Cologne Excellence Cluster on Cellular Stress Responses in Aging Associated Diseases
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Prognostischer Nutzen echokardiographischer Parameter bei Patienten mit pulmonalarterieller Hypertonie
Full text linkEinleitung: Bei der pulmonalarteriellen Hypertonie (PAH) handelt es sich um eine
schwerwiegende, nicht heilbare und oft spät diagnostizierte Erkrankung mit verkürzter Lebenserwartung. Die prognostische Aussagekraft echokardiographischer Parameter im Therapieverlauf ist nur wenig untersucht, diese Arbeit soll deren Nutzen über fünf Jahre analysieren und mit etablierten klinischen Parametern und Biomarkern wie der 6-Minuten-
Gehstrecke (6MWD), dem Insuffizienzmarker N-terminales Pro-B-Typ natriuretisches Peptid (NTproBNP) und der Schweregradeinteilung der körperlichen Belastbarkeit nach der New York
Heart Association Klasse (NYHA-Klasse) vergleichen.
Methodik: Es wurden 236 erwachsene PAH Patienten der Spezialambulanz für pulmonale Hypertonie der Universitätsklinik Köln, im Zeitraum von 2001 bis 2020 retrospektiv untersucht. Es erfolgte eine Betrachtung über fünf Jahre, hierbei konnten über 110 Patienten ausgewertet
werden. Es wurde zwischen versterbenden (Gruppe 1) und überlebenden Patienten (Gruppe 0) unterschieden. Klinisch/ laborchemisch wurden das NTproBNP, die 6MWD und die NYHAKlasse
bestimmt. Echokardiographisch wurden die linksventrikuläre Ejektionsfraktion (LV-EF), rechtsatriale Fläche (RA-Fläche) und der cavale Diameter (VCI-Diameter) zur Abschätzung der Volumen und Stauungssituation bzw. des rechtsatrialen Drucks (RAP), die Auslenkung der Trikuspidalklappenebene (TAPSE) und die rechtsventrikuläre Flächenänderung (RV-FAC) zur Einschätzung der RV-Funktion, die trikuspidale Regurgitationsgeschwindigkeit (TRV) zur Abschätzung des systolischen pulmonalarteriellen Drucks (sPAP), sowie der Quotient
TAPSE/sPAP zur Evaluation der RV-pulmonalarteriellen Kopplung bestimmt. Über eine Rechtsherzkatheteruntersuchung (RHK) wurden der systolische, mittlere und diastolische pulmonalarterielle Druck (sPAP/mPAP/dPAP), der mittlere rechtsatriale Druck (mRAP), der transpulmonale Gradient (TPG), der diastolische Druckgradient (DPG), das Herzzeitvolumen
(HZV), der Herzindex (CI), der vaskuläre Widerstand (PVR) sowie die arterielle bzw. venöse Sauerstoffsättigung SaO2 und SvO2 bestimmt. Eine geschlechtsspezifische und vorerkrankungsspezifische Überlebenszeitanalyse nach Kaplan-Meier wurde durchgeführt,
der Gruppenvergleich erfolgte mithilfe des Long Rank Tests. Die Mittelwertunterschiede wurden mittels t-Testung für unabhängige Stichproben, die longitudinale Analyse der
metrischen Variablen via Varianzanalyse mit Messwiederholung und folgender Post-hoc Testung ausgewertet.
Ergebnisse: Zur Baseline sahen wir 236 Patienten, davon 71,2% weiblich. 56% litten an arteriellem Hypertonus, 17,8% an Diabetes Mellitus Typ 2 (DM-Typ II). 61 Patienten verstarben im Beobachtungszeitraum. Bei Erstdiagnose lag das Durchschnittsalter bei 60,4(±17). Zur
Baseline sahen wir bei den überlebenden Patienten (Gruppe 0) eine höhere glomeruläre Filtrationsleistung, ein circa acht Jahre geringeres Alter, eine knapp 84m längere 6MWD sowie geringere subjektive Atemnot nach der Borg Dyspnoe Skala als in Gruppe 1. Im RHK sahen
wir in Gruppe 0 signifikant höhere HZV, SaO2 und SvO2 Werte. Zur Baseline der
Gesamtkohorte unterschied sich echokardiographisch einzig der VCI-Diameter signifikant, was klinisch nicht relevant erscheint. Zum Zeitpunkt der Baseline sahen wir in der Subgruppenanalyse in Gruppe 0 eine sehr signifikant längere 6MWD, kein weiterer Messwert
unterschied sich zu diesem Zeitpunkt signifikant. Unter Therapie konnten wir nach einem Jahr teilweise signifikante Verbesserungen hinsichtlich klinischer und echokardiographischer
Messwerte in beiden Gruppen feststellen. In Gruppe 0 sahen wir eine signifikant geringere NYHA-Klasse, VCI-Diameter, einen sehr signifikant geringeren sPAP, einen höheren Quotienten TAPSE/sPAP, sowie eine hochsignifikant geringere TRV. Nach drei Jahren zeigten
sich divergierende Verläufe der Gruppen. In Gruppe 0 sahen wir ein signifikant geringers NTproBNP und eine sehr signifikant geringere NYHA-Klasse. Die RA-Fläche war signifikant
geringer, die RV-FAC signifikant größer. Hinsichtlich des sPAP, TAPSE/sPAP und der TRV wurde der Unterschied zwischen beiden Gruppen nun hochsignifikant. Nach fünf Jahren blieb
der Unterschied hinsichtlich des NTproBNP signifikant, die NYHA-Klasse sowie der VCIDiameter, die RA-Fläche, die RV-FAC, der sPAP, TAPSE/sPAP und die TRV unterschieden sich hochsignifikant. Die TAPSE in Gruppe 0 war erstmals signifikant größer als in der Vergleichsgruppe. In der Überlebensanalyse nach Kaplan-Meier sahen wir ein signifikant schlechteres Überleben männlicher und an DM-Typ II erkrankter Patienten. Schlussfolgerungen: Echokardiographische Parameter korrelieren signifikant mit der Sterblichkeit von PAH Patienten. Insgesamt konnten wir nach zunächst messbarer
Therapieantwort in beiden Gruppen eine folgende Verschlechterung in unterschiedlicher Ausprägung feststellen. Bereits nach einem Jahr konnten wir einen hochsignifikanten Unterschied zwischen beiden Gruppen hinsichtlich der TRV sowie sehr signifikante
Unterschiede hinsichtlich des sPAP und des Quotienten TAPSE/sPAP zeigen. Diese
Parameter scheinen die frühesten prognostischen Hinweise zu geben. Nach drei Jahren konnten wir auch signifikante Unterschiede hinsichtlich der RA-Fläche und der RV-FAC zeigen. Die TAPSE unterschied sich erst nach fünf Jahren signifikant und scheint daher den anderen Parametern hinsichtlich prognostischer Bedeutung unterlegen zu sein. Ebenso konnte die prognostische Relevanz der etablierten Prognosemarker, insbesondere der NYHAKlasse als Verlaufsparameter und der 6MWD als wertvoller Baselinemarker bestätigt werden. Mithilfe des Kaplan-Meier Verfahrens konnten wir das männliche Geschlecht und den DM-Typ II als prognostisch relevante Mortalitätsfaktoren identifizieren. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten einen wertvollen Beitrag zur verbesserten Identifikation von Risikopatienten leisten, welche dann von einer intensivierten Therapie profitieren könnten
Langzeitergebnisse der Tiefen Hirnstimulation beim therapierefraktären Tourette-Syndrom
Full text linkDie Tiefe Hirnstimulation wird seit 1999 bei schwer betroffenen und ansonsten therapieresistenten Patienten mit Tourette-Syndrom zur Tic-Reduktion eingesetzt. Mehrere randomisierte Doppelblindstudien und Metaanalysen berichten über die Wirksamkeit und die Sicherheit dieser Behandlung. Allerdings sind die bis dato vorliegenden Fallzahlen und Beobachtungszeiträume deutlich limitiert. Zur Abschätzung des Nutzen-Risiko-Verhältnisses der Tiefen Hirnstimulation bei Patienten mit Tourette-Syndrom ist die Auswertung von Langzeitdaten zur Verträglichkeit und Wirksamkeit des Therapieverfahrens sowie zur psychosozialen Funktionsfähigkeit und Lebensqualität erforderlich.
In die vorliegende retrospektive Open-Label-Studie wurden 19 Patienten mit Tourette-Syndrom eingeschlossen, die zwischen den Jahren 2006 und 2016 an der Uniklinik Köln mittels Tiefer Hirnstimulation behandelt wurden. Es wurden Daten zum Schweregrad der Tic-Symptomatik [Yale Global Tic Severity Scale (YGTSS)], zu unerwünschten Ereignissen, zur begleitenden Pharmakotherapie, zur alltäglichen Funktionsfähigkeit [Global Assessment of Functioning Scale (GAF) und zur Lebensqualität (Gilles de la Tourette Syndrome - Quality of Life Scale (GTS-QoL)] präoperativ, ein Jahr nach der Implantation und zur letzten Verlaufskontrolle (6,5 ± 3,0 Jahre) erhoben. Außerdem wurde die Behandlung subjektiv durch die Patienten bewertet.
Bei der letzten Verlaufskontrolle war die Stimulation bei 17 von 19 Patienten noch aktiv. Die Ergebnisse der YGTSS zeigen, dass die Tiefe Hirnstimulation geeignet ist, Tic-Symptome langfristig zu verbessern (p <,001) und dass die Wirkung über den untersuchten Zeitraum konstant blieb: Der durchschnittliche YGTSS-Gesamtscore verbesserte sich signifikant um 52,0% (p <,001) nach dem ersten Behandlungsjahr und um 53,3% (p <,001) bei der letzten Verlaufsuntersuchung. 95,31% aller somatischen Nebenwirkungen waren transient und meist durch Änderungen der Stimulationsparameter reversibel, jedoch teilweise regelmäßig wiederkehrend. Hinsichtlich einzelner psychischen Nebenwirkungen zeigten sich subjektiv im Rahmen der Tiefen Hirnstimulation sowohl Verbesserungen (Stimmungsschwankungen und Apathie) als auch Verschlechterungen (Unruhe und Zwangshandlungen). Die Tiefe Hirnstimulation konnte jedoch auf lange Sicht die Pharmakotherapie der eingeschlossenen Patienten nicht ersetzen. Die alltägliche Funktionsfähigkeit verbesserte sich signifikant (p=,003) unter der Stimulation, ließ jedoch nach dem ersten Behandlungsjahr nach. Bei der letzten Verlaufsuntersuchung zeigten sich signifikante Verbesserungen von Lebensqualität und Lebenszufriedenheit im Vergleich zum Ausgangswert. Subjektiv schätzten die Patienten (n = 15) den Schweregrad der Tics zum Zeitpunkt der letzten Verlaufskontrolle im Vergleich zu dem Zeitpunkt vor Therapiebeginn um 61,5% niedriger ein. Von allen 19 Patienten gaben 13 Patienten (68,42%) an, dass ihre Erwartungen an die Therapie erfüllt wurden. 15 Patienten (78,95%) berichteten, dass sie sich retrospektiv erneut für eine Behandlung mit der Tiefen Hirnstimulation entscheiden würden. Wichtig scheint es vor der Implantation realistische Erwartungen zu schaffen, um Unzufriedenheit und oder gar Therapieabbrüche zu vermeiden.
Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Studie, dass die Tiefe Hirnstimulation bei therapieresistenten Patienten mit Tourette-Syndrom eine langfristig und konstant wirksame Behandlung zur Tic-Reduktion mit akzeptablem Nebenwirkungsprofil darstellt. Zugleich kann die Stimulation zur Verbesserung von alltäglichem Funktionsniveau, Lebensqualität und Lebenszufriedenheit beitragen
Parallel phospholipid transfer by Vps13, Hob1 and Atg2 determines autophagosome biogenesis dynamics
Full text linkAutophagy is a conserved and highly versatile process that not only degrades damaged organelles, protein aggregates, and invading pathogens, but also provides essential molecular building blocks to maintain cellular homeostasis during stress conditions. During autophagosome (AP) biogenesis small single-membrane vesicles rapidly expand as cup-shaped phagophores before closure and formation of large double-membrane APs. It has become evident that de novo phospholipid (PL) synthesis in the ER and bulk phospholipid transfer (PLT) at phagophore-ER contact sites (PERCS) are important for successful phagophore expansion. However, the relative contribution of vesicular and non-vesicular PL to autophagosomal membranes remains unclear. Additionally, the mechanism by which PL are efficiently transferred from the ER to the growing phagophore membrane via PLT proteins like Atg2 is not yet understood. A theoretical model, developed in this study, predicts that non-vesicular PL constitute ~70% of the total autophagosomal PL content. It proposes that vesicles fuse during nucleation, whereas phagophore expansion is predominantly driven by non-vesicular PLT. Quantitative analysis of live-cell images revealed that phagophore membrane assembly and the number of Atg2 molecules at PERCS are generally no limiting factors for AP size. In fact, the PLT proteins Vps13 and Hob1 function in parallel with Atg2 to mediate non-vesicular PLT, thereby ensuring non-rate limiting phagophore expansion. Generally, Vps13 and Hob1 localize to various membrane contact sites (MCS) in the cell but I found that they are recruited to PERCS and phagophorevacuole contact sites upon starvation. In the absence of Vps13 and Hob1, Atg2-mediated PLT at PERCS is insufficient to support AP biogenesis, resulting in an impaired autophagy flux. Intriguingly, the maximum capacity for phagophore expansion on large Ape1 oligomers is increased in Dvps13Dhob1 cells. Given that the intermembrane lumen of autophagic membranes may be a limiting factor for AP size, I propose that, the mode of PLT in Dvps13Dhob1 cells shifts towards predominantly vesicular PLT, as an attempt to compensate for an inefficient protein-mediated PLT. Therefore, my study opens up the possibility that the parallel function of conserved PLT proteins at MCS serves as a general mechanism to regulate PL flux between organelles according to the metabolic state of cells. Redirecting the intracellular PL flux towards nascent APs upon starvation, ensures an efficient and robust AP biogenesis which may become crucial in the context of ageing and disease
Activation and modulation of lipid- and polysaccharide-induced plant immunity during beneficial plant-microbe interactions
Full text linkPlants are surrounded by a variety of microorganisms with commensal, mutualistic and pathogenic lifestyle. To monitor their environment, plants employ a multi-layered immune system consisting of extra- and intracellular receptors. Membrane-bound pattern recognition receptors (PRRs) detect conserved microbe-associated molecular patterns (MAMPs) outside of plant cells and activate pattern triggered immunity (PTI). Nucleotide-binding leucine-rich repeat receptors (NLRs) detect microbial effectors in the plant cytosol and activate effector triggered immunity (ETI). In the last decades, proteins, carbohydrates, nucelotides and lipids have been identified as MAMPs.
Long-chain carbohydrates, or polysaccharides, are key structural components of microbial extracellular polysaccharide (EPS) matrices and cell walls (CWs), forming the outermost layers of microbial cells. Along with plasma membranes, which are predominantly composed of lipids, these structures constitute the interface for plant-microbe interactions. Consequently, EPS- and CW-derived polysaccharides and membrane lipids play a pivotal role in the establishment of plant-microbe associations. Here, we characterize their role as MAMPs and modulators of immunity in the interaction of the the model plant A. thaliana and crop barley (Hordeum vulgare)
with the beneficial microbes Flavobacterium sp. Root935 and Serendipita indica, respectively. We provide evidence that EPS-matrices from both bacteria and fungi might function as oxidative
shields or calcium chelators in addition to their function as MAMPs, thereby modulating the host immune response (Chapter 2.1, 2.2). This is likely attributed to the high branching or decoration frequency of the EPS. In addition, we identify β-glucan binding proteins as important compatibility factors in beneficial plant-microbe interactions (Chapter 2.3). Moreover, we provide a comprehensive overview of the PTI response, activated upon perception of lipids,
isolated from S. indica mycelium, in barley roots. We identify ergosterol as the main immunogenic component of S. indica mycelium lipids and demonstrate activation of plant lipid signaling pathways, in particular phosphatidylinositol phosphate (PIP) signaling and diterpene biosynthesis, in response to fungal lipid treatment. This indicates that plant lipids mediate immune responses to fungal lipids in barley (Chapter 3.1). Finally local and systemic host responses to
fungal lipids during S. indica colonization are further characterized (Chapter 3.2) and compared to colonization by the pathogenic fungus Bipolaris sorokiniana (Chapter 3.3). Altogether, the work depicted in this thesis expands our knowledge on the role of lipids and polysaccharides in plant immunity during beneficial plant-microbe interactions, which could be used to develop novel strategies to promote accommodation of beneficial microbes and enhance crop resistance
Paternalism and Rule-Making: Three Experimental Studies in Political Economy
Full text linkThis thesis studies topics in political economy and the economics of freedom using experimental methods, emphasizing the use of conscious human design in shaping modern rules-based institutions. In chapter 1, we study the privacy paradox, a well-known inconsistency between stated and revealed privacy preferences. To test the claim of inconsistency more directly, we introduce a change in the object of analysis by studying how people require others to be careful about data sharing. In chapter 2, I investigate the relationship between decision-makers' knowledge and the autonomy they are granted. Knowledge is revealed to be a decisive determinant of the social contract. In chapter 3, I examine whether softly paternalistic policies can substitute for hard paternalism. In contrast to most economic research, this thesis focuses on the choice between institutions, not equilibrium behavior under given institutional arrangements
Identification of clinical, cellular, and molecular pain-inducing characteristics of lipedema patients
Full text linkIdentification, Organization, and Connectomics of Monoamine Neurons in the Adult Drosophila Brain
Full text linkDer Einfluss der prosodischen Sensitivität auf das Lesen im Grundschulalter
Full text linkDie Dissertation mit dem Titel „Der Einfluss der prosodischen Sensitivität auf das Lesen im Grundschulalter“ ist dem Gebiet der Grundlagenforschung zuzuordnen. Mit theoretischen und empirischen Erkenntnissen zur prosodischen Sensitivität (d.h. die auditive Wahrnehmung prosodischer Merkmale wie Lautstärke, Tonhöhe und Dauer sprachlicher und sprachfreier Elemente) und deren Auswirkungen auf das Lesen trägt sie dazu bei, das Wissen über dieses Forschungsgebiet mit Ergebnissen aus dem deutschen Sprachraum zu erweitern und somit eine Basis für zukünftige Entwicklungen von Messverfahren und Fördermaterialien zu schaffen.
Der monographische Teil präsentiert Begriffsdefinitionen und Erläuterungen von gängigen Messverfahren zur prosodischen Sensitivität sowie Modellvorstellungen über den Zusammenhang zwischen der prosodischen Sensitivität und dem Lesen. Zusätzlich wird ein detaillierter und strukturierter Überblick über aktuelle internationale Studien und ihre Ergebnisse gegeben. Diese Informationen dienen dazu, den Zugang zu diesem noch wenig erforschten Themengebiet zu erleichtern und bilden die Grundlage für den empirischen Teil, der aus zwei durchgeführten Studien besteht.
Studie 1 untersucht, welchen Einfluss die prosodische Sensitivität auf verschiedene Formen der Leseflüssigkeit (Wortlesen, Pseudowortlesen, Satzlesen) im Deutschen hat. Hierzu wurden Daten von 207 Kindern der dritten Klasse verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die prosodische Sensitivität nach Kontrolle der phonologischen Bewusstheit ausschließlich das Satzlesen beeinflusst. Dies lässt vermuten, dass die prosodische Sensitivität stärker mit Lesefähigkeiten zusammenhängt, die einen höheren semantischen Gehalt haben.
In Studie 2 wird erörtert, welche Struktur der prosodischen Sensitivität, der phonologischen Bewusstheit und den Buchstabenkenntnissen zugrunde liegt. Hierzu wurden Daten von 395 Erstklässlern aus der Kölner Längsschnittstudie verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die drei untersuchten Komponenten separate latente Faktoren sind, die moderat bis hoch miteinander korrelieren
Die Effektivität von Lehrmethoden zur Vorbereitung von Lehramtsstudierenden auf die Vermittlung verkehrssicherheitsrelevanter Inhalte
Full text linkDiese Studie präsentiert einen neuartigen Ansatz zur Lehre der Verkehrsphysik, der darauf abzielt, Unfälle durch eine ganzheitliche Herangehensweise zu verhindern. Durch umfangreiche Analysen, empirische Umfragen und die Entwicklung von Prototypen sollen Studierende aktiv in die Identifizierung, Analyse und Lösung von Verkehrsproblemen einbezogen werden, insbesondere im Hinblick auf die Sicherheit im öffentlichen Raum. Die Methodik dieses Ansatzes basiert auf der Anwendung theoretischer Konzepte der Verkehrsphysik in realen Verkehrssituationen. Schulen dienen dabei als Testumgebungen, um bereits in einem frühen Stadium das Bewusstsein für Verkehrssicherheit zu schärfen. Studierende angehender Lehrämter, die sich zukünftig mit Verkehrssicherheitsarbeit als curriculares Kerngebiet beschäftigen sollen, führen Verkehrsraumanalysen durch, um potenzielle Gefahrenpunkte zu identifizieren. Dabei werden Verkehrsdichte, Geschwindigkeitsmuster und menschliche Verhaltensabweichungen, sowie Gesetzeskonformität untersucht. Qualitative Forschungsmethoden wie Design Thinking und Interviews werden integriert, um Empathie zu fördern und tiefere Einblicke in die Erfahrungen der Verkehrsteilnehmer zu gewinnen. Design Thinking ermutigt die Studierenden, nicht nur oberflächliche Informationen zu sammeln, sondern auch die emotionalen und psychologischen Aspekte der Verkehrsteilnahme zu verstehen. Indem individuelle Interviews mit Fußgängern, Radfahrern und Autofahrern geführt werden, ermöglicht dieser Ansatz eine vertiefte Auseinandersetzung mit den Perspektiven, Bedürfnissen und Sorgen der Verkehrsteilnehmer. Dadurch wird das Verständnis für die Risiken im Verkehrsumfeld verbessert und eine präzisere Wahrnehmung von Gefahren sowie eine genauere Risikobewertung ermöglicht. Die gewonnenen qualitativen Daten aus den Interviews bilden eine solide Grundlage für die weitere Analyse und Gestaltung präventiver Maßnahmen. Studierende leiten durch eine ganzheitliche Betrachtung der Verkehrsteilnehmerperspektiven gezielte Strategien zur Verbesserung der Verkehrssicherheit ab. Dies beinhaltet die Entwicklung von Prototypen, die von der Optimierung von Verkehrsschildern bis hin zu technologiegestützten Sicherheitslösungen reichen. Diese Prototypen fungieren nicht nur als konkrete Beispiele für innovative Lösungen, sondern bieten auch eine greifbare Vision für zukünftige Implementierungen im Bereich der Verkehrssicherheit. Durch ihre Entwicklung tragen sie dazu bei, das Bewusstsein für Verkehrssicherheit weiter zu schärfen und die Bedeutung von präventiven Maßnahmen in diesem Bereich zu betonen. Es wurde ein Analyse- und Bewertungsinstrument für Modulprüfungen entwickelt, um klare und objektive Kriterien festzulegen. Die Konzeption des Instruments wurde durch eine gründliche Analyse der Lernziele des Moduls durchgeführt, wobei sowohl relevante pädagogische Prinzipien als auch fachspezifische Anforderungen berücksichtigt wurden. Dieser entwickelte Erwartungshorizont gewährleistet die Objektivität, Transparenz und Qualität der Modulprüfungen. Dieser Beitrag ist in englischer Sprache in der Zeitschrift "frontiers" erschienen, unter folgender DOI 10.3389/feduc.2024.147102
Rough Surface Conditions for the Turbulent Atmospheric Boundary Layer
Full text linkThe thesis investigates the effect of surface roughness on the atmospheric boundary layer (ABL) - the lower portion of the atmosphere where humans live. The Earth's surface is rough at multiple scales (e.g., ice, mud, plant cover). Surface roughness is a ubiquitous feature of the ABL, which modifies the mixing and transport properties of the flow and enhances the drag compared to aerodynamically smooth surfaces. In the ABL, dynamical processes are governed by atmospheric turbulence, the critical agent in surface-atmosphere coupling. At the same time, the state of the ABL is primarily influenced by radiative processes. In the absence of solar irradiation, the surface cools, and the stably stratified boundary layer (SBL) forms, characterized by reduced turbulence intensity. In large-scale climate or numerical weather prediction (NWP) models, unresolved processes, such as turbulence or the effect of surface roughness, are parameterized. In particular, the very stable regime remains poorly understood and challenges these models with drastic implications for weather forecasting. Here, process-level insight is gained through direct numerical simulation (DNS) of turbulent Ekman flow subjected to small-scale surface roughness (ratio of roughness height to boundary layer depth scale is O(1%)). In DNS, turbulent motions and three-dimensional roughness elements are explicitly, fully resolved. Performing DNS at scales relevant to geophysical problems requires a highly optimized numerical framework. This is prepared as part of the thesis by implementing and validating an immersed boundary method (IBM) along with a pressure treatment to avoid artificial oscillations. In Study I, the effect of surface roughness under neutral conditions on the bulk properties of the flow is investigated. The bottom of the domain is covered with 56x56 homogeneously distributed cuboids of varying mean height. The cases range from the aerodynamically smooth to the verge of the fully rough regime. The total drag increases with roughness height, along with the friction of velocity and scalar, and is measured using an integration approach of the budget equations. The enhanced turbulence intensity results in a deeper logarithmic layer as the friction Reynolds number significantly increases, and an accurate collapse of data onto the rough wall scaling is observed. Further, a pronounced veering of the wind with height from the ground is observed, which considerably outweighs the typical decrease in veering angle with increasing Reynolds number under smooth surface conditions. In Study II, a rough case located at the verge of the fully rough regime is subjected to an incrementally increasing strength of stable density stratification. Roughness efficiently counteracts buoyancy-induced suppression of turbulence. It extends the stability regime, where turbulence is in a continuous state, by inducing flow instabilities and producing detached eddies from sharp edges of roughness elements. Despite maintaining turbulence at much larger stability, global intermittency is observed once stratification becomes strong enough. With increasing stability, an over-veering of the wind appears, with a strong veering already within the roughness. Veering of the wind in the SBL challenges classical atmospheric surface layer (ASL) theory. However, it holds within the known limits and agrees with semi-empirical fits from field observations. The results demonstrate that-based on modern HPC-an extension of the well-established modelling framework for DNS to rough configurations is possible and allows unveiling dynamics in the rough surface layer based on first principles