptors CD36 and SR-B1 in adaptive thermogenesis and lipid handling
No full textBrown adipose tissue (BAT) is responsible for maintaining core body temperature via a process called non-shivering thermogenesis (NST). Upon cold-exposure, the peripheral sympathetic nervous system is activated, leading to the release of norepinephrine (NE) at the terminal nerve ends in BAT. Subsequently, NE binds to β3-adrenergic receptors of brown adipocytes triggering an internal signaling cascade, which ultimately leads to lipolysis of triglycerides stored in intracellular lipid droplets. The liberated fatty acids (FAs) are then imported into the mitochondria for β-oxidation to generate a proton gradient at the inner mitochondrial membrane. However, instead of producing ATP, brown adipocytes contain a protein called uncoupling protein 1 (UCP1), which uncouples the proton gradient to produce heat.
Besides using intracellular lipid stores, BAT when activated, takes up increased amounts of lipids and glucose from the circulation. Glucose is taken up by glucose transporter 1 (GLUT1) and 4 (GLUT4) and stored as lipids via a process called de novo lipogenesis (DNL). On the other hand, lipids from triglyceride-rich lipoproteins (TRLs) are taken up by BAT to replenish the depleted energy stores of activated BAT. These TRLs are very-low-density lipoproteins (VLDLs) and chylomicrons that are produced in a fasted state by the liver and by the gut in a fed state, respectively. These TRLs are then marginalized by lipoprotein lipase (LPL) which is anchored to glycosylphosphatidylinositol-anchored high density lipoprotein binding protein 1 (GPIHBP1) on the luminal side of endothelial cells. LPL hydrolyzes the triglycerides (TGs) and liberated free FAs (FFAs) are taken up by endothelial cells via the fatty acid transporter 1 (FATP1) and by the scavenger receptor cluster of differentiation 36 (CD36). In addition to FFAs, endothelial CD36 can also mediate endocytosis of entire TRL remnants that follow an intracellular endolysosomal route. After endothelial transcytosis, FFAs are taken up by brown adipocytes probably again via FATP1 and CD36. Cold exposure and subsequent sympathetic stimulation also activates lipolysis in white adipose tissue (WAT). In contrast to BAT, lipolysis resulted in the release of FFAs into the circulation that can be taken up by BAT. It was shown that inhibiting lipolysis in WAT impaired thermogenic capacity of BAT, while inhibiting lipolysis in BAT did not, underlining the importance of exogenous lipids for BAT function. Lastly, it was also shown that acyl carnitines derived from the liver can be used as a fuel for BAT thermogenesis.
Taken together, in order for BAT to function properly, lipid uptake via lipid receptors in BAT is essential for efficient thermogenesis. In line, the full-body knockout of CD36 (CD36ko) resulted in decreased uptake of lipids into different BAT depots and impaired thermogenic function. Since CD36 is expressed in many cell-types but highly expressed in brown adipocytes and endothelial cells, we aimed to elucidate the cell-type specific roles of CD36 in adaptive thermogenesis and lipid uptake. Moreover, lipid uptake in BAT is not fully ablated in CD36ko mice. Another member of the class B scavenger receptor family is scavenger receptor B1 (SR-B1). SR-B1 is mainly known for its role in reverse cholesterol metabolism where hepatic SR-B1 mediates the selective uptake of cholesteryl esters (CE) from HDL particles. In the context of atherosclerosis, it was demonstrated that endothelial SR-B1 can mediate transcytosis of LDL particles. Notably, we detected that SR-B1 is highly expressed in endothelial cells of murine BAT as well as WAT depots in mice and in humans. Based on these data, we aimed to investigate the role of SR-B1 expressed by endothelial cells in adaptive thermogenesis and lipid uptake.
The importance for CD36 in brown adipocytes was evident when mice lacking CD36 specifically in brown adipocytes (BAd-CD36ko) were cold exposed, as under these conditions they were unable to maintain their core body temperature in the fasted state. In line with the impaired BAT function, BAd-CD36ko mice had decreased uptake of lipids into BAT compared to control littermates. Gene expression analysis did not show a compensational mechanism regarding thermogenic marker expression or receptor expression. WAT of BAd-CD36ko mice showed decreased expression of thermogenic marker expression. In line with the decreased lipid uptake, the increase in lipid handling gene expression was blunted in cold-exposed BAd-CD36ko mice.
Conversely, mice with an endothelial-specific CD36 knockout (EC-CD36ko) were able to maintain their core body temperature regardless of the nutritional status. Moreover, in BAT lipid uptake was not altered in EC-CD36ko mice and thermogenic marker, receptor and lipid handling gene expression was not affected. On the other hand, EC-CD36ko mice had decreased expression of thermogenic markers in WAT. Interestingly, EC-CD36ko mice had higher levels of non-esterified FA (NEFAs) and lower glucose levels in blood, which were not observed in BAd-CD36ko mice. Hearts of EC-CD36ko mice did show higher uptake of glucose that could explain the lower blood glucose levels. Similar to EC-CD36ko mice, endothelial-specific SR-B1 knockout (EC-SR-B1ko) mice were able to maintain their core body temperature regardless of diet. Moreover, lipid and glucose uptake was unaltered in EC-SR-B1ko mice. Moreover, the expression of thermogenic markers and lipid receptors was not affected. Interestingly, endothelial SR-B1 expression contributed majorly to whole organ level SR-B1 expression of not only BAT, but also WAT, quadriceps and heart. Surprisingly, when performing a HDL turnover study, we found that EC-SR-B1ko mice had decreased uptake of CE in BAT, heart and lungs. Future studies will have to elucidate the importance of CE uptake in BAT endothelial cells mediated by SR-B1.
Overall, we show that the importance of CD36 for adaptive thermogenesis and lipid uptake is dependent on its expression by thermogenic adipocytes but not endothelial cells. Lastly, endothelial SR-B1 is dispensable for thermogenesis and lipid uptake in BAT but mediates CE uptake in BAT.Braunes Fettgewebe (BAT) ist für die Aufrechterhaltung der Körperkerntemperatur über einen Prozess verantwortlich, der als Non-Shivering Thermogenesis (NST) bezeichnet wird. Bei Kälteeinwirkung wird das periphere sympathische Nervensystem aktiviert, was zur Freisetzung von Noradrenalin (NE) an den terminalen Nervenenden im BAT führt. Anschließend bindet NE an β3-adrenerge Rezeptoren der braunen Adipozyten, was eine interne Signalkaskade auslöst, die letztlich zur Lipolyse der in intrazellulären Lipidtröpfchen gespeicherten Triglyceride führt. Die freigesetzten Fettsäuren (FS) werden dann zur β-Oxidation in die Mitochondrien importiert, um einen Protonengradienten an der inneren Mitochondrienmembran zu erzeugen. Anstatt jedoch ATP zu produzieren, enthalten braune Adipozyten ein Protein namens Uncoupling Protein 1 (UCP1), das den Protonengradienten entkoppelt, um Wärme zu erzeugen.
Neben der Nutzung intrazellulärer Lipidspeicher nimmt die aktivierte BAT auch erhöhte Mengen an Lipiden und Glukose aus dem Blutkreislauf auf. Glukose wird von den Glukosetransportern 1 (GLUT1) und 4 (GLUT4) aufgenommen und über einen Prozess namens De-novo-Lipogenese (DNL) als Lipide gespeichert. Andererseits werden Lipide aus triglyceridreichen Lipoproteinen (TRLs) von der BAT aufgenommen, um die erschöpften Energiespeicher der aktivierten BAT wieder aufzufüllen. Diese TRLs sind Lipoproteine sehr niedriger Dichte (VLDLs) und Chylomikronen, die im nüchternen Zustand von der Leber und im gefütterten Zustand vom Darm produziert werden. Diese TRLs werden dann durch Lipoproteinlipase (LPL) marginalisiert, die an Glycosylphosphatidylinositol-verankertes High-Density-Lipoprotein-Bindungsprotein 1 (GPIHBP1) auf der luminalen Seite von Endothelzellen verankert ist. LPL hydrolysiert die Triglyceride (TG) und die freigesetzten freien Fettsäuren (FFAs) werden von Endothelzellen über den Fettsäuretransporter 1 (FATP1) und den Scavenger-Rezeptor-Cluster-Differenzierung 36 (CD36) aufgenommen. Zusätzlich zu den FFAs kann der endotheliale CD36 auch die Endozytose ganzer TRL-Reste vermitteln, die einem intrazellulären endolysosomalen Weg folgen. Nach der endothelialen Transzytose werden Fettsäuren von braunen Adipozyten aufgenommen, wahrscheinlich wieder über FATP1 und CD36. Kälteexposition und anschließende sympathische Stimulation aktivieren auch die Lipolyse im weißen Fettgewebe (WAT). Im Gegensatz zur BAT führte die Lipolyse zur Freisetzung von Fettsäuren in den Blutkreislauf, die von der BAT aufgenommen werden können. Es wurde nachgewiesen, dass die Hemmung der Lipolyse in WAT die thermogene Kapazität von BAT beeinträchtigt, während die Hemmung der Lipolyse in BAT dies nicht tat, was die Bedeutung exogener Lipide für die BAT-Funktion unterstreicht. Schließlich wurde auch nachgewiesen, dass aus der Leber stammende Acylcarnitine als Brennstoff für die BAT-Thermogenese verwendet werden können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Lipidaufnahme über Lipidrezeptoren in BAT für eine effiziente Thermogenese unerlässlich ist, damit die BAT richtig funktioniert. Dementsprechend führte die vollständige Ausschaltung von CD36 (CD36ko) im gesamten Körper zu einer verminderten Aufnahme von Lipiden in verschiedene BAT-Depots und zu einer beeinträchtigten thermogenen Funktion. Da CD36 in vielen Zelltypen exprimiert wird, jedoch in braunen Adipozyten und Endothelzellen stark exprimiert wird, wollten wir die zelltypspezifischen Rollen von CD36 bei der adaptiven Thermogenese und der Lipidaufnahme aufklären. Darüber hinaus ist die Lipidaufnahme in BAT bei CD36ko-Mäusen nicht vollständig unterbunden. Ein weiteres Mitglied der Klasse-B-Scavenger-Rezeptorfamilie ist der Scavenger-Rezeptor B1 (SR-B1). SR-B1 ist vor allem für seine Rolle im reversen Cholesterinstoffwechsel bekannt, bei dem hepatisches SR-B1 die selektive Aufnahme von Cholesterylestern (CE) aus HDL-Partikeln vermittelt. Im Zusammenhang mit Atherosklerose wurde nachgewiesen, dass endotheliales SR-B1 die Transzytose von LDL-Partikeln vermitteln kann. Insbesondere haben wir festgestellt, dass SR-B1 in Endothelzellen von BAT- und WAT-Depots bei Mäusen und Menschen stark exprimiert wird. Auf der Grundlage dieser Daten wollten wir die Rolle von SR-B1, das von Endothelzellen exprimiert wird, bei der adaptiven Thermogenese und der Lipidaufnahme untersuchen.
Die Bedeutung von CD36 in braunen Adipozyten wurde offensichtlich, als Mäuse, denen CD36 spezifisch in braunen Adipozyten fehlte (BAd-CD36ko), Kälte ausgesetzt wurden, da sie unter diesen Bedingungen nicht in der Lage waren, ihre Körperkerntemperatur im nüchternen Zustand aufrechtzuerhalten. Im Einklang mit der beeinträchtigten BAT-Funktion hatten BAd-CD36ko-Mäuse im Vergleich zu Kontrollgeschwistern eine verringerte Aufnahme von Lipiden in die BAT. Die Genexpressionsanalyse zeigte keinen Kompensationsmechanismus hinsichtlich der Expression thermogener Marker oder Rezeptoren. Das weiße Fettgewebe von BAd-CD36ko-Mäusen zeigte eine verminderte Expression thermogener Marker. Im Einklang mit der verminderten Lipidaufnahme war die Zunahme der Genexpression im Zusammenhang mit dem Lipidstoffwechsel bei BAd-CD36ko-Mäusen, die Kälte ausgesetzt waren, gedämpft.
Im Gegensatz dazu konnten Mäuse mit endothelspezifischem CD36-Knockout (EC-CD36ko) ihre Körperkerntemperatur unabhängig vom Ernährungszustand aufrechterhalten. Darüber hinaus war die BAT-Lipidaufnahme bei EC-CD36ko-Mäusen nicht verändert und die Expression von thermogenen Markern, Rezeptoren und Lipid-Handling-Genen war nicht beeinträchtigt. Andererseits wiesen EC-CD36ko-Mäuse eine verminderte Expression von thermogenen Markern in WAT auf. Interessanterweise wiesen EC-CD36ko-Mäuse höhere Werte an nicht veresterten Fettsäuren (NEFAs) und niedrigere Glukosewerte im Blut auf, was bei BAd-CD36ko-Mäusen nicht beobachtet wurde. Die Herzen von EC-CD36ko-Mäusen zeigten eine höhere Glukoseaufnahme, was die niedrigeren Blutglukosewerte erklären könnte. Ähnlich wie bei EC-CD36ko-Mäusen konnten endothelspezifische SR-B1-Knockout-Mäuse (EC-SR-B1ko) ihre Körperkerntemperatur unabhängig von der Ernährung aufrechterhalten. Darüber hinaus war die Lipid- und Glukoseaufnahme bei EC-SR-B1ko-Mäusen unverändert. Außerdem wurde die Expression von thermogenen Markern und Lipidrezeptoren nicht beeinflusst. Interessanterweise trug die endotheliale SR-B1-Expression wesentlich zur SR-B1-Expression auf Ganzorganebene bei, und zwar nicht nur in der BAT, sondern auch in der WAT, im Quadrizeps und im Herzen. Überraschenderweise stellten wir bei der Durchführung einer HDL-Umsatzstudie fest, dass EC-SR-B1ko-Mäuse eine verringerte Aufnahme von CE in BAT, Herz und Lunge aufwiesen. In zukünftigen Studien muss die Bedeutung der durch SR-B1 vermittelten CE-Aufnahme in BAT-Endothelzellen untersucht werden.
Insgesamt zeigen wir, dass die Bedeutung von CD36 für die adaptive Thermogenese und die Lipidaufnahme von seiner Expression durch thermogene Adipozyten, nicht aber durch Endothelzellen abhängt. Schließlich ist endotheliales SR-B1 für die Thermogenese und die Lipidaufnahme in der BAT nicht erforderlich, vermittelt aber die Cholesterylester-Aufnahme in der BAT
Bubble Printing von MXenen: Ein Verfahren zur Mikrostrukturierung für funktionale Anwendungen in Geräten
No full textThe development of two-dimensional materials, particularly MXenes, has enabled significant advancements in electronics, energy storage, and sensors. MXenes are a family of transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides that offer high electrical conductivity, mechanical strength, and tunable surface chemistry. This dissertation studies the use of bubble printing as a method to pattern MXene for advanced electronic and sensing applications.
The first study focuses on bubble printing Ti3C2TX MXene to fabricate conductive and plasmonic nanostructures on non-plasmonic substrates. This study demonstrates that bubble printing enables high-resolution patterning comparable to that of conventional lithography while requiring less complex processing. The resulting nanostructures have the potential to be used in electronic components that benefit from high conductivity and plasmonic behavior. The second study discusses the fabrication of flexible, MXene-based microstructures using optically directed bubble printing. Importantly, these structures are printed directly onto flexible plastic films, demonstrating the method’s adaptability to diverse substrate types. These printed microstructures are well-suited for wearable electronics and strain sensors, where durability and responsiveness are essential. MXenes’ compatibility with bubble printing provides a versatile route toward creating mechanically robust and flexible electronics for dynamic environments. The third study extends this method to MXene-based composites using laser-directed bubble printing to produce micropatterned photodetectors. By enabling the combination of MXenes with arbitrary materials, this technique unlocks a versatile micropatterning route for composites. The integration of MXenes with semiconductors facilitates sensitive light detection in miniaturized formats. Moreover, its scalability and sub-micron resolution offer a pathway to compact and functional optoelectronic devices suitable for integration into high-density systems.
In summary, this dissertation demonstrates the potential of bubble printing as a scalable, versatile technique for fabricating MXene-based electronic and sensing structures. This technique can be used to create functional microstructures with high electrical conductivity, mechanical flexibility, and sensing sensitivity, which supports its potential for use in next-generation flexible electronics, sensors, and photodetectors.Die Entwicklung zweidimensionaler Materialien, insbesondere MXene, hat Fortschritte in Elektronik, Energiespeicherung und Sensorik ermöglicht. MXene sind Übergangsmetallcarbide, -nitride und -carbonitride mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Festigkeit und variabler Oberflächenchemie. Diese Dissertation untersucht den Einsatz des Bubble Printings zur Strukturierung von MXenen für moderne elektronische und sensorische Anwendungen.
Die erste Studie widmet sich dem Bubble Printing von Ti3C2TX MXene zur Herstellung leitfähiger und plasmonischer Nanostrukturen auf nicht plasmonischen Substraten. Es wird gezeigt, dass Bubble Printing eine hochauflösende Strukturierung ermöglicht, die mit konventioneller Lithografie vergleichbar ist, jedoch weniger komplexe Prozesse erfordert. Die resultierenden Nanostrukturen bieten Potenzial für elektronische Bauteile, die von hoher Leitfähigkeit und plasmonischem Verhalten profitieren. Die zweite Studie behandelt die Herstellung flexibler MXene-Mikrostrukturen durch optisch gesteuertes Bubble Printing direkt auf flexible Plastikfolien und demonstriert so die Adaptionsfähigkeit der Methode an verschiedene Substrate. Diese Strukturen eignen sich für tragbare Elektronik und Dehnungssensoren, bei denen Langlebigkeit und Empfindlichkeit relevant sind. MXene zusammen mit Bubble Printing eröffnen so vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung mechanisch robuster und flexibler Elektronik für dynamische Umgebungen. Die dritte Studie erweitert diese Methode auf MXene-Komposite, wobei lasergesteuertes Bubble Printing zur Mikrostrukturierung von Fotodetektoren genutzt wird. Dies ermöglicht die Kombination von MXenen mit beliebigen Materialien und eröffnet vielseitige Wege zur Herstellung von Komposit-Mikrostrukturen. Die Integration von MXenen mit Halbleitern ermöglicht eine empfindliche Lichtdetektion in miniaturisierten Formaten. Zudem bieten die Skalierbarkeit und Auflösung im Submikrometerbereich einen Weg zu kompakten und funktionalen optoelektronischen Bauteilen für Systeme mit hoher Baudichte.
Insgesamt hebt diese Dissertation das Potenzial des Bubble Printings als skalierbare und vielseitige Technik zur Herstellung von elektronischen und sensorischen MXene-Strukturen hervor. Dabei erlaubt die Methode die Herstellung funktionaler Mikrostrukturen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, mechanischer Flexibilität und Sensorempfindlichkeit und zeigt Potenzial für die nächste Generation flexibler Elektronik, Sensoren und Photodetektoren
Comprehensive N-glycan analysis: Integrated workflow combining structural characterization and precise quantification
No full textN-glycosylation is a critical post-translational modification with far-reaching implications for cellular physiology and disease pathogenesis. Despite its biological significance, mass spectrometry-based N-glycomics continues to face substantial analytical challenges, particularly in the comprehensive interpretation of complex glycan structures. This study presents an integrated, multidisciplinary framework that combines advances in cell biology, analytical chemistry, and bioinformatics to enhance the capabilities and scope of N-glycomics research.
We systematically evaluated three derivatization strategies: native reduced, acetohydrazide (Ah)-based, and permethylation using the nMatch algorithm. nMatch is a database-free method for N-glycan identification, optimized to maximize structural coverage in mass spectrometry-based N-glycomics. Comparative analysis using the nMatch algorithm detected permethylation as the most effective approach. Subsequent applications with Matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MS) and Liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) revealed that LC-MS/MS offers superior performance for comprehensive N-glycan profiling. Application of this optimized workflow to cancer cell lines (A549, HepG2, HeLa) demonstrated distinct tumor-specific glycosylation signatures, including the immune-evasion-associated Sda trisaccharide epitope (GalNAcβ1-4[Neu5Acα2-3]Galβ1-4GlcNAc) in HeLa cells and characteristic core fucosylation in HepG2 cells. These findings provide critical insights into cancer-associated glycosylation alterations, with significant implications for biomarker discovery and therapeutic targeting. Furthermore, we developed nQuant, a validated glycoinformatics tool that integrates both label-free and isotopic labeling strategies for quantitative N-glycomics. The platform incorporates advanced algorithms for the identification of permethylated N-glycans, elemental composition analysis, and monoisotopic abundance validation. Validation studies across diverse biological systems-including chicken ovalbumin and HEK293 cells- demonstrated the robustness and high accuracy of nQuant in quantitative glycan analysis.
In summary, this work establishes (1) optimized sample preparation and analytical workflows for structural N-glycomics, (2) novel bioinformatics solutions for glycan data interpretation, and (3) quantitative frameworks that facilitate biomarker discovery. These advancements substantially enhance our capability to investigate disease-related glycosylation abnormalities and expand the potential applications of N-glycomics in biomedical research.
The open-source codes for nMatch and nQuant, have been uploaded to GitHub (https://github.com/GlycoinformaticsTool). These resources are publicly accessible for researchers in the field of glycomics
Modeling and analyzing the effects and feedbacks of irrigation on land-atmosphere interaction - Using a regional climate model up to convection-permitting scale
No full textWith land use practices humans alter the biophysical and biogeochemical properties of the land surface. A widely applied land use practices in agriculture is irrigation, which aims for improved growth conditions of crops by increasing the soil moisture. Multiple studies have investigated irrigation effects on both the global and regional scale. Often these studies focus on large-scale irrigated areas such as in India, China or in the US. However, there is a lack of studies investigating the effects of small-scale irrigation, particularly in regions with heterogeneous land cover such as Europe. Here, regional climate models (RCMs) have the advantage of their high spatial resolution. Within the last decade, various RCMs have received irrigation parameterizations, which are governed by the model’s characteristics.
Against this background, this cumulative dissertation targets at the development, implementation and application of a novel irrigation parameterization for the new version of the RCM REMO2020, interactively coupled to its vegetation module iMOVE. This model setup enables the interaction of irrigation effects and feedbacks between soil, atmosphere and vegetation processes. With the advancements in climate modeling towards higher resolutions, the parameterization should be applicable to high resolution. Therefore, a subgrid-scale approach with a separate irrigated fraction is realized, which represents the heterogeneous soil moisture distribution caused by irrigation.The newly developed parameterization increases the soil moisture directly if irrigation is required during the growing season. Irrigation requirement is assessed based on a user-defined irrigation threshold. For the water application three different schemes can be selected, depending on the research aim.
The irrigation parameterization is applied and evaluated in two consecutive, largely complementary simulation studies. In the first study, the newly developed irrigation parameterization is applied at 0.11° horizontal resolution for the case study area of South-Western Europe, with a focus on the Po Valley in Northern Italy as one of the most irrigated areas in Europe. Reanalysis-driven simulations are conducted for the year 2017, a year characterized by multiple heatwaves, with and without the irrigation parameterization. The application of the irrigation parameterization with the consequent increase of soil moisture causes effects and feedbacks on land, atmosphere and vegetation. For example, the surface energy balance shows an increased latent heat flux and a decreased sensible heat flux. Furthermore, higher evapotranspiration rates increase the 2 m relative humidity and lowers the 2 m mean temperature. The results indicate that irrigation has the ability to reduce the intensity of heatwaves. Vegetation processes strongly depend on the soil moisture and the 2 m temperature. The
results show the LAI responds to irrigation with a slower growth, but a higher LAI peak.
The second study employs the non-hydrostatic version of REMO2020-iMOVE with the irrigation parameterization at convection-permitting scale (0.0275°) for a case study around the Po Valley. The simulations are nested into the simulations at 0.11° horizontal resolution from the first study, using the same irrigation settings and the same period, making them comparable. The higher resolution at 0.0275° allows for a more accurate representation of land surface features, such as topography and irrigated areas, resulting in more grid cells with higher
irrigated fractions. This leads to more localized and more pronounced air temperature effects at 0.0275° horizontal resolution. Irrigation effects on vegetation develop similarly at both resolutions. However, the interactive coupling makes them sensitive to changes in atmospheric conditions due to the different resolutions. In particular, precipitation is represented differently at both resolutions.
The diurnal cycle of precipitation is improved at convection-permitting resolution compared to observational values. Furthermore, irrigation effects on precipitation develop very different at 0.11° and at 0.0275° horizontal resolution. While at 0.11° horizontal resolution, irrigation leads to precipitation increase at the border of the Alps, but inhibits convection above irrigated areas, at 0.0275° the effects on precipitation are characterized with small-scale features and mixed signals. In total, at convection-permitting scale irrigation leads to a precipitation reduction
The role of an aberrant osteoclastogenesis in the development of osteosclerosis in Myeloproliferative Neoplasms
No full textDie genauen zugrundeliegenden Mechanismen einer aberranten Osteoklastogenese auf Basis klonaler Malignität einer hämatopoetischen Stammzelle in MPN sind bisher nur unzureichend verstanden.
Da Osteoklasten aus der Fusion monozytischer Progenitoren entstehen und eine allogene hämatopoetische Stammzelltransplantation zu einer raschen Regression der Osteosklerose führt, wurde eine aufwendige Osteoklastenkultur aus humanen CD34+CD133+ Stammzellen von gesunden KM-Spendern (n=14) sowie Patientenblut (n=21) zur Untersuchung der Osteoskleroseentstehung entwickelt. Die bereits in der Kultivierungszeit auffallende längere Differenzierungszeit in den Patientenkulturen wurde durch spätere FACS-Analysen bestätigt: Stammzellen von Patienten ließen sich in deutlich reduziertem Maße zu TRAP+ Prä- (1-4 Nuclei) und Osteoklasten (>6 Nuclei) differenzieren (p<0,0001 und p=0,0276) und exprimierten darüber hinaus weniger RANK (p=0,02) und αvβ₃ (p=0,0128), was erste Hinweise für eine kompromittierte Knochenresorption repräsentierte. Ein gestörte Knochenhomöostase zu Ungunsten einer Resorption konnte durch die Zellkultivierung auf dem Knochenäquivalent Dentin nachgewiesen werden (p=0,0003) werden. Interessanterweise zeigten genau jene Zellen, welche in Kultur „Knochennähe“ suchten, keine Mutationen auf und ließen sich damit deutlich von den mutationstragenden und funktionslosen Zellen unterscheiden (p=0,0156). Ebenso differenzierte sich im Rahmen eines Phagozytose-Assays zur Beleuchtung der Monopoese die Stammzellfraktion von Patienten in erheblich geringerem Maße zu HLA-DR+ Zellen, welche Phagozytose betrieben und damit funktionstüchtig waren (p=0,0023) sowie nur eine Minderheit exprimierte die Monozyten-/Makrophagen-spezifischen Oberflächenmarker CD14 und CD16 (0,0047). Diese Erkenntnisse wurden in Colony-Assays durch ein vermindertes klonogenes Potential der Patientenzellen nach sieben Tagen Zellkultur bestätigt (p=0,03).
Auch wenn die geschilderten Ergebnisse deutliche Unterschiede zwischen der gesunden und Patientenkohorte hinsichtlich einer gestörten Mono-/ Osteokalstogenese präsentieren, stellen die kleinen Fallzahlen (auf Basis der Erkrankungsgruppenrarität) jedoch die größte Limitation dieser Arbeit dar. Dennoch konnte durch die Etablierung einer stabilen Osteoklastenkultur aus humanen Stammzellen über mehrere Wochen ein Beitrag für ein besseres Verständnis dieser seltenen sowie bis heute nur unzureichend verstandenen Erkrankungsgruppe geleistet und das übergeordnete Ziel, die Pathologie der Osteoklasto-genese aufzuzeigen und mögliche Erklärungsansätze der Osteoskleroseentstehung dar-zulegen, erreicht werden. Darüber hinaus stellt nicht nur das Kultursystem eine Neuheit dar, sondern auch die Entwicklung verschiedener Funktionsassays zur Analyse dieser multi-nukleären Zellen, welche auch in anderen Forschungsgebieten zum Tragen kommen kann.The exact underlying mechanisms contributing to an aberrant osteoclastogenesis in Myeloproliferative neoplasms (MPN), based on the clonal malignancy of a hematopoietic stem cell, are still deficiently understood.
Since osteoclasts arise from the fusion of monocytic progenitors and allogenic hematopoietic stem cell transplantation leads to a rapid regression of osteosclerosis, an elaborate osteoclast culture from human CD34+CD133+ stem cells of healthy bone marrow donors (n=14) and patient blood (n=21) was carried out to investigate osteosclerosis development.
Already during the cultivation period of the two cohorts, a longer differentiation time until multinucleated cells developed, was observed in the patient cultures and confirmed by later flow cytometric findings: Stem cells from patients differentiated to a significantly reduced extent into TRAP+ pre- (1-4 nuclei) and osteoclasts (>6 nuclei) (p<0.0001 and p=0.0276) and also expressed less RANK (p=0.02) and αvβ₃ (p=0.0128), representing initial evidence of compromised bone resorption. A disturbed bone homeostasis to the detriment of resorption could be demonstrated by cell cultivation on the bone equivalent dentin (p=0.0003). Interestingly, precisely those cells that sought “bone proximity” in culture showed no mutations and could thus be clearly distinguished from the mutation-bearing and functionless cells (p=0.0156).
Similarly, in a phagocytosis assay for monopoietic cells, the hematopoietic stem cell fraction of patients differentiated significantly less into HLA-DR positive cells that underwent phagocytosis and were thus functional (p=0.0023) and only a minority expressed the monocyte/macrophage-specific surface markers CD14 and CD16 (0.0047). These findings were confirmed in colony assays by a reduced clonogenic potential of the patient cells after seven days of cell culture (p=0.03).
Even though the results described show clear differences between healthy bone marrow and patient cohorts with regard to impaired mono-/ osteoclastogenesis, the small number of cases (given the rarity of the various MPN entities) represents the greatest limitation of this work. Nevertheless, the establishment of a stable OSC culture from fresh human stem cells over a period of several weeks has contributed to a better understanding of this rare and still insufficiently understood group of diseases and has achieved the overarching goal of elucidating the pathology of osteoclastogenesis and providing possible explanations for the development of osteosclerosis. Furthermore, not only the culture system, but also the development of various functional assays for the analysis of these multinucleated cells represents a novelty, which can also be used in other research areas
Environment Exploration and Autonomous Adaptation in Embodied Agents
No full textWith the rapid advancement of Artificial intelligence (AI), autonomous systems have gained increasing attention due to their growing potential across both virtual and real-world applications.
Developing embodied agents that can follow human instructions requires not only semantic understanding but also efficient policy learning. To achieve further autonomy, an agent must explore its environment and adapt its capabilities beyond the initial design, which motivates research into world modeling and robotic self-determination.
This thesis begins by presenting a unified conceptual foundation for autonomous embodiment, followed by contributions that integrate multiple aspects of this foundation.
First, the thesis introduces multimodal cues as intrinsic motivation to enable reinforcement learning agents to engage in self-determined exploration and representation learning, warming up their policies beyond immediate task demands. Second, the thesis proposes a decision-level interactive perception approach based on Large Language Models (LLMs), enabling agents to semantically reason about multimodal inputs for improved exploration and environmental understanding. Third, to strengthen the reasoning abilities of LLMs, the thesis explores logic-guided inference exploration to enhance performance on complex reasoning tasks without requiring additional fine-tuning. Fourth, the thesis addresses long-term embodied autonomy by enabling agents to reason about affordances in their environment and discover novel skills through self-determined policy learning.
Finally, the thesis concludes with collaborative research on object-centric planning, bimanual coordination, and explainability in embodied systems, further extending and contextualizing the contributions within broader research on embodied intelligence
Kommunikationsfähigkeiten, Wissen und Einstellungen von Behandelnden im Umgang mit krebskranken Eltern minderjähriger Kinder
No full textWenn ein Elternteil an Krebs erkrankt, betrifft dies die gesamte Familie. Minderjährige Kinder erleben tiefgreifende Veränderungen im Alltag, da die Eltern physisch und emotional weniger verfügbar sind. Krebskranke Eltern sind oft verunsichert in ihrer elterlichen Kompetenz und wissen nicht, wie sie mit ihren Kindern über die Erkrankung sprechen sollen. Behandelnde Fachkräfte spielen eine zentrale Rolle, indem sie die psychosozialen Belastungen der Eltern erkennen und darauf eingehen. Doch fehlende Routinen, mangelndes Wissen sowie Kommunikationsfähigkeiten können zu Unsicherheiten und damit zur Vermeidung des Themas führen. In Deutschland ist bislang wenig darüber bekannt, wie Elternschaft und Krebs in der Kommunikation von Behandelnden berücksichtigt werden. Zudem fehlt eine umfassende, bedarfsgerechte Fortbildung, die gezielt auf das Thema Elternschaft und Krebs eingeht.
Die vorliegende Dissertation hat das Ziel, diese Lücke durch die folgenden vier Studien mit ihren jeweiligen vier Teilzielen zu schließen, die in fünf distinktiven Publikationen präsentiert werden und einen Mixed-Methods Ansatz verfolgen: (1) die Identifizierung von wissenschaftlich evaluierten Kommunikationstrainings für onkologisch Behandelnde, die das Thema „Krebserkrankung und Elternschaft“ integrieren; (2) die explorative Untersuchung der Erfahrungen die onkologisch Behandelnde bei der Kommunikation über das Thema „Krebserkrankung und Elternschaft“ in der Routineversorgung gemacht haben, sowie deren Bewertung der Bedeutung dieses Themas; (3) die Entwicklung einer bedarfsgerechten Fortbildung zum Thema „Krebserkrankung und Elternschaft“, die hinsichtlich ihrer Machbarkeit und Wirksamkeit im Rahmen einer randomisiert-kontrollierten Pilotstudie evaluiert wird; und (4) die Entwicklung und psychometrische Überprüfung eines Instruments zur Messung der Selbstwirksamkeit von Behandelnden in ihren kommunikativen Kompetenzen.
Um das Teilziel der Studie 1 zu erreichen, wurde eine systematische Literaturübersichtsarbeit (Publikation 2) durchgeführt, um a) zu untersuchen, welche wissenschaftlich evaluierten Interventionen (z.B. Fort- und Weiterbildungen zur Kommunikation) für Behandelnde vorliegen, die spezifische Module zu kinder- und familienbezogenen Aspekten integrieren, wenn ein Elternteil an Krebs erkrankt ist, und b) wie wirksam diese Interventionen sind. Von den neun Studien, die in diese Übersicht aufgenommen wurden, waren nur zwei Interventionen speziell entwickelt, um die Kommunikation von Behandelnden mit krebskranken Eltern minderjähriger Kinder zu verbessern. Die verbliebenen sieben enthielten lediglich ein kurzes Familienmodul, wobei die genauen Inhalte unklar blieben. Acht Studien zeigten mindestens eine statistisch signifikante Verbesserung der Kommunikation nach der Intervention, wobei die Qualität aller Studien durchschnittlich war.
In Studie 2 wurden semi-strukturierte Interviews mit N=20 Behandelnden (u.a. Ärzt:innen, Pfleger:innen, Psycholog:innen) in der Onkologie geführt, um das zweite Teilziel zu erreichen (Publikation 4). Dabei berichteten sie von ihren Erfahrungen und Einschätzungen zur Kommunikation über das Thema „Krebserkrankung und Elternschaft“ in der Routineversorgung. Die Kommunikationserfahrungen der Behandelnden zeigten große Unterschiede, u.a. beeinflusst durch die Diagnose, strukturelle Herausforderungen, individuelle Merkmale der/des Patient:in und
Behandelnden sowie die Berufsgruppe. Die Einschätzungen zur Relevanz dieses Themas reichten von niedriger Priorität bis hin zu hoher Bedeutung, insbesondere in palliativen Fällen.
Für Studie 3 wurde zuerst ein Studienprotokoll erstellt (Publikation 1), und auf Basis der Literaturübersicht und Interviews eine dreistündige Fortbildung in Präsenz- und E-Learning-Formaten entwickelt und diese in einer randomisiert-kontrollierten Pilotstudie mit Wartekontrollgruppe und 152 onkologisch Tätigen auf Machbarkeit und Wirksamkeit evaluiert (Publikation 3). Mittels linear gemischter
Modelle zeigten beide Interventionsgruppen einen signifikanten Wissenszuwachs und eine stärkere Steigerung des Vertrauens in spezifische Kommunikationsfähigkeiten, während keine signifikanten Unterschiede in der Zufriedenheit zwischen Präsenz- und E-Learning-Fortbildung festgestellt wurden.
Da ein geeigneter Fragebogen zur Messung der kommunikativen Kompetenzen von Behandelnden fehlte, wurde für Studie 4 eine deutsche Version des Self-Efficacy Fragebogens (SE-12), den SE-12-G, entwickelt und psychometrisch evaluiert (Publikation 5). Hierfür wurde der SE-12 ins Deutsche übersetzt, an den Kontext adaptiert, um eine weitere Skala ergänzt und in kognitiven Interviews überprüft. Das Ergebnis ist ein inhaltsvalider, verständlicher Fragebogen, der die subjektiv wahrgenommenen kommunikativen Kompetenzen von Behandelnden mit zwei Subskalen misst und gute psychometrische Eigenschaften aufweist.
Die vorliegende Dissertation zeigt, dass eine Basisqualifizierung von Behandelnden in der Onkologie bezüglich kind- und elternbezogener Themen notwendig ist, jedoch bisher ein solches Trainingsprogramm fehlte. Diese Lücke schließt die bedarfsgerecht entwickelte Intervention, die das Wissen und die Kommunikationsfähigkeiten von Behandelnden in der Onkologie im Umgang mit krebskranken Eltern minderjähriger Kinder fördert. Die umfassende Evaluation zeigt, dass diese Intervention machbar und wirksam ist bezüglich der Förderung des Wissens und der Kommunikationsfähigkeiten. Weiteren Studien sind jedoch notwendig, um diese Ergebnisse zu bestätigen
Vergleichende Studien zur Proteindynamik in Coronaviren
No full textIn coronavirus (CoV) infection, polyproteins (pp1a/pp1ab) are processed into non-structural proteins (nsps), which largely form the replication/transcription complex (RTC). The polyprotein processing and complex formation is critical and offers potential therapeutic targets. However, the interplay of polyprotein processing and RTC-assembly remains poorly understood. In this work, two key aspects were studied: The order of polyprotein processing by viral main protease Mpro and its influence on complex formation with the methyltransferase nsp16. Central to this investigation was the establishment of an approach to determine rate constants k from cleavage sites in structured CoV polyprotein based on native mass spectrometry (MS). We used this approach for a comprehensive analysis of polyprotein processing in four human CoVs: Severe acute respiratory syndrome CoV 1 and 2 (SARS-CoV-1 and -2), middle east respiratory syndrome CoV (MERS-CoV), and human CoV-229E (HCoV-229E).
Our sensitive and precise native MS approach provided novel insights into polyprotein processing of nsp7-11 region revealing both conserved features and species-specific variations. The experimentally determined rate constants are put into perspective with a comprehensive analysis of primary sequences and structural models.
Kinetic rate constants were determined for the four cleavage sites, CS7/8, CS8/9, CS9/10, and CS10/11, in all four viruses. Based on the presence of intact cleavage sites, processing species were assigned to the cleavage sites, which simplified the multi-reaction to a first-order reaction. This approach allowed us to extract cleavage site kinetics for each site and compare them between CoV species. The kinetics of multi-cleavage reaction revealed that the order and rate of processing are not conserved across species.
Conversion rates at CS7/8 in all four CoVs were substantially slowed down compared to other cleavage sites. The primary structure that influences Mpro cleavage efficiency could not explain the different rates alone, suggesting a structural hindrance at CS7/8. AlphaFold prediction models indicated an α‑helical fold at this location, which reduces the cleavage efficiency of Mpro. In general, the AlphaFold predictions confirmed the experimental data and could provide structural rationale, though local confidence scores at the cleavage sites were low, potentially due to flexible loop regions.
Notably, species-specific differences indicated that cleavage at CS10/11 is not essential. Binding experiments with SARS-CoV-2 nsp16, SARS-CoV-2 nsp10, and the nsp10-11 processing intermediate of MERS-CoV confirmed that cleavage at CS10/11 is not required for nsp16+10 complex formation. However, full cleavage at CS9/10 appears necessary for forming an active methyltransferase complex.
A key advantage of our native MS approach is its ability to capture structural context while directly detecting processing intermediates and protein-protein interactions. This provides significant benefits over traditional peptide-based assays. Moreover, cleavage site kinetics were extracted including protein folding. Our findings offer new mechanistic insights into CoV polyprotein processing and complex assembly, which may inform future antiviral drug development strategies targeting these essential viral processes