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Automated time-lapse analysis of cell mechanics in single-cell migration on 1D micropatterns
Get PDFCell migration is crucial in several biological processes, such as development, wound healing, immune response, and cancer metastasis. Physics can help shed light on the force generating mechanisms behind active cell migration, improving our understanding to aid the development of therapies related to cancer treatment and regenerative medicine. In vitro studies reveal diverse cell morphodynamics on plane adhesive substrates, as well as universal relations conserved across different cell lines, such as the biphasic adhesion velocity relation and the universal coupling between cell speed and cell persistence. Mechanical models link these relations to physical forces, thereby connecting intracellular processes with motile behaviour. However, quantitative comparison of experimental data to models requires reproducible conditions as well as extensive statistics.
Here, I present an automated time-lapse analysis of single-cell migration using a high throughput migration platform and a biophysical model. We advanced micropatterning for confined cell migration on one-dimensional fibronectin lanes which simplified data acquisition and trajectory analysis. Standardised microfabrication of 1D fibronectin coated lanes and scanning time-lapse microscopy enabled reproducible experimental conditions for high-throughput data collection and automated image analysis. The technique allowed for analysis of thousands of single-cell trajectories, finding significant variability within the same cell line, which is important for identifying universal behaviours. In this context, we discovered multistability in the form of four motile states in the breast cancer cell line MDA-MB-231. In collaboration with the group of Martin Falcke we proposed a novel biophysical model that consists of force balances at the protrusion edges, a noisy clutch mechanism and non-linear integrin signalling. The model explains multistability, the adhesion-velocity relation and the universal coupling between cell speed and cell persistence. However, the non-linear, inherently stochastic nature of the biophysical model presented significant challenges, as parameter optimisation became mathematically and conceptually difficult. By training a neural density estimator model parameters were inferred from experimental trajectories. The approach effectively asigns parameter values to different cell types and identifies the site of drug action, like latrunculin A and Y-27632 without prior knowledge.
We developed a time-lapse and data analysis platform for studies of cell migration with unprecedented throughput. Our cell-mechanical model explains an unparalleled level of complex motile behaviour, validated by extensive statistics. We anticipate that our work will facilitate additional discoveries related to the specific characteristics of cell types, universal relations, and biophysical mechanisms.Zellmigration ist für verschiedene biologische Prozesse wie Embryogenese, Wundheilung, Immunantwort und Krebsmetastasierung von entscheidender Bedeutung. Die Physik kann dazu beitragen, unser Verständnis der krafterzeugenden Mechanismen hinter der aktiven Zellmigration zu verbessern, um die Entwicklung von Therapien für die Krebsbehandlung und die regenerative Medizin zu unterstützen. In vitro-Studien mit planaren Zellsubstraten zeigen sowohl erheblich unterschiedliche Zellmorphodynamiken, aber auch universelle Beziehungen, die über verschiedene Zelllinien hinweg erhalten bleiben. Beispiele sind die biphasische Adhäsions-Geschwindigkeits-Beziehung und die universelle Kopplung zwischen Zellgeschwindigkeit und Zellpersistenz. Mechanische Modelle verknüpfen diese Beziehungen mit physikalischen Kräften und verbinden so intrazelluläre Prozesse mit dem Bewegungsverhalten. Der quantitative Vergleich von experimentellen Daten mit Modellen erfordert jedoch reproduzierbare und standardisierte Bedingungen sowie umfangreiche Statistiken.
Hier präsentiere ich eine automatisierte Zeitrafferanalyse der Einzelzellmigration unter Verwendung einer Hochdurchsatz-Migrationsplattform und eines biophysikalischen Modells. Eine Weiterentwicklung von Mikrostrukturierungsverfahren, mit dem Zweck, Zellmigration auf eindimensionale Bahnen zu beschränken, vereinfachte die Datenerfassung und die Analyse der Zelltrajektorien. Die standardisierte Mikrofabrikation von 1D-Fibronektin-beschichteten Bahnen und die Scanning-Zeitraffer-Mikroskopie ermöglichten reproduzierbare Versuchsbedingungen für die Hochdurchsatz-Datenerfassung und die automatisierte Bildanalyse. Die Technik ermöglichte die Analyse von Tausenden von Einzelzell-Trajektorien, wobei eine erhebliche Variabilität innerhalb derselben Zelllinie festgestellt werden konnte, was für die Identifizierung universeller Verhaltensweisen von Bedeutung ist. In diesem Zusammenhang haben wir bei der Brustkrebszelllinie MDA-MB-231 Multistabilität in Form von vier Bewegungszuständen entdeckt. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Martin Falcke haben wir ein neuartiges biophysikalisches Modell vorgeschlagen, das aus Kraftbilanzen an den Zellenden, einem verrauschten Kupplungsmechanismus und einer nichtlinearen Integrin-Signalübertragung besteht. Das Modell erklärt Multistabilität, die Adhäsions-Geschwindigkeits-Beziehung und die universelle Kopplung zwischen Zellgeschwindigkeit und Zellpersistenz. Die nichtlineare, stochastische Natur des biophysikalischen Modells stellte jedoch für die Parameteroptimierung eine Herausforderung dar. Durch Training eines neuronalen Dichte-Schätzers wurden die Modellparameter aus den experimentellen Trajektorien abgeleitet. Der Ansatz ordnet Parameterwerte effektiv verschiedenen Zelltypen zu und identifiziert den Wirkort von Wirkstoffen wie Latrunculin A und Y-27632 ohne Vorkenntnisse.
Wir haben eine Zeitraffer- und Datenanalyseplattform für Studien zur Zellmigration mit einem noch nie dagewesenen Durchsatz entwickelt. Unser zellmechanisches Modell erklärt ein beispielloses Maß an komplexem Bewegungsverhalten, das durch umfangreiche Statistiken validiert wird. Wir gehen davon aus, dass unsere Arbeit weitere Entdeckungen im Zusammenhang mit den spezifischen Eigenschaften von Zelltypen, universellen Beziehungen und biophysikalischen Mechanismen ermöglichen wird
KI-Systeme zur Unterstützung ärztlicher Entscheidungen
Get PDFAnwendungen aus dem Bereich der Künstlichen Intelligenz, die insbesondere auf der Technologie des Maschinellen Lernens beruhen, breiten sich in der Medizin zunehmend im Gebiet der Entscheidungsunterstützung aus. Einige dieser Systeme unterstützen Ärzte, indem sie Diagnosen, Prognosen sowie Therapieempfehlungen abgeben. Diese Anwendungen können auch als artificial intelligence-based clinical decision support systems (AI-CDSS) bezeichnet werden. Indem die Systeme die klinische Entscheidungsfindung beeinflussen, dringen sie in den Kernbereich der Medizin und des ärztlichen Tuns und Denkens vor. In diesem Zusammenhang entstehen einige ethische Fragen: Wie soll mit dem nicht eliminierbaren Fehlerpotenzial von AI-CDSS umgegangen werden? Wer trägt die Verantwortung für falsche Entscheidungen, die auf Systemempfehlungen beruhen? Und wie verändert sich die Arzt-Patient-Beziehung, wenn solche Anwendungen benutzt werden?
Diese und weitere ethische Fragestellungen, die bei der Verwendung der Systeme auftreten, wurden bereits einzeln und in Verbindung mit anderen ethischen Implikationen der Anwendungen untersucht. Jedoch ist die Zahl der Arbeiten, die AI-CDSS als Gruppe ethisch bewerten, bisher gering. Diese Bewertungen sind außerdem meist knapp gehalten und gehen wenig systematisch vor.
Die vorliegende Arbeit greift zur systematischen ethischen Bewertung von AI-CDSS auf eine ethische Bewertungsmatrix für eHealth-Anwendungen zurück. Zunächst werden die Systeme, ihre Funktionsweise und ihre Charakteristika beschrieben. Die darauffolgende ethische Bewertung von AI-CDSS erfolgt anhand von zwölf ethischen Beurteilungskriterien: Funktionsfähigkeit, Nutzenpotenzial für die Patientinnen und Patienten, mögliche Alternativen, Schadenspotenzial für die Patientinnen und Patienten, Wahrung und Förderung der Patientenautonomie, Zuschreibbarkeit von Verantwortung beim Einsatz von AI-CDSS, Wahrung der Integrität der Arzt-Patient- Beziehung, Datenschutz und Datenverfügbarkeit, Effizienz und schließlich Gerechtigkeit.
In der übergreifenden Bewertung werden die Einzelbewertungen zusammengeführt und gegeneinander abgewogen. Es wird dabei deutlich, dass die Anwendungen nicht kategorisch positiv oder negativ zu beurteilen sind, sondern dass deren ethische Evaluation von der jeweiligen Entwicklungs- und Nutzungsweise abhängt. Abschließend folgen ethisch begründete Empfehlungen zur Entwicklung und Anwendung von AI-CDSS sowie zur Schaffung dafür geeigneter Rahmenbedingungen.Applications from the field of artificial intelligence, mostly based on machine learning, are increasingly spreading in clinical decision support. Some of these systems support doctors by providing prognoses, diagnoses and therapeutic recommendations. They can also be referred to as artificial intelligence-based clinical decision support systems (AI-CDSS). As these applications support and influence clinical decision-making, they penetrate the core of medicine. This raises a number of ethical questions: How should the systems' potential for errors, which cannot be eliminated, be dealt with? Who bears responsibility for incorrect decisions based on the recommendations of AI-CDSS? And how is the doctor-patient relationship affected by the use of these systems?
These and other ethical issues that arise when doctors utilize AI-CDSS have already been addressed individually and in conjunction with other ethical implications of the systems. However, there is still little work that evaluates AI-CDSS ethically as a whole. Moreover, these works are mostly of short length and not very systematic.
This dissertation employs a structured ethical evaluation tool for eHealth applications to ethically evaluate AI-CDSS. First, the systems, their mode of operation and their characteristics are described. The subsequential ethical evaluation of AI-CDSS is based on twelve ethical evaluation criteria: functionality, potential benefits for patients, possible alternatives, potential harm for patients, preservation and promotion of patient autonomy, attributability of responsibility in the use of the systems, preservation of the integrity of the doctor-patient relationship, data protection and data availability, efficiency and finally justice.
In the overarching evaluation, the individual assessments are synthesized and balanced against each other. It becomes evident that the ethical evaluation of AI-CDSS is neither categorically positive nor categorically negative, but contingent on how the systems are used. Lastly, ethically justified recommendations are provided for the development and application of AI-CDSS as well as for the creation of suitable framework conditions
Einsatz der regenerativen Zelltherapie bei Hunden mit austherapierter Cubarthrose
Get PDFDie Osteoarthrose (OA) ist eine degenerative Gelenkserkrankung, bei der es in Folge einer chronischen Entzündung zur Erosion und Verlust des Gelenkknorpels kommt (LOESER et al., 2012). Schätzungsweise 15 % der Hunde in Deutschland leiden unter OA (BRUNNBERG, 2014). Beim Hund entsteht die OA meist sekundär aufgrund eines Traumas oder einer Inkongruenz im Gelenk (JOHNSTON, 1997; MCLAUGHLIN, 2000). Die Ellbogengelenksdysplasie (ED) ist die häufigste Erkrankung des Ellbogengelenks des Hundes (O'NEILL et al., 2020) und die Cubarthrose kann als Folge dieser Erkrankung trotz der konventionellen Behandlungsmöglichkeiten nicht verhindert werden (BARTHELEMY et al., 2014; SEIDLER et al., 2023). Hunde mit OA leiden oft trotz medikamentöser Therapie unter einer verminderten Lebensqualität, chronischen Schmerzen und Bewegungseinschränkungen (RYCHEL, 2010; PYE et al., 2022). Die Behandlung mit NSAIDs kann hilfreich sein, aber erhebliche Nebenwirkungen haben (MONTEIRO-STEAGALL et al., 2013) und ist nicht für jeden Patienten geeignet.
Deshalb ist die regenerative Zelltherapie zunehmend in den Fokus der Osteoarthrosetherapie gerückt (WHITWORTH und BANKS, 2014; MEYER-LINDENBERG und KILCHLING, 2018). Regenerative Zellen tragen zur Heilung von Gewebe bei. Mesenchymale Stammzellen können sich in verschiedene mesodermale Zelltypen differenzieren und wirken bei Entzündungen trophisch, immunmodulatorisch und antiinflammatorisch (CAPLAN und DENNIS, 2006) (FREITAG et al., 2016).
Da es in der zugänglichen Literatur bisher keine systematischen Untersuchungen zur Therapie der fortgeschrittenen und austherapierten OA nach bereits erfolgter operativer Behandlung einer ED gibt, war das Ziel der vorliegenden Studie, den Behandlungserfolg einer intraartikulären Injektion autologer regenerativer Zellen bei Hunden mit austherapierter Cubarthrose zu untersuchen
Refraktives und morphologisches Ergebnis der phototherapeutischen Keratektomie
Get PDFEinführung: Die phototherapeutische Keratektomie gilt heute als etabliertes Therapieverfahren für Patienten, welche unter therapierefraktären genetisch bedingten Hornhautdystrophien oder rezidivierenden Erosiones ohne zugrunde liegende Basalmembrandystrophie leiden.
Ziel der Arbeit: Ziel der Arbeit war es, Änderungen der Refraktion und der Pachymetrie nach phototherapeutischer Keratektomie bei Patienten, welche eine epitheliale Basalmembrandystrophie oder rezidivierende Erosiones ohne zugrunde liegende Basalmembrandystrophie (traumatisch/nichttraumatisch bedingt) aufweisen, zu analysieren.
Material und Methoden: Die Patientendaten wurden retrospektiv aus dem Smart-Eye-Data-Datenbank-System der Augenklinik der LMU in den Jahren 2014 bis 2020 zusammen mit diagnostischen Daten aus Pentacam HR und Autorefraktometer ausgewertet. Als festes Therapieregime wurde eine Photoablation von 10 μm für epitheliale Basalmembrandystrophie und 6 μm für Patienten ohne Basalmembrandystrophie gewählt.
Ergebnisse: In beiden Kollektiven konnte eine Abnahme der Pachymetrie am Apex nachgewiesen werden (epitheliale Basalmembrandystrophie: Abnahme 25,8 μm, ±19,6 μm SD, Bandbreite –12–97 μm; keine Basalmembrandystrophie: Abnahme 12,3 μm, ±17,6 μm SD, Bandbreite –39–68 μm). Es kam zu keiner signifikanten Zu- oder Abnahme der „total corneal refractive power“ im epitheliale Basalmembrandystrophie- Kollektiv, im Kollektiv der rezidivierenden Erosiones ohne Basalmembrandystrophie zu einer signifikanten Zunahme von 42,3 dpt auf 42,6 dpt (Veränderung ±0,8 dpt SD, p < 0,05). Das sphärische Äquivalent zeigte keine Veränderung im Follow-up-Intervall für das epitheliale Basalmembrandystrophie Kollektiv. Hingegen zeigte das Kollektiv ohne Basalmembrandystrophie eine statistisch signifikante Abnahme des SE um 0,4 dpt (±0,7 dpt SD, p < 0,05). Das mittlere Follow-up-Intervall betrug 126 Tage (CI 95 %: 104 bis 147 Tage).
Schlussfolgerung: Ein signifikanter Einfluss auf die Refraktion konnte in der durchgeführten Studie in Bezug auf die „total corneal refractive power“ für beide Kollektive nur in geringem Maße festgestellt werden. Der finale Abtrag anhand der Pachymetrie am Apex hingegen kann auf das 2,3- bis 2,6-Fache der ursprünglichen Ablationstiefe geschätzt werden. Ursachen hierfür sind einerseits der Laserabtrag selbst sowie der Einfluss der reaktiven Wundheilung des kornealen Epithels
Bedeutung von Hormonrezeptoren und potenziellen Co-Faktoren in Gynäkologischen Malignomen sowie deren Vorstufen
Get PDFDas übergreifende Konzept hinter den drei Publikationen war es, molekulare Mechanismen in Signalwegen der Hormonrezeptoren bei gynäkologischen Tumoren zu finden und einzelne Proteine auf ihre Nützlichkeit als Biomarker zu prüfen. Es wurden jeweils Gewebeschnitte immunhistochemisch untersucht und in Hinblick auf verschieden Fragestellungen ausgewertet.
In den beiden Publikationen zu Ovarialkarzinomen „G Protein-Coupled Estrogen Receptor Correlates With Dkk2 Expression and Has Prognostic Impact in Ovarian Cancer Patients“ und „Nuclear receptor co-repressor NCOR2 and its relation to GPER with prognostic impact in ovarian cancer“ wurden die Auswirkungen von Dickkopf 2 (Dkk2) und des nukleären Rezeptor-Co- Repressors (NCOR2) in Verbindung mit dem G-Protein-gekoppelten Östrogenrezeptor (GPER) auf den klinischen Verlauf bei EOC betrachtet. Dkk2 übt als Modulator des Wnt-Signalweges wesentlichen Einfluss auf die zelluläre Differenzierung und NCOR2 hemmt als Proteinkomplex die Gentranskription kontextabhängig. Alle zwei interagieren dabei mit einer Vielzahl anderer Signalwege. Unter anderem auch mit GPER, wie die Ergebnisse unserer Publikationen vermuten lassen. In beiden Publikationen wies eine starke Expression des jeweiligen Markers in Kombination mit einer starken GPER Expressionen auf ein längeres Gesamtüberleben hin. Weitere Forschung ist erforderlich, um ein tiefergehendes Verständnis des Einflusses von Dkk2, NCOR2 und GPER auf die Tumorbiologie zu erlangen und damit deren Nutzbarkeit als prognostische Marker oder therapeutische Zielstrukturen zu klären.
Die Publikation „The role of EP-2 receptor expression in cervical intraepithelial neoplasia“ untersucht die Rolle des Prostaglandinrezeptors EP2 bei zervikalen intraepithelialen Neoplasien (CIN). Es wurde festgestellt, dass die EP2 Expression signifikant mit zunehmender Schwere der Dysplasie ansteigt und höhere EP2 Expressionen mit einem progredienten Verlauf von CIN II korrelieren. Diese Ergebnisse legen nahe, dass EP2 als Biomarker für den Verlauf von CIN geeignet sein könnte.
Zusammengefasst betonen die Publikationen die Bedeutung molekularer Marker wie Dkk2, NCOR2, GPER und EP2 für die Prognose und Therapie von gynäkologischen Krebserkrankungen. Zukünftige Forschungen könnten die Grundlage für maßgeschneiderte Therapieansätze bilden und die Prognose sowie Behandlungsmöglichkeiten der Erkrankungen verbessern
Parton phenomena in doped quantum magnets and quantum simulators
Get PDFStrongly correlated electrons exhibit some of the most exotic behaviors, including the fractionalization of their fundamental constituents -- the electrons -- into smaller components known as partons. The partons can either exists as deconfined particles, as in quantum spin liquids, or become confined into bound states, as in doped antiferromagnetic Mott insulators.
In this thesis, we take into account the microscopic internal structure of the parton bound states in doped quantum magnets, which leads us to the picture of an emergent Feshbach resonance -- a concept well-known in particle and atomic physics. For Fermi-Hubbard-type models, we find strong attractive pairing interactions between charge carriers with robust d-wave symmetry, consistent with the phenomenology of cuprate superconductors.
This proposed Feshbach pairing mechanism provides a new possible explanation for the long sought pairing glue in high-Tc cuprate compounds.
Furthermore, we establish effective parton models for mixed-dimensional bilayer Hubbard models, and we predict remarkably large binding energies in excellent agreement with numerical simulations. In addition, we discuss potential signatures of emergent Feshbach resonances in mixed-dimensional 1D ladders, and their relevance for the recently discovered high-Tc nickelate compounds.
To probe the emergent parton phenomena, we propose novel schemes for the analog quantum simulation of doped quantum magnets. In particular, we develop a scheme to realize an antiferromagnetic, bosonic t-J-V-W model in three internal states of cold molecules or Rydberg atoms in optical tweezer arrays. The dipolar origin of the magnetic interactions allows us to explore previously experimentally inaccessible parameter regimes, for which we present preliminary experimental results obtained in Rydberg tweezer arrays.
Another common framework to describe parton phenomena are lattice gauge theories (LGTs). Their quantum simulation would not only enable us to directly study low-energy effective theories of strongly correlated electrons, but also topics ranging from particle physics to quantum information.
However, achieving large-scale quantum simulations of LGTs with dynamical matter and beyond (1+1)D remains elusive. In this thesis, we focus on top-down approaches to simulate LGTs, where the gauge structure emerges from strong energy penalties.
In particular, we theoretically develop a method to stabilize an Abelian \Z2 LGTs with hard-core bosonic matter in (2+1)D, which only requires experimentally feasible two-body Ising interactions. This allows us to propose a realistic analog quantum simulation scheme for the large-scale implementation of Z2 LGTs in Rydberg tweezer arrays.
Moreover, we find that antiferromagnetic SU(N) Heisenberg interactions suffice to energetically stabilize non-Abelian gauge constraints. Additionally, we propose experimental schemes to implement U(N) and SU}(N) LGTs (i) with hard-core bosonic matter in ultracold polar molecules or Rydberg tweezers, and (ii) with fermionic matter in ultracold alkaline-earth atoms.
The proposed experimental schemes for the quantum simulation of doped quantum magnets and lattice gauge theories in tweezer arrays as well as the development of analytical models for pairing in high-Tc superconductors paves the way to explore parton phenomena in strongly correlated quantum matter from a microscopic perspective.Stark korrelierte Elektronen zeigen einige der exotischsten Verhaltensweisen, unter anderem die Fraktionalisierung der fundamentalen Bausteine -- die Elektronen -- in kleinere sogenannte Partons. Diese Partons können entweder in einem deconfined Zustand vorliegen, wie in Quantenspinflüssigkeiten, oder confined als gebundene Zustände existieren, wie in dotierten antiferromagnetischen Mott Isolatoren.
In dieser Dissertation betrachten wir die mikroskopische, innere Struktur von gebundenen Partonzuständen in dotierten Quantenmagneten, was uns zu dem Phänomen einer emergenten Feshbach Resonanz führt -- ein bekanntes Konzept in Teilchen- und Atomphysik. Für Fermi-Hubbard-artige Modelle finden wir starke attraktive Paarwechselwirkungen zwischen Ladungsträgern mit robuster d-Wellen Symmetrie konsistent mit der Phänomenologie von Supraleitung in Cupraten. Der vorgeschlagene Feshbach Paarungsmechanismus ist möglicherweise eine neue Erklärung für den lang ersehnten Paarungskleber in Hochtemperatursupraleitern aus Kupferverbindungen.
Darüberhinaus etablieren wir effektive Partonmodelle für gemischt-dimensionale doppelschichtige Hubbardmodelle, für welche wir bemerkenswert hohe Bindungsenergien vorhersagen und exzellente Übereinstimmung mit numerischen Simulationen finden. Zusätzlich diskutieren wir mögliche Signaturen von Feshbach Resonanzen in gemischt-dimensionalen 1D Leitern sowie deren Relevanz für kürzlich entdecke Hochtemperatursupraleiter aus Nickelverbindungen.
Um die emergenten Partonphänomene zu testen, schlagen wir neue Schemata für die analoge Quantensimulation von dotieren Quantenmagneten vor. Insbesondere entwickeln wir ein Schema um antiferromagnetische t-J-V-W Modelle in drei internen Zuständen von kalten Molekülen oder Rydberg Atomen in Gittern aus optischen Fallen zu realisieren. Der dipolare Ursprung der magnetischen Wechselwirkung erlaubt uns zuvor experimentell unerreichbare Parameterbereiche zu studieren. Wir präsentieren vorläufige experimentelle Resultate, welche in Rydberg tweezer arrays erzielt wurden.
Ein weiterer typischer Rahmen um Partonphänomene zu beschreiben sind Gittereichtheorien. Deren Quantensimulation würde uns nicht nur erlauben die effektiven Niedrigenergie Theorien von stark korrelierten Elektronen zu untersuchen, sondern auch Themen von Teilchenphysik bis hin zu Quanteninformation. Allerdings erweist sich die großskalige Quantensimulation von Gittereichtheorien mit dynamischer Materie und jenseits von (1+1)D als anspruchsvoll. In dieser Dissertation fokussieren wir uns auf top-down Methoden um Gittereichtheorien zu simulieren, wobei die Eichstruktur aus starken energetischen Blockaden hervorgeht.
Insbesondere entwickeln wir theoretische Methoden um abelsche Z2 Gittereichtheorien mit hard-core bosonischer Materie in (2+1)D mit experimentell realisierbaren Zweiteilchen Ising Wechselwirkungen zu stabilisieren. Dies erlaubt uns ein realistisches, großskaliges Schema für die analoge Quantensimulation von Z2 Gittereichtheorien in Rydberg tweezer arrays zu entwicklen. Außerdem finden wir, dass antiferromagnetische SU(N) Heisenberg Wechelswirkungen ausreichen um nicht-abelsche Eichstrukturen energetisch zu stabilisieren. Darüberhinaus schlagen wir ein experimentelles Schema für die Implementierung von U(N) and SU(N) Gittereichtheorien (i) mit hard-core bosonischer Materie in ultrakalten polaren Molekülen in optischen Gittern oder Rydberg tweezer arrays sowie (ii) mit fermionischer Materie in ultrakalten Erdalkalimetallen vor.
Die vorgeschlagenen experimentellen Schemen für die Quantensimulation von dotierten Quantenmagneten und Gittereichtheorien in optischen Fallen sowie die Entwicklung analytischer Modelle für Paarung in Hochtemperatursupraleiter ebnen den Weg um Partonphänomene in stark korrelierter Quantenmaterie aus einer mikroskopischen Perspektive zu untersuchen
Investigating the nuclease activity of MIF and MIF-2 and their effects on DNA damage
Get PDFThe multifunctional inflammatory protein macrophage migration inhibitory factor (MIF) and its paralog D-dopachrome tautomerase (D-DT)/MIF-2 have important functions in various neurodegenerative diseases. This work aimed to study the relationship between the topological location of MIF and MIF-2 in different neuronal cell compartments and their functions. The focus of this study was to describe the complex modes of action of MIF and MIF-2 in the brain, as well as the discovery and function of the nuclease activity of MIF-2. In 2016, MIF was identified as a new member of the PD-D/E(X)K class of nucleases. Similar catalytic properties were discovered in this dissertation for MIF-2, where the PD-D/E(X)K nuclease domains are only partially conserved when compared with MIF. Glutamic acid at position 22 of human and mouse MIF is relevant for nuclease function. Similarly in this work, glutamic acid was identified at position 88 as being critical for the nuclease activity of human MIF-2.
Moreover, the subcellular localization of MIF was found to be similar to that of MIF-2, with both homologs present in the cytoplasm, nucleus, and extracellular space, indicating a potential "moonlighting" function for MIF-2. Moonlighting proteins serve multiple functions despite originating from a single gene. Changes at catalytic sites or interactions with other proteins can cause different functions. The MIF family has different functions, both intracellularly and extracellularly. This work's second focus was the interaction between MIF and the protein apoptosis-inducing factor (AIF), since MIF is the essential nuclease in AIF-induced programmed cell death (parthanatos). AIF is assumed to escort MIF from the cytosol to the nucleus. My work detected MIF in both wild-type cells and Mif-2-deficient primary astrocyte cultures. Conversely, Mif-2 was localized to the nucleus in both wild-type cells and Mif-deficient cells. In addition, it is assumed that the translocation of MIF and MIF-2 takes place independently of one another. It has been identified that the nuclease function of MIF is an Mg2+- and Ca2+-dependent 3' exonuclease activity. In my study, MIF-2 nuclease function was inhibited using various methods, including ethylenediaminetetraacetate (EDTA), which forms chelate complexes with positively charged metal ions. The results highlight the pleiotropic effects of MIF and MIF-2, but my study focused on their roles in cellular stress and apoptosis. PARP1 inhibition has been identified as an attractive target for acute neurological diseases. Using DNA double-strand break markers and comet assays, a reduction of DNA damage was observed in Mif- and Mif-2-deficient cells compared to wild-type cells. Work in my thesis found that primary mixed neuronal cultures obtained from Mif KO animals and primary astrocytes isolated from Mif-2 KO animals showed fewer γH2AX and 53BP1 markers compared to the wild-type. This highlights the potential role of MIF and MIF-2 in DNA damage and neurodegenerative diseases.
Laboratory mice and rats have long been indispensable tools in research, with mice being the by far predominant model for most diseases. This dissertation explored the unique advantages of a rat model, particularly in the context of studying the macrophage migration inhibitory factor (MIF) family. Rats, with their larger size and weight, offer significant benefits for various research applications, including investigations into MIF-related conditions like stroke and Alzheimer's disease.
In this study, reverse genetic tools, including genome editing methods, were employed to establish a Mif KO rat model for investigating the critical role of MIF proteins in important biological processes. The rat model's establishment remains crucial for replicating essential insights from mouse models.
In conclusion, this dissertation explored the roles of MIF and MIF-2 in neurodegenerative diseases, revealing their nuclease activity, subcellular localization, and involvement in programmed cell death together with AIF. Overall, this research enhanced our understanding of MIF and MIF-2 in neurodegenerative diseases and their potential in treating acute neurological conditions
Medical Training bei Pavianen im präklinischen kardialen Xenotransplantationsmodell
Get PDFIn der präklinischen Xenotransplantation eines Schweineherzens in einen Pavian ist die kontinuierliche Versorgung mit immunsuppressiven Medikamenten notwendig, um eine Abstoßung des Herzens zu verhindern. Üblicherweise werden den Pavianen hierzu zentralvenöse Zugänge implantiert und diese dann zum Eigenschutz einzeln gehalten. Für Langzeitversuche (> 180 Tage) ist die Rückführung der Paviane in die Gruppenhaltung erforderlich, wofür jedoch eine verlässliche Einnahme der Medikamente per os unabdingbar ist. Ein vorrangiges Ziel des Medical Trainings war demnach, den Versuchstieren die orale Medikamenteneinnahme beizubringen. Die vorliegende ethologische Studie begleitete den Tierversuch wissenschaftlich und untersuchte, ob die Paviane in der vorgegebenen Zeit und trotz der versuchsbedingten Erschwernisse erfolgreich trainiert werden konnten.
Hierfür wurde von acht herztransplantierten, männlichen Pavianen (Papio anubis und Papio hamadryas) das Training der oralen Medikamenteneinnahme untersucht. Vier der acht Paviane wurden zusätzlich, sowohl prä- als auch postoperativ, in sieben weiteren Trainingszielen intensiviert trainiert, beispielsweise dem Injektionstraining am Oberschenkel, dem Injektionstraining am Unterarm oder dem Zahntargettraining zur Speichelentnahme. Der Trainingserfolg der acht Paviane wurde insbesondere anhand schriftlicher Trainingsprotokolle quantifiziert. Bei zwei Individuen des intensivierten Trainings wurden zudem während des Trainings Videoaufnahmen angefertigt. Die Videoaufnahmen wurden neben dem Trainingserfolg auch hinsichtlich des Pavianverhaltens während des Trainings analysiert.
Die zuverlässige Einnahme aller Medikamente per os stellte die größte Herausforderung für Tier und Trainer dar. Zwei der drei Paviane, die einfach, überwiegend über das Mischen der Medikamente in Saft, trainiert wurden, verweigerten am häufigsten das bittere Medikament MMF. Die Medikamente Ondansetron, ASS, Ramipril und Bisoprolol wurden dagegen über das Mischen in Saft von den drei Pavianen zuverlässig eingenommen. Einer von vier einfach trainierten Pavianen trank nicht zuverlässig genug Saft, sodass dem Saft keine Medikamente beigemischt wurden.
Auch im intensivierten Training konnte, trotz im Mittel 21 Wochen Trainingszeit, nur bei einem von vier intensiviert trainierten Pavianen die intravenöse Verabreichung von MMF vollständig substituiert werden. Die anderen sieben angestrebten Trainingsziele wurden alle, trotz verschiedener versuchsbedingter Erschwernisse, in der vorgegebenen Zeit von mindestens zwei der vier intensiviert trainierten Paviane erreicht. So konnten beispielsweise bei zwei Pavianen wiederholte intramuskuläre Punktionen bzw. Injektionen am Oberschenkel durchgeführt werden. Auch die Trefferquote war bei den vier intensiviert trainierten Pavianen über alle Trainingsziele hinweg stets sehr hoch.
Das individuell gezeigte Verhaltensrepertoire der beiden Paviane, welches durch die Videoaufnahmen ausgewertet wurde, unterschied sich erheblich voneinander. Da sich das Verhalten im Sinne des Trainings positiv entwickelte – das Verlassen der Trainingsposition nahm ab, soziopositives Verhalten (z.B. Kontaktgrunzen) nahm zu – kann bei beiden Pavianen von einem positiven Effekt des Trainings auf das Vertrauen der Tiere gegenüber den Trainerinnen ausgegangen werden.
Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit ausgewertete Medical Training ist grundsätzlich als erfolgreich zu bewerten. Jedoch ist die orale Medikamenteneinnahme, insbesondere die zuverlässige Einnahme des bitteren Medikaments MMF, möglicherweise auch durch die versuchsbedingten Erschwernisse, nicht bei jedem Pavian in der vorgegebenen Zeit realisierbar