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Bedeutung der Metastasierungstendenz und der perioperativen Morbidität in der onkologischen Viszeralchirurgie
Get PDFApplying cryo-EM techniques to investigate disease-related protein interactions and regulations
Get PDFGiant planet formation and a large population study of protoplanetary disks
Get PDFOur understanding of planet formation along with the study of protoplanetary disk evolution has been evolving rapidly the past decades. With the advent of new telescopes we get more detailed images than ever leading to constraints in planet formation but also to features as sub-structures that might be caused by planets. In two tangentially related studies, we first study the formation of giant planets via the emerging paradigm of pebble accretion and then we perform a large population study of protoplanetary disks to compare the observed properties to the simulated data. In our first study we find that when we use a realistic equation of state and radiative cooling in highly complex 3D-hydrodynamical simulations, the planetary core is able to open a large gap before reaching the required mass for runaway growth creating this way a transition disk. Therefore the planets at the location of Jupiter can grow up to a Super-Earth size. In the second study we explain the origin of the observed size-luminosity relation (SLR) between the 68% effective radius (r_eff) of disks with their continuum luminosity (L_mm) with simple models of gas and dust evolution. With the use of 100000 simulations we show that a larger fraction of disks populate the SLR if planets are present compared to when the disks are smooth and they do not contain any sub-structures. We find a different SLR for smooth and sub-structured disks, potentially implying that a mixture of smooth and sub-structured disks are present in the observed sample. Moreover, we constrain the initial conditions on key properties of protoplanetary disks.Unser Verständnis der Planetenentstehung und die Erforschung der Entwicklung protoplanetarer Scheiben hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt. Mit dem Aufkommen neuer Teleskope erhalten wir detailliertere Bilder als je zuvor, was uns hilft theoretische Modelle der Planetenentstehung besser einzugrenzen, aber auch zu Merkmalen wie Substrukturen führt, die von Planeten verursacht werden könnten. In zwei grob zusammenhängenden Studien untersuchen wir zunächst die Bildung von Riesenplaneten mit Hilfe des sich abzeichnenden Paradigmas der Kieselakkretion und führen dann eine große Populationsstudie protoplanetarer Scheiben durch, um die beobachteten Eigenschaften mit den simulierten Daten zu vergleichen. In unserer ersten Studie stellen wir fest, dass bei Verwendung einer realistischen Zustandsgleichung und Strahlungskühlung in hochkomplexen 3D-hydrodynamischen Simulationen der Planetenkern in der Lage ist, eine große Lücke zu öffnen, bevor er die für ein Runaway-Wachstum erforderliche Masse erreicht und auf diese Weise eine Übergangsscheibe entsteht. Daher können die Planeten an der Stelle des Jupiters bis zur Größe einer Super-Erde wachsen. In der zweiten Studie erklären wir den Ursprung der beobachteten Größen-Leuchtkraft-Relation (SLR) zwischen dem 68%-Effektivradius (r_eff) von Scheiben mit ihrer Kontinuumsleuchtkraft (L_mm) mit einfachen Modellen der Gas- und Staubentwicklung. Mit Hilfe von 100000-Simulationen zeigen wir, dass ein größerer Anteil der Scheiben mit Substruktur die SLR bevölkert, wenn Planeten vorhanden sind, als wenn die Scheiben glatt sind und keine Unterstrukturen enthalten. Wir finden eine unterschiedliche SLR für glatte und unterstrukturierte Scheiben, was möglicherweise bedeutet, dass eine Mischung aus glatten und unterstrukturierten Scheiben in der beobachteten Probe vorhanden ist. Darüber hinaus schränken wir die Anfangsbedingungen für wichtige Parameter von protoplanetaren Scheiben ein
Exploring the role of cell adhesion proteins in retrovirus transmission and establishing CRISPR/Cas9 target enrichment Nanopore sequencing for retrovirus integration analysis
Get PDFRetroviruses like the human-pathogenic human immunodeficiency virus (HIV) and the mouse-pathogenic murine leukemia virus (MLV) can disseminate between leukocytes by cell contact-dependent transmission. Productively infected cells (donor) were shown to transmit virus particles to surrounding lymphocytes (target) across tight cell-cell contacts designated virological synapses (cis-infection). These structures resemble the immunological synapse between leukocytes during immune cell priming and support efficient virus spread in vitro. While intravital microscopy of MLV infection in the lymph nodes of wild-type (WT) C57BL/6 mice revealed stable cell-cell contacts between infected donor and target lymphocytes, their contribution to retrovirus spread in vivo has yet to be established.
In this study, we examine the function of the cell adhesion-mediating proteins LFA1 (CD11a/CD18) and ICAM1 in cell contact-dependent transmission to assess the role of cis-infection for retroviral spread. Antibody-mediated blocking of LFA1 and ICAM1 in co-culture assays of MLV-infected (MLV+) primary CD19+ B1 cells with non-infected FoxP3+ T cells indicates a crucial function of LFA1 and ICAM1 in MLV cis-infection. To study the individual role of LFA1 and ICAM1 on donor and target cells, we combine primary lymphocytes isolated from ICAM1-knockout (KO) and CD11a-KO (LFA1- deficient) mice with WT-derived cells in the established in vitro co-culture assay. Interestingly, efficient MLV cell-to-cell transmission critically depends on expression of LFA1 on non-infected target cells, and expression of LFA1-ligand ICAM1 on MLV- infected donor cells. Adoptive transfer experiments with in vitro-transduced MLV+ FoxP3+ T cells are used to characterize the individual contribution of LFA1 and ICAM1 during cis-infection in vivo. Strikingly, consistent with our in vitro findings, LFA1 expression on target cells and the presence of ICAM1 on MLV-infected donor cells determine efficiency of MLV transmission in vivo.
During in vitro HIV infection, cell-to-cell transmission from productively infected donor cells to target lymphocytes across a cell-cell interface was previously shown to exceed efficiency of cell-free infection by 100- to 10,000-fold. Cell contact-dependent spread protected HIV from some neutralizing antibodies and could overcome the effect of certain cellular restriction factors and anti-retroviral drugs. Importantly, cell-cell contacts supported simultaneous transmission of multiple retroviral genomes, resulting in multicopy integration of HIV genomes. With the objective to characterize the consequences of cell-to-cell transmission at a proviral level, previous studies applied provirus detection techniques, such as fluorescence in situ hybridization (FISH) and multifluorescent reporter systems. Unfortunately, all approaches have limitations in their performance to detect the total number of proviruses together with the exact chromosomal integration site.
Here, we establish CRISPR/Cas9 target enrichment Nanopore sequencing as a novel provirus detection technique for localization and quantification of individual proviruses integrated in the genome of an infected host cell. This approach applies CRISPR/Cas9 activity for selective target enrichment without the requirement of PCR amplification and combines it with the long-read capacity of Nanopore sequencing. We validate our workflow on a library of individual, GFP-expressing (GFP+) cell clones, containing a GFP-encoding retrovirus reporter genome at distinct frequencies and locations. Purified genomic DNA of GFP+ cell clones is subjected to CRISPR/Cas9 target enrichment Nanopore sequencing. Genomic mapping of reads containing GFP sequences identifies retrovirus reporter genome integration sites within the host genome. Strikingly, the number of detected proviruses positively correlates with the GFP expression level (mean fluorescence intensity) and the relative GFP copy number for each analyzed GFP+ cell clone. Breakpoint-spanning PCR and Sanger sequencing validate accuracy of identified GFP-encoding retrovirus reporter integration sites. To implement our novel provirus detection technique for retroviral transmission studies, we combine CRISPR/Cas9 target enrichment Nanopore sequencing with in vitro co-culture assays. Interestingly, our first results indicate a contribution of both, provirus frequency and provirus integration site, to efficiency of MLV transmission from an MLV-infected donor cell to a non-infected target cell.
In summary, the findings in our study reveal that cell adhesion-mediating proteins LFA1 and ICAM1 support efficient retroviral transmission in vitro and in vivo. In addition, with CRISPR/Cas9 target enrichment Nanopore sequencing, we established a long-read sequencing approach that allows for rapid and accurate identification of provirus integration sites. In future experiments, this technique can be applied to quantitatively and qualitatively assess the consequences of cell contact-dependent transmission during retrovirus infection.Retroviren wie das humanpathogene Humane Immundefizienz-Virus (HIV) und das mauspathogene Murine Leukämievirus (MLV) können Zellkontakt-abhängig zwischen Leukozyten übertragen werden. Produktiv infizierte Zellen (Donoren) transferieren dabei Viruspartikel über Zell-Zell-Kontakte, sogenannte virologische Synapsen (cis-Infektion), zu benachbarten Lymphozyten (Akzeptoren). Diese Strukturen ähneln der Immunologischen Synapse, die zwischen Leukozyten während des Primings von T-Zellen geformt wird, und ermöglichen hoch effiziente Virusübertragung. Intravitalmikroskopie der Lymphknoten MLV-infizierter Wildtyp (WT) C57BL/6 Mäuse erlaubte die Visualisierung stabiler Zell-Zell-Kontakte zwischen infizierten Donorzellen und nicht-infizierten Akzeptorzellen. Deren Bedeutung für die Ausbreitung von Retroviren in vivo ist allerdings unklar.
In dieser Studie untersuchen wir die Funktion der Zelladhäsionsproteine LFA1 (CD11a/CD18) und ICAM1 während Zellkontakt-abhängiger retroviraler Übertragung, um die Rolle der cis-Infektion für die Ausbreitung von Retroviren zu verstehen. Kokulturen von MLV-infizierten (MLV+), primären CD19+ B1-Zellen mit nicht- infizierten FoxP3+ T-Zellen in Gegenwart von blockierenden Antikörpern deuten an, dass LFA1 und ICAM1 eine bedeutsame Rolle bei der cis-Infektion zukommt. Um den Beitrag von LFA1 und ICAM1 auf Donor- und Akzeptorzellen individuell zu untersuchen, kombinieren wir primäre Lymphozyten, isoliert von WT C57BL/6, ICAM1- knockout (KO) und CD11a-KO (LFA1-defizienten) Mäusen, in in vitro cis- Infektionsexperimenten. Interessanterweise determiniert die Expression von LFA1 auf der Oberfläche nicht-infizierter Akzeptorzellen und die Expression des LFA1-Liganden ICAM1 auf MLV-infizierten Donorzellen die Effizienz der Zell-Zell-Übertragung von MLV. Um den individuellen Beitrag von LFA1 und ICAM1 während der cis-Infektion in vivo zu charakterisieren, überführen wir mittels adoptivem Zelltransfer in vitro- transduzierte MLV+ FoxP3+ T-Zellen in lebende Mäuse. Im Einklang mit unseren Ergebnissen unter in vitro Bedingungen, beeinflussen die Präsenz von LFA1 auf Akzeptorzellen und ICAM1 auf Donorzellen die Effizienz der MLV Übertragung in vivo.
Frühere in vitro Infektionsstudien haben gezeigt, dass die Zell-Zell-Übertragung von produktiv HIV-infizierten Donorzellen zu Akzeptor-Lymphozyten über Zell-Zell- Kontakte 100- bis 10,000-fach effizienter ist als eine zell-freie Infektion. Die Zellkontakt- abhängige Übertragung schützt HIV vor zahlreichen neutralisierenden Antikörpern und setzt die Wirkung bestimmter zellulärer Restriktionsfaktoren und anti-retroviraler Medikamente aus. Vor allem unterstützen Zell-Zell-Kontakte die simultane Übertragung multipler retroviraler Partikel, die in mehrfacher Integration einzelner HIV-Genome resultieren können. Mit dem Ziel die Konsequenzen retroviraler Zell-Zell Kontakte auf proviraler Ebene zu charakterisieren, haben vergangene Studien Provirusdetektionstechniken, wie Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) und Multifluoreszenz-Reportersysteme, verwendet. Leider liefern diese Ansätze keine Erkenntnisse über die Gesamtzahl integrierter retroviraler Genome zusammen mit deren Integrationsstelle innerhalb des Wirtsgenoms.
In dieser Studie etablieren wir CRISPR/Cas9 Zielanreicherung Nanopore-Sequenzierung als neue Provirusdetektionstechnik, um die Lokalisation und die Frequenz individueller, integrierter Proviren innerhalb des Genoms einer infizierten Wirtszelle zu bestimmen. Dieser Ansatz macht sich die Spezifizität des CRISPR/Cas9 Systems zu Nutze, um selektiv und ohne PCR-basierte Amplifikation Zielgenome anzureichern, und kombiniert dies mit der charakteristischen Eigenschaft von Nanopore-Sequenzierung, lange Reads zu generieren. Wir validieren unseren Ansatz anhand einer Bibliothek GFP- exprimierender (GFP+) Zellklone, die jeweils eine unterschiedliche Anzahl an GFP- kodierenden, retroviralen Reportergenomen an verschiedenen Integrationsstellen in ihrem Genom tragen. Die aufgereinigte, genomische DNA von GFP+ Zellklonen wird mit Hilfe von CRISPR/Cas9 Zielanreicherung Nanopore-Sequenzierung analysiert. Die Zuordnung von Reads, die Teile des GFP-kodierenden, retroviralen Reportergenoms enthalten, zu dem entsprechenden Referenzgenom erlaubt die Identifizierung von Integrationstellen des Reportergenoms innerhalb des Wirtsgenoms. Dabei korrelieren das GFP Expressionslevel (durchschnittliche Fluoreszenzintensität) und die relative GFP Kopienanzahl für jeden analysierten GFP+ Zellklon positiv mit der Anzahl detektierter Proviren. Anhand von PCR-basierter Amplifikation der Übergangsstellen von Wirtszellen- zu proviraler DNA und anschließender Analyse der amplifizierten Genfragmente mittels Sanger-Sequenzierung validieren wir die Präzision mit der einzelne Integrationsstellen des GFP-kodierenden, retroviralen Reportergenoms identifiziert wurden. Um unsere neue Provirusdetektionstechnik für erste Studien zur retroviralen Übertragung einzusetzen, kombinieren wir CRISPR/Cas9 Zielanreicherung Nanopore- Sequenzierung mit in vitro Kokultur Assays. Hierbei deuten unsere ersten Ergebnisse einen Einfluss der Provirusanzahl sowie der proviralen Integrationsstelle auf die Effizienz der MLV Übertragung von einer MLV-infizierten Donorzelle zu einer nicht-infizierten Akzeptorzelle an.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse unserer Studie, dass die Zelladhäsionsproteine LFA1 und ICAM1 zu effizienter, retroviraler Übertragung in vitro und in vivo beitragen. Zudem haben wir mit CRISPR/Cas9 Zielanreicherung Nanopore-Sequenzierung einen neuen Ansatz etabliert, der die schnelle und akkurate Identifikation von proviralen Integrationsstellen ermöglicht. In zukünftigen Experimenten kann diese Technik angewandt werden, um die quantitativen und qualitativen Konsequenzen von Zellkontakt-abhängiger retroviraler Transmission zu untersuchen
Folding properties, molecular recognition and aggregation behavior of aromatic oligoamide helical capsules in water
Get PDFA foldamer is a discrete chain molecule (oligomer) in chemistry that folds into a conformationally ordered state in solution. Local conformation preference is primarily responsible for the well-folded structure, however, hydrophobic effects also play a significant part in the folding process. As the secondary and tertiary structures of biomacromolecules have shown biological activity, the distinct aggregation patterns of foldamers that led to complex structures are significant. It may also result in the development of novel chemical or biological activities. Narrow helical foldamers have been intensively studied over the past decade, but a strategy for rapidly achieving a large cavity helix is still urgently required. The new building blocks not only alter the geometry of foldmers but also their aggregation behaviors; additionally, the novel features brought by the enormous diameter require additional investigation.
This study introduces a novel class of aromatic δ-amino acid foldamers based on 7-amino-2-quinolinecarboxylic acid (QH). It was proved that these more flexible units may be folded well-ordered with more than two helical turns in water, with the stability increasing as the length of the main chain grew. The hydrophobic effects have a significant impact on the folding process; hence, the QH unit could not be folded in DMSO. In addition, a number of unique dimerization patterns (head-to-head, parallel double helix, and potential tetrameric helix) were discovered by altering the side chains, which may be attributed to electron repulsion and desolvation effect. Thus, these observations enable designs that enlarge the capsule cavity without modifying the capsule's backbone. In aqueous solution, the study discusses the discovery of a binding affinity between water-soluble guests and amphiphilic hosts. Due to the release of highly ordered water in the cavity, an unusual endothermic binding process that was entirely driven by entropy was observed. This particular molecular recognition can be utilized for molecular separation and reaction containers.
In conclusion, our findings constitute a significant reference for the backbone flexible sequence helical folding and the construction of large cavity foldamers for guest binding in aqueous media. In addition, various aggregation patterns and the first capsule crystal grown in water were observed. The solid state and cavity binding affinity research could serve as a starting point for future designs and help develop several different capsules for specific purposes
Modellierung von Unsicherheit und Wahrnehmung für Lernende Systeme
Get PDFDurch die enormen Fortschritte im Bereich der künstlichen Intelligenz (KI) erreicht eine Vielzahl lernender Systeme den Alltag von Menschen. Aktuell agiert zwar der Großteil dieser lernenden, KI-basierten Systeme noch für den Endnutzer meist unsichtbar, rein online, (beispielsweise als Recommender-System in Online-Shops), doch erste Systeme wie selbstfahrende Autos und autonome Lieferroboter sind bereits in die physische Welt vorgedrungen. Ebenso wird mit Hochdruck an Visionen wie der vollautomatisierten Fabrik (Smart Factory) oder an adaptiven Stromnetzen (Smart Grids) gearbeitet. Spätestens mit der Präsenz der lernenden Systeme in der physischen Welt gewinnen Fragen der Zuverlässigkeit und Sicherheit höchste Relevanz. Aktuell existieren jedoch kaum Verfahren, die die Grenzen und stets vorhandenen Unsicherheiten der lernenden Systeme zuverlässig erfassen können. Ebenso wäre die Modellierung eines gemeinsamen Wahrnehmungsverständnisses zwischen Mensch und Maschine von großer Wichtigkeit, um Missverständnisse und Fehler in der Interaktion zu minimieren. In der vorliegenden Arbeit werden Ansätze vorgestellt, die eine solche Modellierung von Unsicherheit und Wahrnehmung, insbesondere in Kombination mit aktuellen Deep Learning Verfahren ermöglichen.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden Ansätze zur Modellierung eines räumlichen Wahrnehmungsverständnisses für lernende Systeme behandelt. Hierfür wird eine Isovisten-basierte Quantifizierung der Wahrnehmung mit Machine Learning (ML) basierter Modellierung kombiniert. Evaluationsergebnisse zeigen, dass die so entwickelte Modellierung in der Lage ist, semantische Strukturen abzubilden. Eine in einem zweiten Schritt mit Bayesschen Verfahren erweiterte, probabilistische Wahrnehmungsmodellierung wird anschließend unter anderem zur Charakterisierung von Routen eingesetzt. Da besonders im Forschungsfeld autonom handelnder Systeme aktuell Reinforcement Learning (RL) Ansätze dominieren, stehen im zweiten Teil der Arbeit Methoden zur Unsicherheitsmodellierung in Value-basiertem Deep RL im Fokus. Es werden sowohl Methoden der approximativen Bayesschen Inferenz, als auch ensemble-basierte Verfahren dahingehend evaluiert, ob sie zuverlässig in der Lage sind, epistemische Unsicherheit zu modellieren. Da die zuvor vorgestellten Ansätze nicht direkt mit Policy-basiertem RL kombinierbar sind, wird im dritten Teil der Arbeit ein neu entwickelter, auf der Entropie der Policy basierender Ansatz zur Erkennung von Out-of-Distribution (OOD) Situationen vorgestellt.
Zusammengenommen schaffen die im Rahmen der vorliegenden Arbeit vorgestellten Modellierungsansätze von Unsicherheit und Wahrnehmung eine Grundlage zur Entwicklung zuverlässiger, sicherer, lernender Systeme.With the enormous progress in the field of artificial intelligence (AI), a plethora of learning systems is becoming an integral part of people's everyday lives. Currently, most of these learning, AI-based systems are restricted to virtual spaces (for example as recommender systems in online shops). But the first ones like self-driving cars or autonomous delivery robots have already entered the physical world. Work is also progressing to realize visions like fully automated industrial plants (Smart Factory) or adaptive electrical grids (Smart Grid). With this increasing presence of learning systems in the physical world, questions of reliability and safety are now of utmost importance. Currently, however, hardly any methods exist that are able to reliably capture the limitations and ever-present uncertainties of learning systems. Likewise, modeling a common understanding of perception between humans and machines is of great importance, to minimize misunderstandings and errors in their interaction. The work at hand presents approaches which allow this kind of modeling of uncertainty and perception, especially when combined with current Deep Learning methods.
The first part of this thesis addresses approaches for modeling a spatial perception for learning systems. For this purpose, an Isovist-based quantification of perception is combined with Machine Learning (ML) based modeling. Evaluation results show that the developed modeling approaches are capable of representing semantic structures. A probabilistic modeling approach, extended using Bayesian methods, is subsequently presented. It is used, among other things, for an uncertainty based characterization of trajectories. For the development of autonomous systems, Reinforcement Learning (RL) approaches currently dominate. Consequently, the second part of this thesis focuses on methods for uncertainty modeling in Value-based Deep RL. Methods of approximate Bayesian Inference as well as Ensemble-based approaches are evaluated, regarding their ability to reliability model epistemic uncertainty. As the previous approaches are not directly applicable to Policy-based RL, the third part of this thesis presents a newly developed policy entropy based approach for detecting out-of-distribution (OOD) situations.
Together, the approaches to modeling uncertainty and perception, presented in the context of the work at hand, provide a foundation for the future development of reliable, safe, learning systems
Die Auswirkungen einer selektiven Kv1.3-Kanalblockade auf die Transplantatabstoßung in einem allogenen, heterotopen Rattenherztransplantationsmodell in nicht sensibilisierten Empfängertieren
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