22455 research outputs found
Sort by
Women's career dynamics and the effects of family policy: structural and quasi-experimental evidence
Get PDF
EKG-basierte Biomarker als Maß des kardialen autonomen Tonus in einer Bevölkerungsstichprobe
Get PDFHintergrund:
Seit den 1980er Jahren gelten EKG-basierte Biomarker als Prädiktoren des kardialen Risikos und der kardialen Mortalität. Neben den klassischen Parametern der Heart Rate Variability (HRV) stehen mit der Deceleration Capacity (DC) und der Periodic Repolarization Dynamics (PRD) zwei neuere Biomarker zur Verfügung, die eine hohe Prädiktivität bei ver- schiedenen kardialen Erkrankungen aufweisen. Für klinische Anwendungen sowie als Ver- gleichsgrundlage für weiterführende Untersuchungen stehen jedoch für diese Marker keine Referenzwerte in der Normalbevölkerung zur Verfügung. Mit dieser Arbeit sollen in einer Post-hoc-Analyse einer systemischen Bevölkerungskohorte diese Referenzwerte ermittelt werden. Zudem soll der prognostische Wert der ermittelten Parameter DC und PRD in Be- zug auf die Gesamtmortalität untersucht werden.
Methodik:
Zurückgegriffen wurde auf Probanden, die zwischen 1994 und 1995 am Gesund- heitssurvey S3 der Kooperativen Gesundheitsforschung in der Region Augsburg (KORA) teilgenommen hatten; 3.006 von ihnen hatten an dem Follow-Up-Survey F3 teilgenommen; 546 Probanden hatten der ihnen zusätzlich angebotenen Durchführung eines Langzeit- EKGs zugestimmt; die Langzeit-EKGs und klinischen Daten dieser 546 Probanden lagen im Rahmen einer Kooperation für die Analysen vor. Die Berechnung der klassischen HRV- Parameter (SDNN, RMSSD, HRV-Index, ULF, VLF, LF und HF) sowie der DC erfolgten aus diesen 24-stündigen EKGs. Für die Berechnung der PRD wurden die Abschnitte zwi- schen 21:00 und 03:00 Uhr aus den 24-stündigen Messungen herangezogen. Für die Betrach- tung der Mortalitätsprädiktion wurde die 7-Jahres-Gesamtmortalität als primärer, die 5-Jah- res-Gesamtmörtalität und die 6-Jahres-Gesamtmortalität als sekundärer Endpunkt festge- legt. Mittelwerte wurden durch t-Tests (unabhängige Gruppen) oder Varianzanalysen (A- NOVA) verglichen. Korrelationen zwischen kontinuierlichen Parametern werden mittels Korrelationskoeffizient nach Pearson gemessen, kategorische Variablen mittels X2-Test ver- glichen. Der prädiktive Wert der HRV-Parameter wird mittels Cox-Regressionsanalysen un- tersucht. Die Assoziation von DC und PRD mit dem primären und den sekundären End- punkten wird mittels ROC-Kurven und Cox-Regressions-Analysen untersucht. Die AUC- Werte werden mit einem 95%-Konfidenzintervall angegeben. Konfidenzintervalle werden durch das Bootstrapping-Verfahren berechnet. Kaplan Meier Kurvenzeigen geben das Er- reichen von Endpunkten für anhand von DC und PRD eingeteilter Patientengruppen gra- phisch an.
Ergebnisse:
Das mittlere Alter der Teilnehmer zwischen 54 und 79 Jahren lag bei 63,73 Jahren; 49,3% der Probanden waren weiblich. 24 Teilnehmer waren im Zeitraum des Follow- Up verstorben (4,4%). Für die berechneten Parameter ergaben sich folgende Mittelwerte und Standardabweichungen: SDNN 147,98 ms (±43,80), RMSSD 22,97 ms (±10,61), HRVi 70,12 (±23,64), HF 323,45 ms2 (±700,16), LF 1261,60 ms2 (±2601,12), VLF 2781,17 ms2 (±5593,06), ULF 9962,43 ms2 (±7175,39), DC 5,18 ms (±2,43), PRD 3,35 deg2 (±1,82). Für den Mittelwert der DC besteht ein Zusammenhang mit dem Alter der Probanden, ältere Probanden haben durchschnittlich niedrigere DC-Werte. Es zeigte sich keine Korrelation zwischen den hier untersuchten EKG-basierten Biomarkern und dem Geschlecht der Teil- nehmer. Klassische zeit- und frequenzbasierte HRV-Parameter waren untereinander häufig korreliert. Die DC und die PRD zeigten keine starke Korrelation zu klassischen HRV-Para- metern oder zueinander.
In Bezug auf die Gesamtmortalität zeigte sich nach Adjustierung für Alter und Geschlecht die DC als einziger HRV-basierter Parameter als signifikanter Prädiktor.
Die neueren Parameter, DC und PRD, sind starke kontinuierliche Prädiktoren der Mortalität; Ihre Stärke nimmt jedoch im zeitlichen Verlauf ab (DC: 5-Jahres-Mortalität: Hazard-Ratio 0,85, p-Wert <0,001, 6-Jahres-Mortalität: Hazard Ratio 0,85, p-Wert <0,001, 7-Jahres-Mor- talität: Hazard Ratio 0,87, p-Wert 0,003; PRD: 5-Jahres-Mortalität: Hazard-Ratio 1,36, p- Wert 0,023, 6-Jahres-Mortalität: Hazard Ratio 1,32, p-Wert 0,011, 7-Jahres-Mortalität: Ha- zard Ratio 1,20, p-Wert 0,084). Auch für anhand bereits etablierter Cut-off-Werte eingeteilte Risikogruppen zeigten sich beide Parameter als signifikante Mortalitätsprädiktoren (Hochri- siko-Bereich DC ≤ 2,5 ms; Hochrisiko-Bereich PRD ≥ 5,75 deg2).
Schlussfolgerung:
Die beschriebene Verteilung der klassischen HRV-Parameter sowie der DC und der PRD in dieser systematischen Bevölkerungsstichprobe stellt eine wichtige Re- ferenz für weitere Untersuchungen dar. DC und PRD sind vielversprechende Mortalitäts- prädiktoren in der Allgemeinbevölkerung und eignen sich zur Risikostartifizierung. Sie sind kostengünstig und leicht zu bestimmen, der zusätzliche Informationsgewinn durch ihre Be- rechnung kann in zukünftigen klinischen Anwendungen für Therapieentscheidungen und Prognosen von Nutzen sein
Selbsteinschätzung der Mobilität von Personen über 65 Jahre
Get PDFIn der medizinischen Versorgung älterer Menschen werden zur Einschätzung derer Mobilitätssituation verschiedene klinische Bewertungssysteme verwendet. Dabei können Personen ihre eigene funktionelle Situation über- oder unterschätzen. Da dies zu weitreichenden Konsequenzen in der klinischen Versorgung führen kann, war das Ziel dieser Studie, Unterschiede der Selbst- und Fremdeinschätzung der Mobilität von Personen über 65 Jahre bei Verwendung bestehender klinischer Bewertungssysteme aufzuzeigen und Konsequenzen für nachfolgende Maßnahmen abzuleiten. Ein standardisierter Fragebogen aus bereits klinisch validierten Bewertungssystemen wurde verwendet, um neben demografischen Angaben die kognitiven Fähigkeiten, Komorbiditäten und das Sturzrisiko zu erfassen. Insgesamt wurden 222 Teilnehmer über 65 Jahre, die entweder in Altenheimen oder unabhängig zu Hause leben, befragt. In jedem Fall wurden der Proband sowie eine nahestehende Person (Lebenspartner/In, Kind oder betreuende Pflegekraft) um die Einschätzung der Mobilitätssituation des Probanden gebeten. Die Selbst- und Fremdeinschätzung wurde über Fragen zur Mobilität (Parker Mobility Score), zu Aktivitäten des täglichen Lebens (Barthel Index) und zur Lebensqualität (EQ-5D-5L) erhoben. Um die Daten objektiv einzuordnen, wurde zusätzlich die Gehgeschwindigkeit und Handkraft gemessen und ein Bewegungsprofil mittels Bewegungssensoren erstellt. Die Selbsteinschätzung ergab einen signifikant höheren Score im Vergleich zur Fremdeinschätzung beim Parker Mobility Score für Frauen in Altenheimen sowie beim Barthel Index für Frauen und Männer in Altenheimen. Der EQ-5D-5L ergab einen signifikant höheren Score der Selbsteinschätzung bei Frauen und Männern, die sowohl zu Hause als auch in Altenheimen leben. Zusammenfassend neigen Personen über 65 Jahre dazu, ihre Mobilitätssituation, Aktivitäten des täglichen Lebens und Lebensqualität bei Verwendung der angegebenen Bewertungssysteme zu überschätzen. Insbesondere bei Personen, die in Altenheimen leben, ist zu empfehlen, die subjektiven Aussagen zur Mobilität aktiv und genau zu hinterfragen, um mögliche Diskrepanzen zur Realität zu erkennen. Eine richtige Einschätzung der Mobilitätssituation ist wichtig, um eine optimale Behandlung gewährleisten zu können und künftig funktionelle Einschränkungen im Alltag zu verhindern. Gute Möglichkeiten, um diese Aussagen zu objektivieren, stellen die Messung der Gehgeschwindigkeit und Handkraft sowie die Erstellung eines Bewegungsprofils mittels Sensoren dar
Ocular light effects on human autonomous function: the role of intrinsically photosensitive retinal ganglion cell sensitivity and time of day
Get PDFIntroduction: Humans perceive light through the visual sense, but nonvisual effects of ocular light on vigilance, mood, well-being, and several autonomous functions are well known. Autonomic functions influenced by light include the nocturnal secretion of melatonin, setting the phase and amplitude of circadian rhythms, the cardiac contraction force, and the pupillary light reflex (PLR). Nonvisual effects are thought to be mainly governed by a group of short-wavelength‑sensitive intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGC). Yet other photoreceptors also contribute with their respective spectral sensitivity. This complicates the generalization of the results. The spectral dependency of the effects can vary depending on the experimental circumstances, especially regarding the time of day, as the roles of contributing receptors vary. The overall aim of this dissertation was to improve the real‑life applicability of previous findings in the field of nonvisual light effects through two studies: 1) The PEP study investigated the change in cardiac contraction force through sympathetic activation under common lighting conditions at two different times of day, to explore whether this effect was relevant under normal working conditions. 2) The PLR study investigated the spectral and circadian dependency of the pupillary light reflex under continuous, changing light compared to singularly applied (pulsed) light, to thereby explore whether previous findings about the ipRGC influence would hold up under continuous light. If so, it would be one important steppingstone on the way to a continuously measurable marker of nonvisual effects in a real‑life lighting scenario.
Methodology: Both studies involved healthy, human participants who came to the experimental room (for the PEP study) or to the laboratory (for the PLR study). The studies were approved by the ethics committee of the Munich University of Applied Sciences, and all participants received written information about the study and gave their informed consent. In the PEP study, participants were exposed to three different lighting conditions, having differing melanopic stimuli but identical brightness at task level, at two times of the day. Lighting conditions in these settings resembled that of a workplace. At each setting, participants performed a challenging cognitive task after a baseline period. Measurements included impedance cardiography (ICG) and electrocardiography (ECG), mainly to calculate the effort‑related change in the left ventricular pre‑ejection period (∆PEP) which is an index for the sympathetically induced change in cardiac contraction force. Task performance was measured through the computer program. Individual traits and conditions were derived by questionnaire, such as chronotype, sleepiness, and subjective task load. Data were analyzed with novel linear mixed‑effect models.
In the PLR study, participants were exposed to narrowband light in the mesopic range under Ganzfeld conditions. Nine protocols across three experiments contained series of continuous or discontinuous light stimuli after a dark adaptation period. Pupil diameters were measured with an eye tracker, individual traits such as chronotype were derived by questionnaire. Pupil diameters were used to calculate the normalized pupillary constriction (nPC) relative to a dark‑adapted protocol‑baseline diameter. Most data were analyzed with novel generalized additive mixed‑effect models (GAMMs). GAMMs are nonlinear statistical methods where the relationship between predictors and dependent variable are disentangled into nonparametric, so-called smooth functions, and parametric coefficients. This powerful type of model was introduced to the field of pupillometry as part of this study as it proved a particularly good fit for handling the complex coaction of various predictors on the pupil, such as wavelength, time, sequence, irradiance, time of day, and chronotype.
Results: The PEP study showed that there is an effect of light on ∆PEP under common lighting conditions. However, the effect did not depend on the melanopic stimulus alone. The middle lighting condition in terms of the melanopic stimulus led to the highest sympathetic activation and thus higher effort without improving performance measures. The result is an inverted U-shaped relationship between the effect on ∆PEP and the melanopic stimulus predictor. While the session in the late afternoon led to greater effort compared to the morning session, there was no interaction of the time of day with the lighting conditions.
The PLR study showed that short wavelength around the ipRGC maximum sensitivity had comparatively little influence on the nPC when the light stimuli were applied continuously. Instead, the wavelength dependency was conditional on the continuity of light. When the series of light stimuli was interrupted by short intervals of darkness, shorter wavelengths became more important, consistent with past research. The results for continuous light further indicate a circadian modulation of the wavelength dependency. This is consistent with a varying ipRGC influence across the day, dependent on a person’s chronotype. Regarding the re‑dilation after light offset, ipRGC influence was apparent. Re‑dilation was slowest for very short wavelengths below the ipRGC sensitivity under some circumstances, however, indicating the influence of other receptors.
Limitations: The PEP study has a chronotype bias, as most participants were neutral or morning types. The time‑of‑day effect might be different for evening chronotypes. The PLR study is limited mostly by the apparatus, as the light dome only provided mesopic narrowband lighting conditions and results might differ with brighter light. Further, not all wavelengths had the same spectral irradiance, necessitating a mathematical correction as part of the data analysis.
Conclusions: In both studies, a spectral ipRGC dependency was not readily present in the main results. In the PEP study, a mediating influence of cone photoreceptors seems likely but cannot be proven with the study data. Importantly, the effect of light on the effort‑related cardiac changes is present and relevant for common lighting conditions. As the light setting which resembles classical workplace conditions most closely also led to the highest effort, the other lighting conditions can be seen as an ergonomic improvement. In the PLR study, spectral ipRGC dependency is present in some of the protocols. The results indicate that the singularly applied (pulsed) stimuli are to be preferred when indexing a nonvisual effect. Continuously applied stimuli might still be relevant, however, as the circadian effect of wavelength dependency could be used as a marker for the phase of entrainment (i.e., chronotype) during continuous measurements – provided the effect can be replicated in this context in a future study.Einführung: Neben der visuellen Sinneswahrnehmung von Licht sind nichtvisuelle okulare Effekte von Licht auf Aufmerksamkeit, Stimmung, Wohlbefinden, und verschiedene autonome Funktionen des Menschen gut bekannt. Diese autonomen Funktionen umfassen bspw. die nächtliche Ausschüttung von Melatonin, die Steuerung der Phase und Amplitude des circadianen Rhythmus, die kardiale Kontraktionskraft, und den Pupillenlichtreflex (PLR). Gemeinhin wird angenommen, dass nichtvisuelle Effekte über eine, vor allem in den kurzen Wellenlängen um 480 nm sensitive, Population intrinsisch photosensitiver retinaler Ganglienziellen (ipRGC) vermittelt werden. Doch auch andere Photorezeptoren mit ihrer eigenen spektralen Sensitivität tragen zu diesen Effekten bei. Dieser extrinsische Einfluss auf die ipRGC erschwert die Verallgemeinerung von Ergebnissen. Denn die spektrale Abhängigkeit eines Effekts kann, abhängig von den experimentellen Umständen, von unterschiedlichen Photorezeptoren bestimmt sein, etwa abhängig von der Tageszeit. Das übergeordnete Ziel dieser Dissertation ist die verbesserte Anwendbarkeit vorangegangener Erkenntnisse anhand zweier Studien: 1) In der PEP-Studie wurde die Veränderung der kardialen Kontraktionskraft durch sympathische Aktivierung betrachtet. Unter üblichen Beleuchtungsbedingungen und zu zwei Tageszeiten wurde so untersucht, ob ein messbarer und relevanter Effekt auftritt. 2) In der PLR-Studie wurde die spektrale und circadiane Abhängigkeit des Pupillendurchmessers betrachtet. Im Vergleich von kontinuierlichem Licht mit wechselnder Wellenlänge zu einzeln dargebotenen Stimuli wurde so untersucht, ob bereits bekannte ipRGC-Einflüsse unter kontinuierlichem Licht auftreten. Dies wäre ein wichtiger Meilenstein im Hinblick auf einen kontinuierlich messbaren Marker des nichtvisuellen Effekts in einer realen Beleuchtungsumgebung.
Methodik: An beiden Studien nahmen gesunde menschliche Probanden teil, entweder im experimentellen Studienraum (für die PEP-Studie) oder dem Labor (für die PLR Studie). Die Studien wurden von der Ethikkomission der Hochschule München genehmigt. Alle Versuchsteilnehmer wurden schriftlich zur Studie aufgeklärt und gaben anschließend ihre schriftliche Einwilligung zur Teilnahme.
Bei Probanden der PEP-Studie wurden drei unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen zu je zwei Tageszeiten untersucht. Die Beleuchtung unterschied sich im melanopischen (d.h. nichtvisuellen) Stimulus, war aber identisch in Bezug auf die resultierende Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsoberfläche. Die Beleuchtungsbedingungen entsprachen jenen einer Büroarbeitsstätte. Probanden bearbeiteten unter jeder Beleuchtungsbedingung eine kognitiv anstrengende Aufgabe nach einer Ruhe-Referenzperiode. Messmethoden umfassten u.a. die Impedanzkardiographie (ICG) und Elektrokardiographie (EKG), primär um die anstrengungsbedingte Veränderung der linksventrikulären Präejektionsperiode (∆PEP) zu berechnen. Die ∆PEP operationalisiert die sympathische Veränderung der kardialen Kontraktionskraft. Die kognitive Aufgaben wurde durch ein Computerprogramm gestellt, welches auch die Aufgabenleistung erfasste. Weitere Parameter zur Charakterisierung der Person wurden über Fragebögen erhoben, wie etwa der Chronotyp, Müdigkeit, oder die subjektive Aufgabenschwierigkeit. Die Daten wurden mit neuartigen linearen gemischten Modellen analysiert.
In der PLR-Studie wurden engbandige (chromatische) Lichtreize auf mesopischem Helligkeitsniveau in einer Ganzfeld‑Kugel appliziert. Diese Lichtreize folgten auf eine Dunkeladaptionsperiode und waren in Dauer und Abfolge abhängig vom Studienprotokoll. Insgesamt wurden neun Protokolle entwickelt, verteilt auf drei Experimente. Die Pupillendurchmesser der Probanden wurden mit einem Eye-Tracker gemessen. Weitere Merkmale, wie etwa der Chronotyp, wurden mittels Fragebogen erhoben. Aus dem zeitabhängigen Pupillendurchmesser wurde die normalisierte Pupillenkonstriktion (nPC) berechnet, basierend auf einem dunkeladaptierten Referenzdurchmesser. Der Großteil der Daten wurde mit generalisierten additiven gemischten Modellen (GAMM) analysiert. GAMMs zählen zu den nichtlinearen statistischen Modellen. Mittels GAMMs werden die Zusammenhänge zwischen abhängiger und unabhängigen Variablen in nichtparametrische Funktionen und parametrische Koeffizienten aufgelöst. Im Rahmen der PLR-Studie wurde dieser neuartige Modelltyp in die Pupillen-Forschung eingeführt, da er sich hervorragend für die komplexe Verschränkung unterschiedlicher Einflussfaktoren auf die Pupille eignet, wie etwa Wellenlänge, Zeit, Reihenfolge, Bestrahlungsstärke, Tageszeit, und Chronotyp.
Ergebnisse: Die PEP-Studie zeigt einen Lichteffekt auf ∆PEP unter üblichen Beleuchtungsbedingungen. Der Effekt kann jedoch nicht auf den melanopischen Stimulus (allein) zurückgeführt werden. Die mittlere Beleuchtungsbedingung im Hinblick auf den melanopischen Stimulus resultiert in der stärksten sympathischen Aktivierung – und damit auch Anstrengung – ohne eine Verbesserung der Aufgabenleistung gegenüber den anderen Lichtbedingungen. Es resultiert ein umgekehrt-U-förmiger Zusammenhang zwischen dem Effekt auf die ∆PEP und der Intensität des melanopischen Stimulus. In Bezug auf die Tageszeit ist der Spätnachmittag gegenüber dem Morgen mit erhöhter Anstrengung verbunden, jedoch ohne eine Interaktion mit den Beleuchtungsbedingungen.
Die PLR-Studie zeigt geringen Einfluss von Wellenlängen im Bereich des ipRGC Sensitivitätsmaximum auf die nPC, wenn die Lichtreize kontinuierlich appliziert werden. Werden die Lichtreize hingegen von kurzen Dunkelintervallen unterbrochen, besitzen Wellenlängen im ipRGC Sensitivitätsbereich höhere Wirkung und entsprechen eher den bisher veröffentlichten Ergebnissen. Weiterhin zeigt sich ein circadianer Mediatoreffekt auf die spektrale Abhängigkeit, insbesondere bei kontinuierlich applizierten Lichtreizen. Dies ist konsistent mit einer Modulation des ipRGC Einflusses auf die Pupille, abhängig von der Tageszeit und dem Chronotyp. Bezüglich der Redilation der Pupille nach einem Lichtreiz zeigt sich ein ipRGC Einfluss. Unter einigen experimentellen Randbedingungen ist die Redilation jedoch von sehr kurzen Wellenlängen unterhalb des ipRGC Maximums bestimmt, was auf einen Einfluss anderer Photorezeptoren hindeutet.
Einschränkungen: Die PEP-Studie weist einen Bias bzgl. der Anzahl der teilnehmenden Probanden eines Chronotyps auf. Die meisten Probanden waren Neutral- oder Morgentypen. Der tageszeitabhängige Effekt könnte sich daher bei Abendtypen anders verhalten als in der Studie gezeigt. Die PLR-Studie ist hauptsächlich durch die Ganzfeld-Kugel limitiert, deren chromatisches Licht lediglich ein mesopisches Helligkeitsniveau erreicht. Die Ergebnisse könnten für hellere Beleuchtungsbedingungen abweichen. Zudem ist die spektrale Bestrahlungsstärke nicht über alle Wellenlängen hinweg konstant, was jedoch durch eine mathematische Korrektur im Rahmen der Datenanalyse berücksichtigt werden konnte.
Schlussfolgerung: In beiden Studien zeigt sich eine Abhängigkeit von der spektralen ipRGC‑Sensitivität nicht direkt aus den Hauptergebnissen. In der PEP-Studie scheint eine Mediation durch Zapfen-Rezeptoren wahrscheinlich, kann aber nicht mit den vorliegenden Daten erwiesen werden. Wichtig ist jedoch, dass es einen Effekt der Beleuchtungssituation auf die anstrengungsbedingte kardiale Kontraktionskraftänderung gibt, die auch unter üblichen Arbeitslichtbedingungen relevant ist. Da die Beleuchtungsbedingung, die einer typischen Arbeitsbeleuchtung am nächsten kommt, auch zur größten Anstrengung bei gleicher Leistung führt, können die anderen Beleuchtungsbedingungen als ergonomische Verbesserung angesehen werden. In der PLR-Studie ist eine ipRGC‑Abhängigkeit in manchen Protokollen ersichtlich. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass singulär applizierte Lichtreize in dieser Hinsicht zu bevorzugen sind. Kontinuierlich applizierte Lichtreize bieten aufgrund der circadianen Mediation der Pupille hingegen möglicherweise einen Ansatz zur Durchführung von kontinuierlichen Pupillenmessungen, als Marker für die Chronotypenbestimmung (d.h. Phase of Entrainment). Die Voraussetzung dafür ist eine Replikation des Effekts in diesem Kontext in einer zukünftigen Studie
Übersetzung, Adaption und Validierung der deutschen Version des SARC-F als Screeningmethode der Sarkopenie
Get PDFOptimierung bestehender Dezellularisationsprotokolle: Effizienzerhöhung durch Feinabstimmung von Detergenzien, Strömungsrichtung und Ultraschall
Get PDFIn situ study of ribosome biogenesis, non-stop mRNA decay, and liquid-liquid phase separation by cryo-electron tomography
Get PDFThe development of new methods in biochemistry and the advancement in microscopes have enabled scientists to disentangle complicated molecular mechanisms and decipher more protein complexes at an atomic level. However, detailed structural studies of proteins and macromolecular machineries require targeted extraction and purification, through which an information gap between the molecular architecture and its cellular context is created. Over the past years, cryo-electron tomography (cryo-ET), by which one can directly inspect and analyze macromolecules in the cell, has become a powerful tool to bridge the gap. In this dissertation, cryo-ET was applied in studying challenging biological questions that could not be comprehensively addressed by conventional biochemical analyses either due to the indispensability of their native environment or their low occurrence in cells.
My first project examined ribosome biogenesis, which occurs in the nucleolus, a structure that is formed through liquid-liquid phase separation (LLPS) of various liquid-phase nucleolar compartments, but it has not been sufficiently substantiated in previous studies. In my study, distinct in situ pre-ribosomal structures were resolved and the spatiotemporal organization of ribosome biogenesis was revealed with liquid-phase nucleolar compartments for the first time, showing how this process is orchestrated through the surveillance of the nucleolar LLPS. Following an interesting discovery of a nuclear-exosome-associated preribosome class in my first project, I set out to explore non-stop mRNA decay (NSD), a mRNA surveillance mechanism in the cytoplasm, in my second project to gain more understanding of ribosome-associated quality control of mRNA. My study demonstrated it to be challenging to obtain in situ structures of NSD-related complexes together with ribosomes by cryo-ET. To improve this, I developed new strategies for in situ enrichment of NSD-related complexes at specific subcellular structures. The third project, again applied cryo-ET to analyze a special LLPS phenomenon generated by two intrinsically disordered proteins: SLP65 and CIN85, which are involved in B cell activation and protein translocation. Coupled with in vitro and in situ analyses, I provided a more comprehensive interpretation of SLP65-CIN85 LLPS to underpin the mechanism by which LLPS effectively regulates protein surveillance and translocation.
In conclusion, this dissertation not only demonstrates the successful application of cryo-ET in studying intricate biological questions, but also provides valuable insights to future comprehensive cryo-ET studies integrated with conventional biochemistry
Consequences of intensive fattening
Get PDFIntensive fattening based on high amounts of easy digestible and starch-rich concentrate is a common practice to fatten bulls in order to achieve productivity targets. However, excessive intake of carbohydrate-rich diet is also known to cause rumen acidosis, laminitis or tail tip necrosis, commonly referred to as production diseases. Affected metabolic pathways and underlying mechanisms are not fully understood, yet. Therefore, the major objective of this study was to investigate metabolic consequences of an experimental diet in 20 months old Holstein bulls, comprising a chronically increased nutrient (energy, starch and protein) intake, delivered by additional dietary concentrate feed, in comparison to a feeding regimen only based on forage. Aims of this study were to characterize alterations of metabolite profiles with a targeted metabolomics approach, to elucidate changes in insulin signaling pathway and finally to combine data of claw health and fattening performance with metabolic data, in order to generate new hypotheses of (patho)physiological relationships between chronic excessive energy intake and laminitis.
Holstein bulls intended for beef production were randomly assigned to a high energy and protein diet (HEP; metabolizable energy [ME] intake 169.0 ± 1.4 MJ/day; crude protein [CP] intake 2.3 ± 0.02 kg/day; calculated means ± SEM; n = 15) or a low energy and protein diet (LEP; ME intake 92.9 ± 1.3 MJ/day; CP intake 1.0 ± 0.01 kg/day; n = 15) for the last seven months of the fattening period. Claw health was documented and blood samples were collected at the beginning and at the end of the experimental period (slaughter). The bulls were slaughtered at the age of 20 months. Insulin concentrations (ELISA; Mercodia AB, Uppsala, Sweden), the metabolite profiles (AbsoluteIDQ® p180 kit, Biocrates, Innsbruck, Austria) and the blood biochemistry (Cobas c311 Analyzer, ROCHE, Mannheim, Germany) were analyzed in blood. Protein expression and extent of phosphorylation of insulin receptor (InsR; at Tyr1150), protein kinase B (PKB; at Ser473), AMP-activated kinase (AMPK; at Thr172) and mechanistic target of rapamycin (mTOR; at Ser2448) were semi-quantified in liver, muscle and retroperitoneal adipose tissue, by Western blot.
The final body weight of the bulls was 807 ± 9 kg and 712 ± 12 kg (mean ± SEM) in the HEP and LEP groups, respectively. All HEP bulls showed signs of laminitis at slaughter, but none of LEP. Multivariate statistics revealed complex alterations in metabolite profiles of HEP bulls, 91 of 182 analyzed metabolites were significantly different between feeding groups. Mainly lower concentrations in HEP bulls were found in the substance classes of phosphatidylcholines (PCs) and sphingomyelins. In contrast, the concentrations of lyso-PC and amino acids were higher in intensively fed bulls. Especially the concentrations of branched-chain amino acids (BCAAs), with isoleucine, leucine and valine were higher in HEP bulls. The concentration of insulin was also increased, but not of glucose, in blood. The extent of phosphorylation of p-InsR in all three tissues and p-mTOR in muscle were under the limit of detection. In the liver expression of PKB, mTOR and AMPK were higher in HEP, as well as the extent of phosphorylation of mTOR. In adipose tissue the expression of InsR was decreased in HEP bulls, but in muscle there were no significant differences between the feeding groups.
Strong differences in plasma metabolite profiles, signs of reduced insulin sensitivity in muscle and retroperitoneal adipose tissue were observed. These metabolic alterations were associated with an inflammatory state of diet-related chronic laminitis in Holstein bulls fed a HEP diet. Hyperinsulinemia and enhanced BCAAs are also characteristic for a prediabetic state in humans, indicating a conserved pathophysiological role of these metabolites. Triggers of laminitis in cattle and horses could be similar, proposing a relationship of diet induced and obesity related inflammation, further promoting insulin resistance and culminating in chronic laminitis. Future research is warranted to understand (patho-)physiological pathways of laminitis in cattle and how adapted husbandry and management is able to improve health of Holstein fattening bulls.Konsequenzen intensiver Mast: Einfluss auf die Klauengesundheit, das metabolische Profil im Blut und die Insulinsignalkaskade in Geweben von Holstein Mastbullen
Sonja Christiane Bäßler
Die intensive Fütterung mit hohen Mengen an stärke- und proteinreichem Kraftfutter ist eine gängige Praxis in der Bullenmast, um Leistungsziele zu erreichen. Eine übermäßige Aufnahme von leichtverdaubaren Kohlenhydraten kann bei Wiederkäuern aber zu Pansenazidose, Klauenrehe oder Schwanzspitzennekrose führen. Die betroffenen Stoffwechselwege und die zugrundeliegenden Mechanismen sind allerdings noch nicht vollständig geklärt. Daher war der Zweck dieser Studie, die metabolischen Folgen einer experimentellen Fütterung, die durch eine erhöhte Energie- und Nährstoffzufuhr (Stärke und Eiweiß) über sieben Monate bei Holstein-Bullen gekennzeichnet war, zu untersuchen. Eine Fütterung die nur auf Grundfuttermitteln basierte, diente als Vergleich. Ziele dieser Studie waren, erstens Veränderungen der metabolischen Profile mit einem gezielten Metabolomics-Ansatz zu charakterisieren. Zweitens Veränderungen im Insulin-Signalweg in Leber, Muskel und retroperitonealem Fettgewebe zu untersuchen. Um schließlich drittens, Verbindungen zwischen den Daten der Klauengesundheit und Mastleistung, sowie der Stoffwechseldaten zu erkennen, um neue Hypothesen über (patho)physiologische Zusammenhänge zwischen chronisch übermäßiger Energiezufuhr und Klauenrehe zu generieren.
Holstein-Bullen, die für die Rindfleischproduktion bestimmt waren, wurden nach dem Zufallsprinzip entweder mit einem Futter mit hohem Energie- und Proteingehalt (HEP; Zufuhr von umsetzbarer Energie [ME] 169,0 ± 1,4 MJ/Tag; Zufuhr von Rohprotein [CP] 2,3 ± 0,02 kg/Tag; berechnete Mittelwerte ± SEM; n = 15) oder mit einem Futter mit niedrigem Energie- und Proteingehalt (LEP; Zufuhr von umsetzbarer Energie 92,9 ± 1,3 MJ/Tag; Zufuhr von Rohprotein 1,0 ± 0,01 kg/Tag; n = 15) gefüttert. Die Klauengesundheit wurde dokumentiert und Blutproben wurden zu Beginn und am Ende des Versuchszeitraums (Schlachtung) entnommen. Die Bullen wurden im Alter von 20 Monaten geschlachtet. Im Blut wurden die Insulinkonzentration (ELISA; Mercodia AB, Uppsala, Schweden), das metabolische Profil (AbsoluteIDQ® p180 Kit, Biocrates, Innsbruck, Österreich) und die Blutbiochemie (Cobas c311 Analyzer, ROCHE, Mannheim, Deutschland) analysiert. Außerdem wurde die Proteinexpression und das Ausmaß der Phosphorylierung des Insulinrezeptors (INSR; an Tyr1150), der Proteinkinase B (PKB; an Ser473), der AMP-aktivierten Kinase (AMPK; an Thr172) und des mechanistischen Ziels von Rapamycin (mTOR; an Ser2448) in der Leber, dem Muskel und dem retroperitonealen Fettgewebe mittels Western Blot semiquantifiziert.
Das Endgewicht der Bullen betrug 807 ± 9 kg und 712 ± 12 kg (Mittelwert ± SEM) in der HEP- bzw. LEP-Gruppe. Alle HEP-Bullen zeigten bei der Schlachtung Anzeichen von Klauenrehe, aber keiner der LEP Bullen. Multivariate Statistiken zeigten komplexe Veränderungen in den metabolischen Profilen der HEP-Bullen, 91 von 182 analysierten Metaboliten unterschieden sich signifikant zwischen den Fütterungsgruppen. Vor allem in den Substanzklassen der Phosphatidylcholine (PC) und Sphingomyeline wurden bei HEP-Bullen geringere Konzentrationen gefunden. Im Gegensatz dazu waren die Konzentrationen der Lyso-PCs und Aminosäuren bei den intensiv gefütterten Bullen höher. Insbesondere die Konzentrationen der verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs), Isoleucin, Leucin und Valin waren bei HEP-Bullen höher. Die Insulinkonzentration im Blut der HEP Bullen war ebenfalls erhöht, nicht jedoch die Glukosekonzentration. Das Ausmaß der Phosphorylierung von p-InsR in allen drei Geweben und von p-mTOR im Muskel lag unter der Nachweisgrenze. In der Leber war die Expression von PKB, mTOR und AMPK bei HEP höher, ebenso das Ausmaß der Phosphorylierung von mTOR. Im Fettgewebe war die Expression von InsR bei HEP-Bullen verringert, im Muskel gab es keine signifikanten Unterschiede zwischen den Fütterungsgruppen.
Es wurden große Unterschiede in den Plasmastoffwechselprofilen und Anzeichen für eine verringerte Insulinsensitivität im Muskel- und retroperitonealen Fettgewebe beobachtet. Diese Stoffwechselveränderungen wurden mit einem entzündlichen Zustand von ernährungsbedingter chronischer Klauenrehe, bei Holstein-Bullen die eine HEP-Fütterung erhielten, assoziiert. Hyperinsulinämie und erhöhte Konzentrationen von BCAAs wurden auch als Charakteristika für einen prädiabetischen Zustand beim Menschen identifiziert. Dies könnte auf eine konservierte pathophysiologische Rolle dieser Metaboliten, über verschiedene Spezies hinweg, hinweisen. Auch die Auslöser der Klauen- bzw. Hufrehe bei Rindern und Pferden könnten ähnlich sein. Ein möglicher Zusammenhang zwischen chronisch exzessiver Energie- und Nährstoffaufnahme und Klauenrehe könnte sein, dass ernährungsbedingte und durch Fettleibigkeit bedingte Entzündungen eine Insulinresistenz weiter fördern und sich in chronischer Klauenrehe manifestieren. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um die (patho-)physiologischen Wege der Klauenrehe bei Rindern zu verstehen und um herauszufinden, ob eine andere Haltung und ein angepasstes Management die Gesundheit von intensiv gefütterten Holstein Bullen verbessern könnte